基于CC2420的ZigBee通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫錦中

(上海電力學(xué)院 電子信息工程系，上海 200090)

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)通信技術(shù)的要求日益提高，無(wú)線通信技術(shù)在其中扮演著越來(lái)越重要的角色。ZigBee作為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)短距離無(wú)線通信協(xié)議，其協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)是基于標(biāo)準(zhǔn)七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI)，IEEE 802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了下面的兩層：物理層(PHY)和媒體接入控制子層。網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層、應(yīng)用層則由ZigBee聯(lián)盟制訂。

IEEE 802.15.4-2003有三個(gè)PHY層，包括單個(gè)分離的頻率范圍：868 MHz、915 MHz和 2.4 GHz。 低頻率PHY層包括868 MHz歐洲頻段和915 MHz美國(guó)及澳大利亞頻段，高頻段PHY層為全球通用。

ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具有如下特點(diǎn)：成本低、功耗低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、安全和傳輸距離遠(yuǎn)。Zig-Bee技術(shù)主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)的低速率電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，因此非常適用于家電和小型電子設(shè)備的無(wú)線控制指令傳輸，其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型包括周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和重復(fù)低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)等。ZigBee聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)類電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。

1 CC2420射頻芯片

CC2420是Chipcon公司(現(xiàn)被美國(guó)德州儀器公司收購(gòu))推出的，用來(lái)實(shí)現(xiàn) ZigBee應(yīng)用的單片 RF收發(fā)器，它具有高度集成、低成本、低電壓、低功耗等特點(diǎn)，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議，內(nèi)置數(shù)字直接序列擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)模塊，其數(shù)據(jù)通信速率可達(dá)250 Kb/s。

CC2420射頻芯片的特征如下：第一款真正的2.4 GHz符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，具備基帶調(diào)制解調(diào)和MAC層支持功能：自動(dòng)生成幀引導(dǎo)序列，插入和檢測(cè)同步字，CRC-16計(jì)算和校驗(yàn)，空閑信道評(píng)估，接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)和鏈路質(zhì)量指示(LQI)以及三種模式的MAC安全保護(hù)；直接序列擴(kuò)頻(DSSS)基帶調(diào)制解調(diào)，碼片速率達(dá)2 MChip/s，有效數(shù)據(jù)速率達(dá)250 Kb/s；同時(shí)適用于 RFD和 FFD；超低電流消耗(RX：18.8 mA，TX：17.4 mA)；片上穩(wěn)壓器提供2.1～3.6 V的低電壓，外部穩(wěn)壓器提供1.6～2.0 V的低電壓；可編程輸出功率；無(wú)需外接濾波器，只需要接入晶振和很少的無(wú)源元器件；同相信號(hào)和正交相位信號(hào)低中頻接收器和直接升頻轉(zhuǎn)換發(fā)送；128 B發(fā)送數(shù)據(jù)緩存，128 B接收數(shù)據(jù)緩存；CTR加密/解密，CBC-MAC驗(yàn)證，CCM加密/解密+驗(yàn)證，單獨(dú)的AES加密；電源監(jiān)控；QLP-48封裝，芯片大小為7 mm×7 mm。

CC2420射頻收發(fā)器和少量無(wú)源元件(電阻、電容、電感和PCB天線)構(gòu)成CC2420射頻模塊，形成標(biāo)準(zhǔn)接插件，減少了與微控制器(MCU)的接口，方便研發(fā)設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)。

TI公司和Microchip公司都免費(fèi)為用戶提供CC2420射頻模塊的設(shè)計(jì)原理圖和PCB版圖。此外，TI公司提供CC2420射頻模塊 CC2420EM，Microchip公司提供 CC2420射頻模塊2.4 GHz RF CARD。本文采用Microchip公司的2.4 GHz RF CARD作為射頻收發(fā)器。

2.4 GHz RF CARD與MCU的接口如圖1所示。

圖1 2.4 GHz RF CARD與微控制器接口

2 CC2420與LPC213X的硬件接口

LPC213X是NXP公司推出的支持實(shí)時(shí)仿真的ARM7TDMS-S 32位MCU。基于ARM7和CC2420的嵌入式ZigBee節(jié)點(diǎn)的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

