基于通用异步收发模式接口实现无线数据传输模块的设计

作者：尹应鹏，李平舟，郭志华

现在，无线通信技术已经成为人们日益关注的问题之一。ZigBee采用IEEE802.15.4标准，利用全球共用的2.4 GHz公共频率进行无线测量和系统监控，而且具有明显的低成本、低功耗、网络节点多、传输距离远等优势。目前，ZigBee技术已被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。为此，本文论述了一种基于CC2430芯片的无线数据传输模块的设计方法。

1 ZigBee简介

ZigBee是一种基于IEEE802.15.0标准的短距离、低速率无线网络技术，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用，主要用于无线传感器网络和测量控制方面。国际上，IEEE802.15.4工作组及ZigBee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定ZigBee物理层及MAC层协议．其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通；ZigBee联盟则负责高层应用及市场推广工作。于2002年成立的ZigBee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司加入。此外，Freescale、TI等国际巨头也都已推出了比较成熟的ZigBee开发平台。

ZigBee标准是基于802.15.4协议栈而建立的，它具备了强大的设备联网功能，并支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构（Mesh）和簇状结构（Cluster tree），其中网状结构具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

ZigBee协议比蓝牙、GSM、Wi-Fi更加简单实用，表1列出了ZigBee同其它无线网络的比较。

2 总体设计

为了进行模块化的设计，本文采用了基于通用异步收发模式（UART）接口的设计，以便方便的通过此接口将STIM（智能传感器接口模块）和该无线模块连接在一起，从而发送用户的数据。

为了能够方便在线调试，并测试串口的数据，本系统设计分为两个部分：一是CC2430部分，该部分采用四层板小型化设计，上面只有CC2430芯片和部分外围器件；另一部分是测试底板，该板采用两层板设计，包含USB与UART接口、指示灯、复位和调试接口等。这样的设计既可以从USB接口截取电源，还可以使计算机调试UART更加方便，同时还可以简化射频板的设计，使射频板部分可以更加通用。 图1所示是测试底板的电路原理图，系统中CC2430的应用电路原理图如图2所示。

3 CC2430芯片简介

CC2430／CC2431是芯片巨人TI公司收购无线单片机公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee无线单片机系列芯片。CC2430是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上SOC ZigBee产品。CC2430除了包括RF收发器外，还集成了加强型8051MCU、32／64／128 KB的Flash内存、8 KB的RAM、以及ADC、DMA、看门狗等。CC2430可工作在2.4 GHz频段，采用低电压（2.0～3.6 V）供电且功耗很低（接收数据时为27 mA，发送数据时为25 mA），其灵敏度高达-91 dBm、最大输出为+0.6 dBm、最大传送速率为250 kbps。

CC2430的外围元件数目很少，它使用一个非平衡天线来连接非平衡变压器，以使天线性能更加出色。电路中的非平衡变压器由电容C309、C311和电感L301、L302、L303组成，整个结构可满足RF输入／输出匹配电阻（50 Ω）的要求。内部T／R交换电路用于完成LNA和PA之间的交换。R200、R201为偏置电阻，其中R200主要用于为32 MHz的晶体振荡器提供合适的工作电流，通过R201可为芯片内部射频部分提供精密电流参考源。选用一只32 MHz的石英谐振器和两只电容（C210、C211）可以构成32 MHz晶体振荡器电路。芯片内部的电压稳压器可为所有1.8 V电压的引脚和内部电源供电，C214、C209、C200等为去耦电容，主要用于电源滤波，以提高芯片的工作稳定性。CC2430芯片的主要特点如下：

◇内含高性能和低功耗的8051微控制器核；

◇集成有符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机；

◇具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力。

◇休眠模式时仅0.9μA的流耗，可用外部中断或RTC唤醒系统：待机模式时的电流消耗少于0.6μA，也可以用外部中断唤醒系统；

◇硬件支持CSMA／CA功能；

◇具有较宽的电压范围（2.0～3.6 V）；

◇具有数字化的RSSI／LQI支持和强大的DMA功能；

◇具有电池监测和温度感测功能；

◇内部集成有14位模数转换的ADC；

◇集成有AES安全协处理器；

◇带有2个可支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器。同时带有1个常规16位计时器和2个8位计时器。

◇具有强大和灵活的开发工具。

4程序设计

限于篇幅。这里对于软件的设计只做简短的介绍。作者购买的是TI公司的CC2430开发套件，其中包括调试板和软件。现在，TI已经免费提供原来昂贵的ZigBee协议栈，并且会有不断的更新和完善。此外，该套件还有一些实用的例子，利用它们可以降低开发的复杂度，加快开发人员的开发速度。

5 结束语

随着ZigBee技术的不断成熟和应用范围的不断扩展，各大半导体厂家几乎都已经推出了自己的ZigBee芯片和开发套件。相信在未来几年，它不仅可以打开大量的新应用之门，而且还能给许多现有的应用增加新的价值。由于通过各种非常简单的ZigBee器件就能实现联网，因此，作为一个全球性标准，ZigBee技术可为将来实现无所不在的网络创造条件。可以预见Zigbee无线传感将切实改变人们的生活。

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