姜紹君,王忠健
(大連理工大學(xué)城市學(xué)院,遼寧 大連 116600)
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)。
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。
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)
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。
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
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
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。
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。
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。