射頻部分選用CC2420作為IEEE 802.15.4RF芯片。MCU部分選用ARM7TDMI-SLPC213X。在設(shè)計(jì)ZigBee節(jié)點(diǎn)時(shí)預(yù)留了JTAG調(diào)試端口，利用JTAG接口來(lái)調(diào)試和下載程序；通過(guò)RS-232串口提供調(diào)試過(guò)程中的信息并與PC機(jī)交互ZigBee組網(wǎng)過(guò)程中的信息；通過(guò)SPI接口與CC2420射頻模塊相連，收發(fā)無(wú)線分組數(shù)據(jù)，且引出測(cè)試點(diǎn)以便用示波器觀察各點(diǎn)的波形；并且預(yù)留了一些 GPIO供靈活使用，例如，與開關(guān)、蜂鳴器、LED和八段數(shù)碼管等的連接。

由于功能復(fù)雜，程序代碼量較大，ZigBee組網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器和路由器選用LPC2138(32 KB RAM/512 KB Flash)處理器。終端設(shè)備為 RFD，因其功能單一，程序代碼量較小，因此可以選用LPC2131(8 KB RAM/32 KB Flash)或者 LPC2132(16 KB RAM/64 KB Flash)處理器，以節(jié)約成本。CC2420與MCU的接口如圖3所示。

圖3 CC2420與微控制器接口

CC2420的引腳 SI、SO、SCLK和 CSn分別與 MCU的MOSI、MISO、SCLK和 GIO2引腳相連，如果微控制器有硬件SPI接口則可以更方便地操作CC2420；引腳FIFO、FIFOP與MCU的GIO0引腳以及Interrupt引腳相連；CCA與MCU的GIO1引腳相連；幀開始定界符SFD與MCV的Timer Capture引腳相連。

在如圖3所示的ZigBee嵌入式系統(tǒng)中，MCU通過(guò)以下方式來(lái)對(duì)CC2420進(jìn)行控制和操作：MCU通過(guò)四線SPI總線(SI、SO、SCLK 和 CSn)來(lái)與 CC2420進(jìn)行雙 向 通信，向其發(fā)送控制指令，并通過(guò)SPI總線回讀CC2420的狀態(tài)信息；MCU利用中斷的方式來(lái)讀寫CC2420的先進(jìn)先出寄存器(FIFO)，獲取無(wú)線通信數(shù)據(jù)；通過(guò)讀取CC2420的CCA引腳狀態(tài)信息來(lái)進(jìn)行空閑信道評(píng)估；MCU通過(guò)與CC2420的SFD引腳相連，向CC2420發(fā)送時(shí)序信息，表示一幀數(shù)據(jù)的開始(特別是對(duì)于信標(biāo)網(wǎng)絡(luò))。

3 軟件接口設(shè)計(jì)

CC2420 RF芯片在硬件上支持部分IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀格式，如圖4所示。

同步頭包括前導(dǎo)序列和幀定界符(SFD)。在CC2420中，前導(dǎo)序列長(zhǎng)度和幀定界符SFD是可以配置的，復(fù)位值是4 B和1 B，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。物理頭為1 B，其中幀長(zhǎng)度域共7 bit，規(guī)定了PSDU的字節(jié)數(shù)。PSDU是一個(gè)可變長(zhǎng)度域，承載著物理層的分組數(shù)據(jù)，包含MAC子層幀。

