帶定位引擎的射頻芯片CC2431
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CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統（SoC）解決方案，能夠滿(mǎn)足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用需要。CC2431定位引擎基于RSSI技術(shù)，根據接收信號強度與已知參考節點(diǎn)位置準確計算出有關(guān)節點(diǎn)位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端。相比于集中型定位系統，RSSI功能減小了網(wǎng)絡(luò )流量與通信延遲，在典型應用中可實(shí)現3～5 m定位精度和0.25 m的分辨率。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/158198.htmCC2431片上系統（SoC）由CC2430加上Motorola公司基于IEEE 802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)定位引擎組成，具有2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和高效的8051控制器。其中，MCU包括存儲器及其外圍，其他模塊提供電源管理、時(shí)鐘分配和測試等重要功能。
CC2431的設計結合了8 KB的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本。它們根據不同的閃存空間32 KB、64 KB和128 KB來(lái)優(yōu)化復雜度與成本。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48腳封裝，采用具有內嵌閃存的0.18 μm CMOS標準技術(shù)。針對協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò )和應用軟件執行時(shí)對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個(gè)增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內核，運行時(shí)鐘為32 MHz。CC2431還包含一個(gè)DMA控制器，可以減少8051微控制器內核對數據的傳送操作，因此提高了芯片整體的性能。
在CC2431 8 KB靜態(tài)RAM中的4 KB是超低功耗SRAM。32 KB、64 KB或128 KB的片內Flash塊提供在線(xiàn)可編程非易失性存儲器。CC2431集成了4個(gè)振蕩器用于系統時(shí)鐘和定時(shí)操作，以及用于用戶(hù)自定義應用的外設；具有4個(gè)定時(shí)器，此外，還集成了實(shí)時(shí)時(shí)鐘、上電復位、8通道8～14位ADC等其他外設，并帶有語(yǔ)音和定位跟蹤引擎。CC2431的主要特點(diǎn)如下：
◇ 定位引擎能精確計算網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)位置；
◇ 具有高性能、低功耗的8051控制器核；
◇ 集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)機（具有工業(yè)領(lǐng)先的CC2420射頻內核）；
◇ 優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾能力；
◇ 128 KB可編程閃存，8 KB RAM，4 KB帶全部功耗模式數據保持功能；
◇ 強大的DMA功能；
◇ 極少的外部元器件；
◇ 低電流損耗（微控制器運行于32 MHz時(shí)，接收和發(fā)射分別為27 mA和25 mA）；
◇ 休眠模式時(shí)僅0.9 μA電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統；
◇ 待機模式下小于0.6 μA電流損耗，外部中斷能喚醒系統；
◇ 低功耗模式與主動(dòng)模式之間的快速切換；
◇ 硬件支持CSMA/CA功能；
◇ 較寬的電壓范圍（2.0~3.6 V）；
◇ 數字化的RSSI/LQI支持；
◇ 具有電池監測和溫度傳感器；
◇ 多達8路輸入的8～14位模/數轉換；
◇ 集成AES128安全協(xié)處理器；
◇ 帶有2個(gè)功能強大的支持多組協(xié)議的USART；
◇ 集成看門(mén)狗定時(shí)器；
◇ 具有1個(gè)符合IEEE 802.15.4規范的MAC計時(shí)器，1個(gè)常規的16位計時(shí)器和2個(gè)8位計時(shí)器；
◇ 21個(gè)普通I/O引腳，其中2個(gè)具有20 mA的驅動(dòng)能力；
◇ 支持硬件調試，具有強大靈活的開(kāi)發(fā)工具。
2 CC2431的定位引擎操作
CC2431和CC2430是引腳兼容的，除定位引擎之外，CC2430的MCU和RF部分與CC2431完全相同。為避免重復，本文重點(diǎn)介紹CC2431的定位引擎。
定位引擎用于估算無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的位置。通常參考節點(diǎn)坐標已知，其他需要估計坐標的節點(diǎn)為“盲節點(diǎn)”。進(jìn)行定位估計時(shí)，定位引擎需要獲得3～8 個(gè)參考節點(diǎn)的坐標值以及其他測量參數，定位引擎計算后的輸出是一個(gè)節點(diǎn)的估計坐標。在定位引擎運行之前，必須使能定位引擎寄存器LOCENG的第4位 LOCENG.EN。當要停止定位引擎運行時(shí)，應往LOCENG.EN寫(xiě)入0關(guān)斷引擎的時(shí)鐘信號，從而降低CC2431的功耗。對定位引擎的操作主要就是對與定位引擎有關(guān)的寄存器的操作。下面詳細說(shuō)明各部分的操作。
