2.4GHz射頻芯片CC2420實(shí)現ZigBee通信

摘要：CC2420 是Chipcon公司推出的一款符合 IEEE 802.15.4規范的 2.4GHz 射頻芯片，用來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感及家庭組網(wǎng)等 PAN 網(wǎng)絡(luò )的ZigBee 設備和產(chǎn)品。文中介紹了 CC2420的主要功能、結構及典型應用電路。

1 引言
ZigBeeZigBee 是一種基于 IEEE802.15.4 規范的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。它具有在 802.15.4 規范上創(chuàng )建的安全和應用層接口、工作于免授權頻段、以年計算的超低電池壽命、低至3美金的超低成本、極大可伸縮的網(wǎng)格和星型網(wǎng)絡(luò )拓撲每個(gè)主設備可支持 4萬(wàn)多個(gè)節點(diǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)是家庭互聯(lián)、工廠(chǎng)自動(dòng)化、醫療設備、傳感網(wǎng)絡(luò )和汽車(chē)應用等的理想解決方案。

CC2420是 Chipcon As 公司推出的首款符合 2.4GHz IEEE802.15.4 標準的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于 ZigBee產(chǎn)品的 RF 器件。它基于 Chipcon 公司的 SmartRF 03 技術(shù)，以0.18um CMOS 工藝制成　只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過(guò)了IEEE802.15.4 標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳輸率高達 250kbps可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。


2 芯片主要性能特點(diǎn)

CC2420的主要性能參數如下：

• 工作頻帶范圍：2.400～2.4835GHz；
• 采用 IEEE802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式；
• 數據速率達 250kbps 碼片速率達 2MChip/s；
• 采用 o-QPSK 調制方式；
• 超低電流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收靈敏度（-99dBm）；
• 抗鄰頻道干擾能力強(39dB)；
• 內部集成有 VCO、LNA、PA 以及電源整流器　采用低電壓供電(2.1～3.6V)；
• 輸出功率編程可控；
• IEEE802.15.4 MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC 校驗、電源檢測、
• 完全自動(dòng) MAC 層安全保護(CTR,CBC－MAC,CCM)；
• 與控制微處理器的接口配置容易(4 總線(xiàn)SPI 接口)；
• 開(kāi)發(fā)工具齊全　提供有開(kāi)發(fā)套件和演示套件；
• 采用 QLP-48 封裝，外形尺寸只有7×7MM。

3 芯片內部結構

CC2420芯片的內部結構如圖1所示。天線(xiàn)接收的射頻信號經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和 I/Q 下變頻處理后，中頻信號只有 2MHz,此混合I/Q信號經(jīng)過(guò)濾波、放大、AD變換、自動(dòng)增益控制、數字解調和解擴　最終恢復出傳輸的正確數據。


發(fā)射機部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數據先被送入128字節的發(fā)送緩存器中,頭幀和起始幀是通過(guò)硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據 IEEE802.15.4 標準,所要發(fā)送的數據流的每4個(gè)比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調制到2.4GHz，并經(jīng)放大后送到天線(xiàn)發(fā)射出去。


4 典型應用電路

CC2420只需要極少的外圍元器件，其典型應用電路如圖2所示。它的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。例如當采用16MHz晶振時(shí)　其電容值約為22pF。

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，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為芯片內部的PA及LNA提供直流偏置。

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。注意：在SPI總線(xiàn)接口上進(jìn)行的地址和數據傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內有33個(gè)16比特狀態(tài)設置寄存器,在每個(gè)寄存器的讀/寫(xiě)周期中,SI總線(xiàn)上共有24比特數據,分別為:1比特ＲAM/寄存器選擇位(0:寄存器，1:RAM),1比特讀/寫(xiě)控制位(0:寫(xiě)，1:讀),6比特地址選擇位、16比特數據位。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。這些接口必須與微處理器的相應管腳相連來(lái)實(shí)現系統射頻功能的控制與管理。

5 配置 IEEE 802.15.4 工作模式

IEEE802.15.4 規范中規定使用DSSS調制方式，CC2420 中的調制和擴頻功能框圖如圖3所示。

CC2420先將要傳輸的數據流進(jìn)行變換,每個(gè)字節被分組為兩個(gè)符號,每個(gè)符號包括4個(gè)比特LSB優(yōu)先傳輸。每個(gè)被分組的符號用32碼片的偽隨機序列表示,共有16個(gè)不同的32碼片偽隨機序列。經(jīng)過(guò)DSSS擴頻變換后,碼片速率達到2MCHIPS/S,此碼片序列再經(jīng)過(guò)O－QPSK調制,每個(gè)碼
片被調制為半個(gè)周期的正弦波。碼片流通過(guò)I/Q通道交替傳輸,兩通道延時(shí)為半個(gè)碼片周期。

CC2420為 IEEE802.15.4 的數據幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為:頭幀＋數據幀＋校驗幀；PHY層的幀格式為,同步幀＋PHY頭幀＋MAC幀,幀頭序列的長(cháng)度可以通過(guò)寄存器的設置來(lái)改變?？梢圆捎?6 位CRC校驗來(lái)提高數據傳輸的可靠性。發(fā)送或接收的數據幀被送入ＲAM中的128字節的緩存區進(jìn)行相應的幀打包和拆包操作　其RF的狀態(tài)控制圖如圖4所示。


6 開(kāi)發(fā)工具及網(wǎng)絡(luò )組織
CHIPCOn為用戶(hù)提供了評估軟件－SMArt RFStu-DIO,它可以幫助開(kāi)發(fā)者進(jìn)行產(chǎn)品射頻性能的評估和功能測試。同時(shí)，CHIPCOｎ還提供了開(kāi)發(fā)套件，用戶(hù)可在此基礎上評估和設計真正的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò )。此開(kāi)發(fā)套件包括 CC2420 外圍硬件模塊和z-STACKTM Zig-Bee 協(xié)議棧，其中包括各種高性能的 ZigBee 軟件工具，如網(wǎng)絡(luò )設置器、協(xié)議追蹤調試工具等。在此基礎上建立的網(wǎng)格式網(wǎng)絡(luò )（網(wǎng)絡(luò )結構如圖5所示）自組織性強、抗毀性強，極大程度地拓展了網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)數和無(wú)線(xiàn)通信范圍。


7 結束語(yǔ)
CC2420是首款符合zIGBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件,其 MAC層和 PHY 層協(xié)議符合802.15.4 規范,工作于免授權的 2.4GHz 頻段。利用此芯片開(kāi)發(fā)的短距離射頻傳輸系統成本低、功耗小,適于電池長(cháng)期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點(diǎn)，為家庭自動(dòng)控制、工業(yè)監控、傳感網(wǎng)絡(luò )、消費電子、智能玩具等提供了理想的解決方案。