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ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4規(guī)范的無線技術(shù)，其具有在802.15.4規(guī)范上創(chuàng)建的安全和應(yīng)用層接口、工作于免授權(quán)頻段、以年計(jì)算的超低電池壽命、超低的成本、極大可伸縮的網(wǎng)格和星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌總€(gè)主設(shè)備可支持4萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)，等諸多優(yōu)點(diǎn)，是家庭互聯(lián)、工廠自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、傳感網(wǎng)絡(luò)和汽車應(yīng)用等的理想解決方案。本文將介紹一種利用24GHz射頻芯片CC2420實(shí)現(xiàn)ZigBee無線通信的設(shè)計(jì)。

1.射頻芯片CC2420

1.1基本介紹

CC2420是Chipcon AS公司推出的首款符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，以0.18um CMOS工藝制成只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

CC2420芯片

1.2性能特點(diǎn)

(1)采用IEEE 802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式;

(2)數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps，碼片速率達(dá)2MChip/s;

(3)采用O-QPSK調(diào)制方式;

(4)超低電流消耗(RX:19.7mA,TX:17.4mA)，高接收靈敏度(-94dBm);

(5)抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB);

(6)內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器，采用低電壓供電(2.1～3.6V);

(7)輸出功率編程可控;

(8)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口);

(9)開發(fā)工具齊全，提供有開發(fā)套件和演示套件;

(10)IEEE 802.15.4 MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC校驗(yàn)、電源檢測、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR,CBC-MAC,CCM)。

1.3芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CC2420芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號(hào)只有2MHz，此混合I/Q信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、AD變換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。

圖1 CC2420芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到2.4GHz，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。

2.典型應(yīng)用電路

CC2420只需要極少的外圍元器件，其典型應(yīng)用電路如圖2所示。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。例如當(dāng)采用16MHz晶振時(shí)，其電容值約為22pF。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。

典型應(yīng)用電路

圖2 典型應(yīng)用電路

CC2420可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內(nèi)有33個(gè)16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器，在每個(gè)寄存器的讀/寫周期中，SI總線上共有24比特?cái)?shù)據(jù)，分別為：1比特RAM/寄存器選擇位(0:寄存器，1:RAM),1比特讀/寫控制位(0:寫，1:讀),6比特地址選擇位、16比特?cái)?shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。

另外，通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)，通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘/定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

3.配置IEEE 802.15.4工作模式

IEEE802.15.4規(guī)范中規(guī)定使用DSSS調(diào)制方式，CC2420中的調(diào)制和擴(kuò)頻功能框圖如圖3所示。

CC2420調(diào)制和擴(kuò)頻功能框圖

圖3 CC2420調(diào)制和擴(kuò)頻功能框圖

CC2420先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行變換，每個(gè)字節(jié)被分組為兩個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)包括4個(gè)比特，LSB優(yōu)先傳輸。每個(gè)被分組的符號(hào)用32碼片的偽隨機(jī)序列表示，共有16個(gè)不同的32碼片偽隨機(jī)序列。經(jīng)過DSSS擴(kuò)頻變換后，碼片速率達(dá)到2Mchips/s,此碼片序列再經(jīng)過O-QPSK調(diào)制，每個(gè)碼片被調(diào)制為半個(gè)周期的正弦波。碼片流通過I/Q通道交替?zhèn)鬏敚瑑赏ǖ姥訒r(shí)為半個(gè)碼片周期。

CC2420為IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。

其MAC層的幀格式為，頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀;PHY層的幀格式為，同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設(shè)置來改變。可以采用16 位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作，其RF的狀態(tài)控制圖如圖4所示。

RF狀態(tài)控制圖

圖4 RF狀態(tài)控制圖

4.開發(fā)工具及網(wǎng)絡(luò)組織

Chipcon為用戶提供了評(píng)估軟件-SmartRF Stu-dio，它可以幫助開發(fā)者進(jìn)行產(chǎn)品射頻性能的評(píng)估和功能測試。同時(shí)，Chipcon還提供了開發(fā)套件，用戶可在此基礎(chǔ)上評(píng)估和設(shè)計(jì)真正的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此開發(fā)套件包括CC2420外圍硬件模塊和Z-StackTM Zig-Bee協(xié)議棧，其中包括各種高性能的ZigBee軟件工具，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等。在此基礎(chǔ)上建立的網(wǎng)格式網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示)自組織性強(qiáng)、抗毀性強(qiáng)，極大程度地拓展了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)和無線通信范圍。

圖5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

5.總結(jié)

以上就是基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設(shè)計(jì)介紹了。CC2420芯片是首款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于免授權(quán)的2.4GHz頻段。利用此芯片開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小，適于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，為多種電子行業(yè)提供了理想的解決方案。