軟件接口設(shè)計(jì)主要包括以下部分：

(1)LPC213X及板極設(shè)置。

對(duì)LPC213X的初始化包括：IRQ中斷、串口、計(jì)時(shí)器以及SPI的初始化。

IRQ中斷初始化包括設(shè)置：中斷通道號(hào)、中斷服務(wù)程序入口地址和中斷使能。串口中初始化包括設(shè)置：引腳功能、字長(zhǎng)、奇偶校驗(yàn)、波特率、串口中斷通道號(hào)、中斷服務(wù)程序入口地址和中斷使能。計(jì)時(shí)器初始化包括設(shè)置：計(jì)時(shí)器的預(yù)分頻，即32 bit TC每經(jīng)過(guò) PR+1個(gè)pclk周期加 1；設(shè)置計(jì)數(shù)器 TC為 0，同時(shí)對(duì) IR寫入 0xFF清除計(jì)時(shí)器的中斷寄存器；設(shè)置串口中斷通道號(hào)、中斷服務(wù)程序入口地址和中斷使能，并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。SPI初始化包括設(shè)置引腳功能和SPI時(shí)鐘計(jì)數(shù)寄存器。寄存器的值表示構(gòu)成一個(gè)SPI時(shí)鐘的pclk周期的數(shù)據(jù)。該寄存器的值必須為偶數(shù)，且其值還必須≥8。如果寄存器的值不符合上述條件，可能導(dǎo)致產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的動(dòng)作。SPI速率的計(jì)算：pclk速率/SPCCR值。pclk速率為CCLK/VPB的除數(shù)，由VPBDIV寄存器的內(nèi)容決定。此外，還設(shè)置SPI控制寄存器 SPCR(CPHA、CPOL、MSTR、LSBF 和 SPIE)。

板級(jí)初始化包括：對(duì)一些I/O口的功能選擇設(shè)置、按鍵和LED發(fā)光二極管以及LED八段數(shù)碼管的配置。設(shè)置按鍵的狀態(tài)位，置位或者清零I/O口來(lái)設(shè)置按鍵的初始狀態(tài)；設(shè)置LED發(fā)光二極管的狀態(tài)位，置位或者清零I/O口來(lái)設(shè)置LED發(fā)光二極管的初始狀態(tài)；設(shè)置LED八段數(shù)碼管的狀態(tài)位，對(duì)ZLG7289進(jìn)行操作及設(shè)置LED八段數(shù)碼管的初始狀態(tài)。

(2)CC2420內(nèi)部寄存器的設(shè)置

CC2420內(nèi)部有33個(gè)配置和狀態(tài)寄存器、15個(gè)命令寄存器以及2個(gè)8 bit FIFO寄存器RXFIFO和TXFIFO。設(shè)置CC2420模塊為自動(dòng)ACK狀態(tài)，設(shè)置MDMCTRL0為0x0AF2；設(shè)置CORR_THR的值為 20，即設(shè)置 MDMCTRL1的值為 0x0500；設(shè)置 FIFOP_THR的值為 127，當(dāng) RXFIFO中的字節(jié)數(shù)超過(guò) FIFOP_THR時(shí)，F(xiàn)IFOP變?yōu)楦唠娖?這是一個(gè)門限值)；設(shè)置 FREQ為 357，即設(shè)置 FSCTRL為0x4165，選擇2405MHz，第11信道?；鶞?zhǔn)頻率FC計(jì)算如下：

FC=2 048+FREQ[9：0]MHz

設(shè)置PA_LEVEL的值為31，即TXCTRL的值為0xA0FF，表示輸出功率為0 dBm。PA_LEVEL和輸出功率以及典型的電流消耗如表1所示。

表1 2.4 GHz RF輸出功率設(shè)置

設(shè)置完LPC213X、并對(duì)CC2420寄存器進(jìn)行配置后，可以自己編寫程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的收發(fā)，也可以移植協(xié)議棧到該目標(biāo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)。

本文采用NXP公司的LPC213X MCU和Chipcon公司的CC2420射頻芯片，完成了符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式節(jié)點(diǎn)的硬件以及相應(yīng)的接口軟件的設(shè)計(jì)。該ZigBee嵌入式節(jié)點(diǎn)成本低、功耗小，可以用電池供電，具有功能強(qiáng)大、擴(kuò)展靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出功率可編程、安全可靠等特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有重要意義，特別適合于工業(yè)監(jiān)控、消費(fèi)類電子和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

[1]ZigBee Alliance.ZigBee specification V1.0.USA， June 27，2006.

[2]Texas Instruments.2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee-ready RF transceiver V1.3.USA， October 3， 2005.

[3]金純，羅租秋，羅鳳，等.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.