基于射頻芯片CC2420的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信設計

0 引言

為滿(mǎn)足小型、低成本設備的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種適于固定、便攜或移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)――ZigBee技術(shù)。本文針對使用PIC18系列單片機及CC2420為RF收發(fā)器，從ZigBee節點(diǎn)的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面，介紹了ZigBee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的組成。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成。IEEE802.15.4的ZigBee標準于2003年5月獲得批準。

2 ZigBee節點(diǎn)的硬件構成

2.1 典型的ZigBee節點(diǎn)硬件

ZigBee協(xié)議棧對系統微處理器的要求有：8位微處理器；完全的協(xié)議棧：ROM32K；簡(jiǎn)單功能節點(diǎn)協(xié)議棧：ROM約6K；協(xié)調器還需要足夠的RAM，用于保存節點(diǎn)器件數據庫、傳輸路由表等。

可供選用的單片機種類(lèi)較多，本設計所選用的是PIC18系列的單片機，因此要創(chuàng )建典型的ZigBee節點(diǎn)至少必須具備以下組件：一片帶SPI接口的PIC18F單片機；一個(gè)帶有所需外部元件的RF收發(fā)器；一根天線(xiàn)，可以是PCB上的引線(xiàn)形成的天線(xiàn)或單極天線(xiàn)。ZigBee節點(diǎn)的構成如圖1所示，控制器通過(guò)SPI總線(xiàn)和一些離散控制信號與RF收發(fā)器相連?？刂破鞒洚擲PI主器件而RF收發(fā)器充當從器件?？刂破鲗?shí)現了IEEE 802.15.4 MAC層和ZigBee協(xié)議層。

在RF收發(fā)器上，本設計選用了Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器，它實(shí)現ZigBee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(MAC)層，具備65,000個(gè)節點(diǎn)通道并可隨時(shí)擴充，以及低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時(shí)間(30ms)、CSMA-CA通道狀態(tài)偵測等特性。

2.2 ZigBee節點(diǎn)硬件電路實(shí)現

CC2420只需要極少的外圍元器件, 其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。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供,也可由內部電路提供。由內部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負載電容, 電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。射頻輸入/ 輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗。CC2420可以通過(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)(SI、SO、SCLK、CSn) 設置芯片的工作模式, 并實(shí)現讀/ 寫(xiě)緩存數據,讀/ 寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/ 接收緩存器。在數據傳輸過(guò)程中CSn必須始終保持低電平。另外, 通過(guò)CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計, 通過(guò)SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時(shí)鐘/ 定時(shí)信息的輸入。

如圖2所示，為CC2420的外圍電路及與PIC18系列單片機的連接方式。此外，CC2420需要3.3V的電源電壓，可以選用PIC18系列單片機中的低壓型號，使控制器和RF收發(fā)器均使用3.3V電源電壓。

3 ZigBee通信協(xié)議

3.1 IEEE 802.15.4MAC數據包

在本文的第一部分，已經(jīng)對IEEE 802.15.4規范做了介紹，以下補充MAC層數據包的部分內容。IEEE 802.15.4 MAC數據包的最大長(cháng)度為127字節，每個(gè)數據包都由頭字節和16位CRC 值組成,16位CRC值驗證幀的完整性。此外，IEEE 802.15.4還可以選擇使用應答數據傳輸機制，使用這種方法，所有特殊ACK標志位置1的幀均會(huì )被它們的接收器應答。如果發(fā)送幀的時(shí)候置位了ACK標志位而且在一定的超時(shí)期限內沒(méi)有收到應答，發(fā)送器將重復進(jìn)行固定次數的發(fā)送，如仍無(wú)應答就宣布發(fā)生錯誤。

3.2 網(wǎng)絡(luò )配置與網(wǎng)絡(luò )關(guān)聯(lián)

ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可采用多種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )配置。本設計使用星型網(wǎng)絡(luò )實(shí)現通信。星型網(wǎng)絡(luò )配置由一個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)（主設備）和一個(gè)或多個(gè)終端設備（從設備）組成。在星型網(wǎng)絡(luò )中，所有的終端設備都只與協(xié)調器通信。

根據系統需求，協(xié)調器會(huì )在非易失性存儲器中存儲所有網(wǎng)絡(luò )關(guān)聯(lián)，稱(chēng)為鄰接表。為了連接到網(wǎng)絡(luò )，終端設備可能執行孤立通知過(guò)程來(lái)查找先前與之關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )或者執行關(guān)聯(lián)過(guò)程來(lái)加入一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )。在執行孤立通知過(guò)程的情況下，協(xié)調器將通過(guò)查找其鄰接表來(lái)識別先前與之關(guān)聯(lián)的終端設備。

