基于CC2530的短距離無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

姜紹君，王忠健

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，短距離無線通信需求不斷增加。目前，短距離無線通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括WiFi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)。其中，ZigBee技術(shù)具有低速率、低功耗、靈活組網(wǎng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CC2530是一個(gè)滿足ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級SoC芯片，TI公司還開發(fā)出基于CC2530芯片，符合ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的軟件包Z-Stack協(xié)議棧[1-3]。Z-Stack協(xié)議棧是一個(gè)復(fù)雜的軟件包，僅為用戶提供應(yīng)用函數(shù)接口，用戶無法靈活實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。因此，本文詳細(xì)說明了CC2530的無線射頻參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷郊皵?shù)據(jù)收發(fā)的流程控制，用戶可以開發(fā)適合自己工程應(yīng)用的無線通信系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 CC2530處理器

CC2530內(nèi)部主要包含增強(qiáng)型8051微控制器、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器以及其他相關(guān)模塊，其具有高集成度、低電壓、低功耗等特點(diǎn)[4]。其中，無線數(shù)據(jù)收發(fā)器支持IEEE 802.15.4協(xié)議，通信頻率為2.4 GHz，傳輸速率為250 kbps，非常適用于短距離無線通信。由于無線通信采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，具有抗噪聲干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此，即使發(fā)射信號功率較低也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)通信。

1.2 外設(shè)電路

CC2530的電路系統(tǒng)如圖1所示。CC2530芯片的引腳包含P0端口、P1端口、P2端口、XOSC_Q1和XOSC_Q1晶振引腳、RESET_N復(fù)位引腳、RF_N和RF_P射頻信號引腳以及電源VDD和GND等[5-6]，外設(shè)由天線、時(shí)鐘、復(fù)位系統(tǒng)、電源等組成。

圖1 CC2530的電路系統(tǒng)

2 軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，需要對CC2530芯片進(jìn)行編程控制，包含載波頻率的選擇、發(fā)射功率的控制、通信數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)置、數(shù)據(jù)收發(fā)過程的控制等。

2.1 載波頻率和輸出功率

根據(jù)IEEE 802.15.4—2006協(xié)議規(guī)定[7]，CC2530芯片內(nèi)部可選擇16個(gè)載波頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，頻率范圍在2.405～2.480 GHz之間，中心頻率間步長為5 MHz，通道編號k為11～26。通道k的實(shí)際頻率表達(dá)見式（1）：

為了得到通道k的頻率，通過寄存器REQCTRL.FREQ[6：0]的7位數(shù)可以設(shè)置頻率，頻率設(shè)置見式（2）：

在滿足一定通信距離的條件下，為了降低功耗，應(yīng)盡可能選擇較低的發(fā)射功率，由TXPOWER寄存器控制輸出不同的發(fā)射功率。發(fā)射功率設(shè)置見表1所列。

表1 發(fā)射功率設(shè)置

2.2 通信數(shù)據(jù)幀格式

CC2530芯片收發(fā)的數(shù)據(jù)支持IEEE 802.15.4—2006的幀格式[8]，IEEE 802.15.4—2006的幀格式如圖2所示。幀引導(dǎo)序列和幀開始定界符（SFD）構(gòu)成的同步頭（SHR）是CC2530芯片硬件自動(dòng)生成的無線通信同步信息，PHY頭（PHY）和PHY數(shù)據(jù)服務(wù)單元（PSDU）（MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元）是軟件編程的有效數(shù)據(jù)，開發(fā)人員參考IEEE 802.15.4—2006幀格式的內(nèi)容說明來設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

圖2 IEEE 802.15.4—2006的幀格式

2.3 數(shù)據(jù)收發(fā)過程

數(shù)據(jù)發(fā)送過程如圖3所示[9]。

（1）按照幀長度、MAC頭和MAC負(fù)載的先后順序，使用RFD寄存器將它們寫入數(shù)據(jù)緩沖器TX_FIFO中，TX_FIFO最多可以存放128 B數(shù)據(jù)，且一次只能產(chǎn)生一幀；

（2）CPU向無線收發(fā)器發(fā)出STXON或STXONCCA選通指令，無線收發(fā)器將TX_FIFO中的數(shù)據(jù)全部輸出；

（3）在成功發(fā)送一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀后，產(chǎn)生TX_DONE中斷信號。

數(shù)據(jù)接收過程如圖4所示。

（1）CPU向無線收發(fā)器發(fā)出SRXON選通指令，無線收發(fā)器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；

（2）在接收一幀數(shù)據(jù)的過程中，幀引導(dǎo)序列和幀開始定界符SFD不會(huì)寫入數(shù)據(jù)緩沖器RX_FIFO，只有幀長度、MAC頭和MAC負(fù)載的有效數(shù)據(jù)會(huì)寫入RX_FIFO中；

（3）在準(zhǔn)確接收一幀數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生RXOK中斷信號。

3 通信抗干擾性設(shè)計(jì)

在無線通信過程中，極易受各種各樣的電磁波干擾，例如自然界的雷電干擾、電器設(shè)備故障干擾、地面電磁環(huán)境干擾等，這些干擾嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。CC2530芯片采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)和循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）算法，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送過程

圖4 數(shù)據(jù)接收過程

直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是一種增加發(fā)射信號帶寬的通信技術(shù)[10]，發(fā)射后的擴(kuò)頻信號與發(fā)射前原始信號的頻帶寬度之比范圍為10～100。接收數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過解擴(kuò)處理降低干擾信號的功率譜密度，可有效抑制干擾信號。同時(shí)也能夠有效抑制相鄰信道的干擾，阻塞假象頻率的信號。

循環(huán)冗余檢查（CRC）算法是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的檢錯(cuò)糾錯(cuò)方法。CC2530芯片支持IEEE 802.15.4-2006幀格式，在幀結(jié)構(gòu)中MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元的幀尾包含一個(gè)16位的幀校驗(yàn)序列（FCS），F(xiàn)CS是基于ITU-T標(biāo)準(zhǔn)的16位循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）算法。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)CS由硬件自動(dòng)生成，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)CS由硬件自動(dòng)驗(yàn)證。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受到干擾，F(xiàn)CS驗(yàn)證出錯(cuò)，接收的數(shù)據(jù)不會(huì)寫入RX_FIFO中。

4 結(jié) 語

綜上所述，本系統(tǒng)可以靈活設(shè)計(jì)無線射頻參數(shù)和無線通信數(shù)據(jù)幀，控制數(shù)據(jù)收發(fā)過程。實(shí)驗(yàn)表明，整個(gè)系統(tǒng)具有功耗低、抗干擾性強(qiáng)、軟件設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，非常適用于智能家居監(jiān)控、農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度監(jiān)測、路燈照明的智能控制等領(lǐng)域。