汪振中

（上海信息技術(shù)學(xué)校，上海 200331）

基于 CC2530芯片的ZIGBEE無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

汪振中

（上海信息技術(shù)學(xué)校，上海 200331）

針對有線數(shù)據(jù)傳輸方式布線復(fù)雜、成本高、移動性差、維修不便等缺陷，在目前短距離無線通信技術(shù) Zigbee的基礎(chǔ)上，將 ZigBee無線技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于 CC2530的高傳輸速率、近距離、低功耗、低成本的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊電路，并完成相關(guān)的硬件和軟件設(shè)計。

CC2530；Zigbee；模塊；無線傳輸；數(shù)據(jù)采集

1 硬件電路設(shè)計

1.1 CC2530芯片

CC2530是 ZigBee無 線 數(shù) 據(jù) 傳 輸 中 的 一 個 核心芯片， 該芯片有四種不同的閃存版本：分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530芯片能適應(yīng)系統(tǒng)的超低功耗要求，因為 CC2530芯片有多種不同的工作運(yùn)行模式，用戶可以根據(jù)實際情況選擇不同的運(yùn)行模式來降低功耗要求，而且運(yùn)行模式切換時間短，耗電少。CC2530結(jié)合了德州儀器業(yè)界領(lǐng)先的 ZigBee 協(xié)議棧，強(qiáng)大和完整的 ZigBee 解決方案，具有行業(yè)領(lǐng)先的 RF收發(fā)性能，標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051CPU，8KB的 RAM 和可編程閃存。

1.2 晶體振蕩器電路設(shè)計

該電路有兩個晶振，一個是系統(tǒng)時鐘晶振，一個是實時時鐘晶振。

系統(tǒng)時鐘晶振用于向 CC2530芯片和其他電路(RTC電路 )提供工作時鐘。根據(jù) CC2530的最高工作頻率和系統(tǒng)工作頻率需要，以及 PLL電路的工作方式，選擇頻率 25MHz的無源晶體振蕩器，其頻率經(jīng)過微處理器內(nèi)部 PLL電路倍頻后，最高頻率可達(dá) 96MHz。

實時時鐘RTC的基本功能是跟蹤時間和日期等信息，當(dāng)然許多RTC還提供有看門狗定時器、看門系統(tǒng)復(fù)位、序列號、非易失存儲器、涓流充電、方波輸出等多種附加功能。所以在電路設(shè)計時，不僅要考慮其時間跟蹤功能，而且還應(yīng)該針對其具體應(yīng)用綜合考慮RTC的功能、尺寸、成本等要求。這里選擇 32.768kHz無源晶振，由于芯片內(nèi)部的 PLL電路兼有信號提取整形和頻率倍頻放大的功能，因而系統(tǒng)能夠通過較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，從而滿足系統(tǒng)頻率要求。

1.3 復(fù)位電路設(shè)計

復(fù)位電路主要包括系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)運(yùn)行時用戶的按鍵復(fù)位。系統(tǒng)上電時復(fù)位電路提供復(fù)位信號直到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號；用戶的按鍵復(fù)位主要用來進(jìn)行調(diào)試程序。這里采用RC串聯(lián)組合電路，因該芯片復(fù)位低電平有效，故電阻 R接電源 VCC，電容 C接地，串聯(lián)部分接芯片復(fù)位腳。電容在通電瞬間可以看作短路，芯片復(fù)位腳為低電平。電容充電充滿后， 芯片復(fù)位腳變?yōu)楦唠娖健＿@樣，芯片復(fù)位腳保持一段時間低電平后，最后穩(wěn)定在高電平。低電平的持續(xù)時間長短由RC時間常數(shù)決定。

1.4 天線電路設(shè)計

天線的基本功能是發(fā)射和接收無線電波。在發(fā)射時，天線把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去；在接收時，天線把電滋波轉(zhuǎn)換為高頻電流接收過來。在為基于CC2530無線數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇天線時，應(yīng)注意到性能的好壞。天線作為無線通信系統(tǒng)中的一個重要組成部分，其性能的好壞優(yōu)劣直接影響著通信系統(tǒng)的指標(biāo)，因而在選擇天線時必須注意天線的頻率帶寬、增益、額定功率等電氣指標(biāo)。