3.3 端點(diǎn)、接口及端點(diǎn)綁定

典型的ZigBee節點(diǎn)可支持多種特性和功能，為了便于在I/O節點(diǎn)和兩個(gè)控制器節點(diǎn)之間進(jìn)行數據傳輸，所有節點(diǎn)中的應用程序必須保存多個(gè)數據鏈路。為了減少成本，ZigBee節點(diǎn)僅使用一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道來(lái)和多個(gè)端點(diǎn)/ 接口來(lái)創(chuàng )建多條虛擬鏈路或信道,每個(gè)端點(diǎn)總共有8個(gè)接口。

在星型網(wǎng)絡(luò )中的終端設備總是只與協(xié)調器通信，協(xié)調器負責將端點(diǎn)發(fā)送的數據包從一個(gè)節點(diǎn)轉發(fā)到接收終端設備的相應端點(diǎn)。所以，當建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )時(shí)，必須告知協(xié)調器如何創(chuàng )建源端點(diǎn)和目標端點(diǎn)之間的鏈路，ZigBee協(xié)議使用了一個(gè)稱(chēng)為端點(diǎn)綁定的特殊過(guò)程來(lái)實(shí)現鏈路的連接。

3.4 數據傳輸機制

傳輸數據到終端設備和從終端設備傳輸數據的確切機制隨網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型的不同而有所不同。在無(wú)信標的星型網(wǎng)絡(luò )中，當終端設備想要發(fā)送數據幀時(shí)，它只需等待信道變?yōu)榭臻e。在檢測到空閑信道條件時(shí)，它將幀發(fā)送到協(xié)調器。如果協(xié)調器想要將此數據發(fā)送到終端設備，它會(huì )將數據幀保存在其發(fā)送緩沖器中，直到目標終端設備明確地來(lái)查詢(xún)該數據為止。

4 協(xié)議棧構架

在本設計中，我們的協(xié)議棧是使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，協(xié)議棧使用內部閃存程序存儲器來(lái)存儲可配置的MAC地址、網(wǎng)絡(luò )表和綁定表，因此，必須使用可自編程的閃存存儲器單片機。

協(xié)議棧管理功能，用戶(hù)應用程序使用此模塊來(lái)管理協(xié)議棧功能。

APS層主要提供ZigBee端點(diǎn)接口。應用程序將使用該層打開(kāi)或關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)并且獲取或發(fā)送數據。它還為鍵值對（KVP）和報文（MSG）數據傳輸提供了原語(yǔ)。當首次對協(xié)調器編程時(shí)綁定表為空，主應用程序必須調用正確的綁定API來(lái)創(chuàng )建新的綁定項。APS還有一個(gè)間接發(fā)送緩沖器RAM，用來(lái)存儲間接幀，直到目標接收者請求這些幀為止。MAC_MAX_ DATA _REQ_PERIOD編譯時(shí)間選項定義了確切的請求時(shí)間。節點(diǎn)請求數據時(shí)間越長(cháng)，數據包需要保存在間接發(fā)送緩沖器里的時(shí)間也越長(cháng)，數據請求時(shí)間越長(cháng)需要的間接緩沖空間越大。

網(wǎng)絡(luò )層（NWK）負責建立和維護網(wǎng)絡(luò )連接，它獨立處理傳入數據請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。ZigBee設備對象（ZDO）負責接收和處理遠程設備的不同請求。介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）層實(shí)現了IEEE 802.15.4規范所要求的功能，并負責同物理（PHY）層進(jìn)行交互。

5 結束語(yǔ)

ZigBee是為低速率控制網(wǎng)絡(luò )設計的標準無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，ZigBee協(xié)議的一些應用包括建筑自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )、建筑安防系統、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )、遠程抄表以及PC外設。本文針對使用PIC18系列單片機及CC2420為RF收發(fā)器，從ZigBee節點(diǎn)的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面，介紹了ZigBee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的組成。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn):將最新的ZigBee技術(shù)使用PIC18系列單片機及CC2420為RF收發(fā)器實(shí)現了無(wú)線(xiàn)通信，并從ZigBee節點(diǎn)的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面進(jìn)行了詳細闡述。

參考文獻

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