基于CC2430的ZigBee無線數傳模塊的設計和實現

現在，無線通信技術已經成為人們日益關注的問題之一。ZigBee采用IEEE802.15.4標準，利用全球共用的2.4GHz公共頻率進行無線測量和系統監控，而且具有明顯的低成本、低功耗、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢。目前，ZigBee技術已被視為替代有線監視和控制網絡領域最有前景的技術之一。為此，本文論述了一種基于CC2430芯片的無線數據傳輸模塊的設計方法。

    1 ZigBee簡介

    ZigBee是一種基于IEEE802.15.0標準的短距離、低速率無線網絡技術，該無線連接技術主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用，主要用于無線傳感器網絡和測量控制方面。國際上，IEEE802.15.4工作組及ZigBee聯盟共同致力于該無線連接技術的推廣工作，其中，IEEE802.15.4工作組主要負責制定ZigBee物理層及MAC層協議．其余協議主要參照和采用現有標準，以便于今后不同廠商設備的互聯互通；ZigBee聯盟則負責高層應用及市場推廣工作。于2002年成立的ZigBee聯盟如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司加入。此外，Freescale、TI等國際巨頭也都已推出了比較成熟的ZigBee開發平臺。

    ZigBee標準是基于802.15.4協議棧而建立的，它具備了強大的設備聯網功能，并支持三種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)，其中網狀結構具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。

    ZigBee協議比藍牙、GSM、Wi-Fi更加簡單實用，表1列出了ZigBee同其它無線網絡的比較。

    2總體設計

    為了進行模塊化的設計，本文采用了基于通用異步收發模式(UART)接口的設計，以便方便的通過此接口將STIM(智能傳感器接口模塊)和該無線模塊連接在一起，從而發送用戶的數據。

    為了能夠方便在線調試，并測試串口的數據，本系統設計分為兩個部分：一是CC2430部分，該部分采用四層板小型化設計，上面只有CC2430芯片和部分外圍器件；另一部分是測試底板，該板采用兩層板設計，包含USB與UART接口、指示燈、復位和調試接口等。這樣的設計既可以從USB接口截取電源，還可以使計算機調試UART更加方便，同時還可以簡化射頻板的設計，使射頻板部分可以更加通用。圖1所示是測試底板的電路原理圖，系統中CC2430的應用電路原理圖如圖2所示。

    3 CC2430芯片簡介

    CC2430／CC2431是芯片巨人TI公司收購無線單片機公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee無線單片機系列芯片。CC2430是一款真正符合IEEE802.15.4標準的片上SOC ZigBee產品。CC2430除了包括RF收發器外，還集成了加強型8051MCU、32／64／128 KB的Flash內存、8KB的RAM、以及ADC、DMA、看門狗等。CC2430可工作在2.4 GHz頻段，采用低電壓(2.0～3.6V)供電且功耗很低(接收數據時為27 mA，發送數據時為25 mA)，其靈敏度高達-91 dBm、最大輸出為+0.6dBm、最大傳送速率為250 kbps。

    CC2430的外圍元件數目很少，它使用一個非平衡天線來連接非平衡變壓器，以使天線性能更加出色。電路中的非平衡變壓器由電容C309、C311和電感L301、L302、L303組成，整個結構可滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內部T／R交換電路用于完成LNA和PA之間的交換。R200、R201為偏置電阻，其中R200主要用于為32MHz的晶體振蕩器提供合適的工作電流，通過R201可為芯片內部射頻部分提供精密電流參考源。選用一只32MHz的石英諧振器和兩只電容(C210、C211)可以構成32 MHz晶體振蕩器電路。芯片內部的電壓穩壓器可為所有1.8V電壓的引腳和內部電源供電，C214、C209、C200等為去耦電容，主要用于電源濾波，以提高芯片的工作穩定性。CC2430芯片的主要特點如下：

    ◇內含高性能和低功耗的8051微控制器核；

    ◇集成有符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz的RF無線電收發機；

    ◇具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力。

    ◇休眠模式時僅0.9μA的流耗，可用外部中斷或RTC喚醒系統：待機模式時的電流消耗少于0.6μA，也可以用外部中斷喚醒系統；

    ◇硬件支持CSMA／CA功能；

    ◇具有較寬的電壓范圍(2.0～3.6 V)；

    ◇具有數字化的RSSI／LQI支持和強大的DMA功能；

    ◇具有電池監測和溫度感測功能；

    ◇內部集成有14位模數轉換的ADC；

    ◇集成有AES安全協處理器；

    ◇帶有2個可支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE802.15.4規范的MAC計時器。同時帶有1個常規16位計時器和2個8位計時器。

    ◇具有強大和靈活的開發工具。

    4程序設計

    限于篇幅。這里對于軟件的設計只做簡短的介紹。作者購買的是TI公司的CC2430開發套件，其中包括調試板和軟件?，F在，TI已經免費提供原來昂貴的ZigBee協議棧，并且會有不斷的更新和完善。此外，該套件還有一些實用的例子，利用它們可以降低開發的復雜度，加快開發人員的開發速度。

    5 結束語

    隨著ZigBee技術的不斷成熟和應用范圍的不斷擴展，各大半導體廠家幾乎都已經推出了自己的ZigBee芯片和開發套件。相信在未來幾年，它不僅可以打開大量的新應用之門，而且還能給許多現有的應用增加新的價值。由于通過各種非常簡單的ZigBee器件就能實現聯網，因此，作為一個全球性標準，ZigBee技術可為將來實現無所不在的網絡創造條件。可以預見Zigbee無線傳感將切實改變人們的生活。