1.5 硬件電路圖

由于 CC2530內(nèi)部已經(jīng)集成了大量必要的電路，因此只需較少的外圍電路即可完成電路硬件設(shè)計。

2 軟件設(shè)計

2.1 Zigbee技術(shù)

Zigbee 是一種高穩(wěn)定可靠的工業(yè)級無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，它的通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的 75m 到幾百米、幾公里，并且可以進(jìn)行無限擴(kuò)展。Zigbee 是一個由可多到 65000 個無線數(shù)傳模塊組成的無線網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)平臺范圍內(nèi)，每一個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間都可以相互通信，而且每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的 75m到更遠(yuǎn)距離進(jìn)行無限擴(kuò)展。ZigBee 采用的自組織網(wǎng)技術(shù)，通過彼此自動相互尋找，可以很快形成一個互聯(lián)互通的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)。為避免由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動而引發(fā)的通訊中斷，模塊會不斷對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新，重新尋找通信對象，從而確定彼此間的聯(lián)絡(luò)進(jìn)行自組織網(wǎng)。自組織網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)點(diǎn)，模塊能夠自主尋找網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，自主尋找網(wǎng)絡(luò)道路，從而實現(xiàn)多通道通信，保證每一個無線通道都能夠始終暢通，哪怕其中幾個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，模塊仍能夠通過其他幾個通道進(jìn)行通訊，保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。這一點(diǎn)在工業(yè)現(xiàn)場控制中非常重要。因此 Zigbee具有數(shù)據(jù)傳輸可靠，網(wǎng)絡(luò)容量大，時延短，兼容性好，安全性高，自組和自愈功能強(qiáng)等特點(diǎn)，比藍(lán)牙可靠性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，不易斷網(wǎng)；同時也比 WIFI功耗要低，安全性好。

2.2 ZIGBEE協(xié)議框架和分層

ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是分成一層一層的，某一層都分配了一定的任務(wù)，它必須完成，完成之后作為上一層完成任務(wù)的基礎(chǔ)，否則上一層沒有辦法實現(xiàn)應(yīng)有的功能。IEEE 802.15.4是 IEEE針對低速率無線個人局域網(wǎng)指定的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義了協(xié)議棧里的最下面兩層：物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）。ZigBee直接使用了這兩層，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）架構(gòu)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的 LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)可以在不同的載波頻率（20kbps、40kbps和 250kbps）下實現(xiàn)傳輸速率并且支持星型和點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

星型網(wǎng)絡(luò)首先要建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能通過與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器才能進(jìn)行通信。哪個節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定。

點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中任意兩個設(shè)備可以進(jìn)行直接通信，不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 程序編寫

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要把發(fā)射和接收到的數(shù)據(jù)用單片機(jī)進(jìn)行處理，將各個功能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)備串聯(lián)在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，對采集到的數(shù)據(jù)安全發(fā)送。

設(shè)計模塊的收發(fā)信息工作程序流程如圖1所示。

設(shè)計中的系統(tǒng)軟件以系統(tǒng)各功能節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，設(shè)計了軟件系統(tǒng)包括基于 ZigBee傳感器數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)上傳以及無線數(shù)據(jù)通信四個模塊，完成環(huán)境參數(shù)從采集到監(jiān)測處理的整個過程。由于模塊完成的功能多，每個功能都離不開無線模塊的接受數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)，要提高模塊的傳輸速率，就要寫出最簡單最實效的程序。

3 軟硬件調(diào)試

3.1 觀察

檢查之初先不急于通電，因為整個電路板的布線多且復(fù)雜、線條較細(xì)，各元器件和芯片的引腳密集，很容易出現(xiàn)虛焊錯焊漏焊等現(xiàn)象。仔細(xì)檢查線路、器件的安裝和焊接情況，器件引腳是否接錯焊錯，極性是否接錯等。

圖1 模塊的收發(fā)信息工作程序流程圖

3.2 測試

通電前用萬用表檢查電源是否短路。確認(rèn)檢查無誤后通電測試，根據(jù)要求測出電壓、電流、波形、信號傳輸速率、信號強(qiáng)度等相關(guān)參數(shù)，做好記錄。如果現(xiàn)象有誤，要根據(jù)測試參數(shù)進(jìn)行電路分析，排除故障。如果是程序問題，也要對程序中的邏輯關(guān)系、語法結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試。

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