2.1 參考坐標
定位引擎運行時(shí)需要3～8個(gè)參考坐標輸入。參考坐標以m為單位表示各個(gè)參考節點(diǎn)的位置，其數值位于0～63.75，最高精度為0.25 m，以最低2位為小數部分，剩余6位為整數部分。參考坐標存放于RF寄存器REFCOORD中。在寫(xiě)入REFCOORD之前，寄存器LOCENG的第1位 LOCENG.REFLD必須寫(xiě)入1，用于指示一組參考坐標將要被寫(xiě)入。一旦坐標寫(xiě)入過(guò)程開(kāi)始（LOCENG.REFLD=1），8對坐標必須一次性寫(xiě)入。當定位引擎使用少于8個(gè)參考坐標時(shí)，要將未用的參考坐標寫(xiě)入0.0。
2.2 測量參數
定位引擎除了需要參考坐標外，還需要一組測量參數。這組參數由2個(gè)射頻參數和8個(gè)RSSI值組成。射頻參數是數值A和n，用于描述網(wǎng)絡(luò )操作環(huán)境。在全向模式下，射頻參數A被定義為用dBm表示的距發(fā)射器1 m接收到的平均能量絕對值。若平均接收能量為-40 dBm，那么參數A被定為40。定位引擎期望參數A為30.0～50.0，精度為0.5。參數A用無(wú)符號定點(diǎn)數值給出，最低位為小數位，而其余各位為整數位，一個(gè)典型值為40.0。
射頻參數n被定義為路徑損失指數，它指出了信號能量隨著(zhù)到收發(fā)器距離的增加而衰減的速率。衰減與d-n成比例，這里,d是發(fā)射器和接收器之間的距離。實(shí)際寫(xiě)入定位引擎的參數n是一個(gè)可通過(guò)查表得到的整數索引值，如表1所列。
例如，通過(guò)測量得到n=2.98，查表得到最接近的有效值為3.000，相應的索引值是13。因此，整數13作為參數n寫(xiě)入到定位引擎中。參數 n以[0，31]之間的整數索引寫(xiě)入定位引擎，索引用整數表示。如n=7，即寫(xiě)入000000111。n的典型值是13。RSSI值是相應于一組參考坐標的RSSI測量值。
RSSI值為[-40 dBm，-95 dBm]，精度為0.5 dBm，寫(xiě)入值中應去掉負號。如RSSI的值為-50.35 dB，則寫(xiě)入到定位引擎中為50.5。注意，未用的參考坐標必須用0.0作為RSSI值寫(xiě)入。如果僅有部分參數寫(xiě)入，則定位引擎不能正確工作。
所有的測量參數應寫(xiě)入RF寄存器MEASPARM中，在寫(xiě)入MEASPARM之前寄存器LOCENG的第2位LOCENG.PARLD必須寫(xiě)入 1，表示一組測量參數將被寫(xiě)入。一旦參數寫(xiě)入開(kāi)始（LOCENG.PARLD=1），所有10個(gè)參數必須一次性全部寫(xiě)入。測量參數必須按[A,n, rssi0,rssi1,…，rssi7]順序寫(xiě)入MEASPARM寄存器，任何未使用的位必須寫(xiě)0。10個(gè)參數全部寫(xiě)完之后，LOCENG.PARLD 必須寫(xiě)入0。
2.3 定位估計
參數坐標和測量參數寫(xiě)入之后，通過(guò)將寄存器LOCENG第0位LOCENG.RUN寫(xiě)入1，啟動(dòng)定位估計計算。通常，LOCENG.RUN被置 1后的1 200個(gè)系統周期之后，LOCENG的第3位LOCENG.DONE被置1。此時(shí)，估計坐標可從LOCX和LOCY寄存器讀出。定位引擎不產(chǎn)生任何中斷請求。在新的結果被計算出來(lái)或下一次重新啟動(dòng)之前，估計坐標值在LOCX和LOCY中保持有效。CC2431定位引擎操作流程如圖1所示。
圖1 定位引擎操作流程
2.4 軟件編程
下面介紹定位引擎操作的源代碼。
void CalcultePostition(LOC_REF_NODE refNodes[LOC_ENGINE_NODE_CAPA],uint a_val,uint n_index,uint *locX,uint *locY) {
uint i;
//啟動(dòng)定位引擎
LOC_DISABLE();
LOC_ENABLE();
//使能LOC_REFERENCE_LOAD，準備寫(xiě)入參考坐標
LOC_REFERENCE_LOAD(TRUE);
//寫(xiě)入參考坐標
for(i=0;iLOC_ENGINE_NODE_CAPACITY;i++) {
REFCOORD=refNodes[i].x;
RERCOORD=refNodes[i].y;
}
//參考坐標寫(xiě)入完成
LOC_REFERENCE_LOAD(FALSE);//使能LOC_PARAMETER_LOAD，準備寫(xiě)入測量參數
LOC_PARAMETER_LOAD(TRUE);
MEASPARM=a_val;
MEASPARM=n_index;
for(i=0;iLOC_ENGINE_NODE_CAPACITY;i++) {
MEASPARM=refNodes[i].rssi;
}
//測量參數寫(xiě)入完成
LOC_PARAMETER_LOAD(FALSE);
//啟動(dòng)定位估計計算
LOC_RUN();
//等待完成后讀出坐標值
while(！LOC_DONE());
*locX=LOCX;
*locY=LOCY;
//關(guān)閉定位引擎
LOC_DISABLE();
}
結語(yǔ)
本文主要介紹了帶定位引擎的射頻芯片CC2431，重點(diǎn)介紹了其定位引擎的使用方法。CC2431是一款真正的片上系統（SoC）解決方案，它針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )ZigBee/IEEE 802.15.4，具有定位檢測引擎，可以實(shí)現3 m左右或更高的定位精度，有效降低了ZigBee節點(diǎn)成本；并且結合了市場(chǎng)領(lǐng)先的ZStack ZigBee協(xié)議軟件，提供了市場(chǎng)上最具競爭力的ZigBee解決方案。在未來(lái)幾年內，其應用必將擴展到更多領(lǐng)域。
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