基于MSP430與CC2420的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的硬件節點(diǎn)設計

摘要： 傳感器節點(diǎn)是組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本單位.本文通過(guò)對傳感器硬件節點(diǎn)的分析,以射頻芯片 CC2420 為核心，設計了一種基于CC2420 與 MSP430 單片機的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的硬件節點(diǎn)設計方案。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )； 硬件節點(diǎn)； CC2420； MSP430

傳感器節點(diǎn)是組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本單位，是構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎。本文依據傳感器節點(diǎn)功耗低、成本低、體積小等硬件限制條件，設計了一種基于射頻芯片CC2420和單片機MSP430的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的硬件節點(diǎn)。

硬件節點(diǎn)設計

在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)設計時(shí),應考慮其具有的如下特點(diǎn):微型化, 應用中的傳感器節點(diǎn)要高度集成，保證不會(huì )對目標系統的特性造成影響，受外形尺寸限制，模塊必須能夠集成更多部件；低功耗,網(wǎng)絡(luò )往往部署在無(wú)人值守的地方，節點(diǎn)使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節省電能是應用的首要問(wèn)題；運行速度，網(wǎng)絡(luò )對節點(diǎn)的實(shí)時(shí)性要求很高，要求處理器的實(shí)時(shí)處理能力要強；擴展接口,多功能的傳感器產(chǎn)品是發(fā)展的趨勢，而在前期設計中，不可能把所有的功能包括進(jìn)來(lái)，這就要求系統有很強的可擴展性；可靠性, 傳感器網(wǎng)絡(luò )可以分布在很廣的地域,因此，維護十分困難，傳感器網(wǎng)絡(luò )的軟、硬件必須具有高魯棒性和容錯性；盡可能低的成本。

綜合以上考慮,本文設計的傳感器節點(diǎn)框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

傳感器節點(diǎn)由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源等模塊組成，本方案采用了以MSP430為核心的控制模塊。MSP430在低功耗方面表現出色，并且在惡劣條件下工作性能穩定。以CC2420為無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，MSP430與CC2420通過(guò)SPI方式通信，MSP430采用主模式，CC2420采用從模式。節點(diǎn)的傳感器模塊與主板分離，模塊化的設計提高了節點(diǎn)在不同應用中的靈活性。由于本節點(diǎn)為電池供電，要求傳感器體積小、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單，最好采用不需要復雜信號調理電路的數字傳感器。

主要芯片介紹

CC2420

CC2420是一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。該芯片體積小、功耗低，非常適合于家庭及樓宇自動(dòng)化、工業(yè)監控等應用系統。

CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線(xiàn)、16MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4GHz頻段工作。CC2420只提供一個(gè)SPI接口與微處理器連接，通過(guò)這個(gè)接口完成設置和收發(fā)數據工作。許多單片機都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地與CC2420配合使用。簡(jiǎn)單的外圍電路和處理器接口，使得CC2420可以應用在非常廉價(jià)的設備上。

MSP430

MSP430是具有超低功耗特點(diǎn)的16位單片機，本方案選用MSP430F149，其功耗電流已經(jīng)達到了mA級。它是功能強大的CPU內核:16位CPU和高效的RISC指令系統，無(wú)外擴的數據地址總線(xiàn)，在8MHz時(shí)可達到125ns的指令周期，具有16個(gè)快速響應中斷，能及時(shí)處理各種緊急事件。豐富的片內外圍功能模塊：12位的A/D轉換器ADC12內包括采樣/保持功能的ADC內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發(fā)生器、多種時(shí)鐘源、采樣及轉換時(shí)序電路。有8個(gè)外通道,4個(gè)內通道，高達200kbps的采樣速率，多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式;片內有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器，6個(gè)并行口Pl～P6, 48條I/O口線(xiàn)，其具有64KＢ的閃存,用于存儲采集數據。

CC2420與MSP430的

硬件接口電路

CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、 FIFO、 FIFOP、和CCA 4個(gè)引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài);而處理器通過(guò)SPI接口與CC2420交換數據、發(fā)送命令等。

CC2420收到物理幀的SFD字段后，會(huì )在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動(dòng)了地址辨識，在地址辯識失敗后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區狀態(tài)。如果接收FIFO緩存區有數據，FIFO引腳輸出高電平;如果接收FIFO緩存區為空，FIFO引腳輸出低電平。當FIFOP引腳在接收FIFO緩存區的數據超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，或者在CC2420接收到一個(gè)完整的幀以后輸出高電平。臨界值可以通過(guò)CC2420的寄存器設置。

CCA引腳在信道有信號時(shí)輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進(jìn)入接收狀態(tài)至少8個(gè)符號(symbol)周期后，才會(huì )在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。

SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過(guò)SPI接口訪(fǎng)問(wèn)CC2420內部寄存器和存儲器。在訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程中，CC2420是SPI接口的從設備，接收來(lái)自處理器的時(shí)鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執行輸入／輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數據時(shí)，都與時(shí)鐘下降沿對齊。CC2420與MSP430是通過(guò)SPI連接的，其中，MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430還有4個(gè)I/O與CC2420相連，主要起查詢(xún)CC2420狀態(tài)的作用。CC2420與MSP430的接口電路如圖2所示。

圖2 視頻采集系統硬件結構框圖

節點(diǎn)設計的要點(diǎn)及注意事項

在設計節點(diǎn)時(shí),重點(diǎn)是射頻部分, CC2420要求時(shí)鐘源的精度在±40ppm以?xún)?。本文采用高精度、性能穩定的四腳貼片晶振，來(lái)避免晶振的漂移。

進(jìn)行電路板設計時(shí),要采取抗干擾措施：射頻電路沒(méi)有用做布線(xiàn)的面積均需用銅填充并連接到地，以提供RF屏蔽，達到有效抗干擾的目的；CC2420芯片底部應接地；為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個(gè)接地過(guò)孔將CC 2420芯片底部和地層相連； 器件要緊密地分布在CC2420的四周，并使用較小的封裝。

另一個(gè)要考慮的是天線(xiàn)。天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信中起著(zhù)舉足輕重的作用，天線(xiàn)的選擇和設置會(huì )直接影響整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的運行質(zhì)量。本節點(diǎn)射頻芯片CC2420可以使用金屬倒F型PCB引線(xiàn)天線(xiàn)和單極天線(xiàn)兩種設計方案。PCB引線(xiàn)天線(xiàn)是印制在電路板上的導線(xiàn)，通過(guò)它來(lái)感應空中電波、接收信息。PCB天線(xiàn)的形狀、尺寸應嚴格按照數據手冊設計。

圖3 電視跟蹤系統流程圖

軟件設計

軟件開(kāi)發(fā)以IAR Workbench V2.10為平臺，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件編程的基本思路是：先對SPI、CC2420控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對CC2420芯片初始化;開(kāi)啟接收機后，就可以運行任務(wù)程序了，以實(shí)現接收或發(fā)送數據。