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基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信设计.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.06M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    基于射频芯片 CC2420 的 ZigBee 无线通信设计 来源：微计算机信息 作者：赵晨 何波 王睿 摘要：本文简要介绍了 ZigBee 技术，详细的说明了针对使用 PIC18 系列单片机为控制器、CC2420 为 RF 收 发器的 ZigBee 节点的硬件组成，并从 ZigBee 通信协议及协议栈的构架等方面阐述了 ZigBee 无线通信网络 的实现。 关键词：ZigBee，CC2420，通信协议，协议栈 0 引言 为满足小型、低成本设备的无线联网要求，2000 年 12 月 IEEE 成立了 IEEE802.15.4 工作组，致力于定义 一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术——ZigBee 技术。 本文针对使用 PIC18 系列单片机及 CC2420 为 RF 收发器，从 ZigBee 节点的硬件及 ZigBee 通信协议和协议 栈方面，介绍了 ZigBee 无线通信网络的组成。 1 ZigBee 技术简介 2002 年 8 月 ZigBee 联盟成立，由英国 Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞 利浦半导体公司组成。IEEE802.15.4 的 ZigBee 标准于 2003 年 5 月获得批准。 ZigBee 技术的物理层和链路层协议主要采用 IEEE802.15.4 标准，而 ZigBee 联盟负责网络层和应用层的开 发，以及制定其安全协议和市场推广等。IEEE802.15.4 定义了两个物理层标准，分别是 2.4GHz 物理层和 868/915 MHz 物理层。两个物理层都基于 DSSS 直接序列扩频技术，使用相同的物理层数据包格式。ZigBee 在 2.4 GHz 频段有 16 个信道，能够提供 250 kb/s 的传输速率，采用 O-QPSK 调制；915 MHz 和 868 MHz 分 别是欧洲和美国的 ISM 频段，这两个频段的引入避免了 2.4 GHz 附近各种无线通信设备的相互干扰。在 916MHz 频段有 10 个信道，传输速率为是 40 kb/s，在 868 MHz 频段只有一个信道，传输速率为 20 kb/s， 这两个频段都采用 BPSK 调制。 2 ZigBee 节点的硬件构成
    2.1 典型的 ZigBee 节点硬件 ZigBee 协议栈对系统微处理器的要求有：8 位微处理器；完全的协议栈：ROM<32K；简单功能节点协议栈： ROM 约 6K；协调器还需要足够的 RAM，用于保存节点器件数据库、传输路由表等。 可供选用的单片机种类较多，本设计所选用的是 PIC18 系列的单片机，因此要创建典型的 ZigBee 节点至少 必须具备以下组件：一片带 SPI 接口的 PIC18F 单片机；一个带有所需外部元件的 RF 收发器；一根天线， 可以是 PCB 上的引线形成的天线或单极天线。ZigBee 节点的构成如图 1 所示，控制器通过 SPI 总线和一些 离散控制信号与 RF 收发器相连。控制器充当 SPI 主器件而 RF 收发器充当从器件。控制器实现了 IEEE 802.15.4 MAC 层和 ZigBee 协议层。 在 RF 收发器上，本设计选用了 Chipcon 公司的 CC2420 射频收发器，它实现 ZigBee 协议的物理层(PHY)及 媒体访问控制器(MAC)层，具备 65,000 个节点通道并可随时扩充，以及低耗电、250kbps 传输速率、快速 唤醒时间(<30ms)、CSMA-CA 通道状态侦测等特性。 2.2 ZigBee 节点硬件电路实现 CC2420 只需要极少的外围元器件, 其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/ 输出匹配电路和微控制器接 口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供,也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加 晶体振荡器和两个负载电容, 电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入/ 输出匹配电路 主要用来匹配芯片的输入输出阻抗。CC2420 可以通过 4 线 SPI 总线(SI、SO、SCLK、CSn) 设置芯片的工作 模式, 并实现读/ 写缓存数据,读/ 写状态寄存器等。通过控制 FIFO 和 FIFOP 管脚接口的状态可设置发射/
    接收缓存器。在数据传输过程中 CSn 必须始终保持低电平。另外, 通过 CCA 管脚状态的设置可以控制清除 通道估计, 通过 SFD 管脚状态的设置可以控制时钟/ 定时信息的输入。 如图 2 所示，为 CC2420 的外围电路及与 PIC18 系列单片机的连接方式。此外，CC2420 需要 3.3V 的电源电 压，可以选用 PIC18 系列单片机中的低压型号，使控制器和 RF 收发器均使用 3.3V 电源电压。 3 ZigBee 通信协议 3.1 IEEE 802.15.4MAC 数据包 在本文的第一部分，已经对 IEEE 802.15.4 规范做了介绍，以下补充 MAC 层数据包的部分内容。IEEE 802.15.4 MAC 数据包的最大长度为 127 字节，每个数据包都由头字节和 16 位 CRC 值组成,16 位 CRC 值验证帧的完整 性。此外，IEEE 802.15.4 还可以选择使用应答数据传输机制，使用这种方法，所有特殊 ACK 标志位置 1
    的帧均会被它们的接收器应答。如果发送帧的时候置位了 ACK 标志位而且在一定的超时期限内没有收到应 答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。 3.2 网络配置与网络关联 ZigBee 无线网络可采用多种类型的网络配置。本设计使用星型网络实现通信。星型网络配置由一个协调器 节点（主设备）和一个或多个终端设备（从设备）组成。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通 信。 根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有网络关联，称为邻接表。为了连接到网络，终端设 备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络或者执行关联过程来加入一个新网络。在执行孤立通 知过程的情况下，协调器将通过查找其邻接表来识别先前与之关联的终端设备。 3.3 端点、接口及端点绑定 典型的 ZigBee 节点可支持多种特性和功能，为了便于在 I/O 节点和两个控制器节点之间进行数据传输，所 有节点中的应用程序必须保存多个数据链路。为了减少成本，ZigBee 节点仅使用一个无线信道来和多个端 点/ 接口来创建多条虚拟链路或信道,每个端点总共有 8 个接口。 在星型网络中的终端设备总是只与协调器通信，协调器负责将端点发送的数据包从一个节点转发到接收终 端设备的相应端点。所以，当建立一个新的网络时，必须告知协调器如何创建源端点和目标端点之间的链 路，ZigBee 协议使用了一个称为端点绑定的特殊过程来实现链路的连接。 3.4 数据传输机制 传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的确切机制随网络类型的不同而有所不同。在无信标的星型网 络中，当终端设备想要发送数据帧时，它只需等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将帧发送 到协调器。如果协调器想要将此数据发送到终端设备，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直到目标终
    端设备明确地来查询该数据为止。 4 协议栈构架 在本设计中，我们的协议栈是使用 C 语言编写的，协议栈使用内部闪存程序存储器来存储可配置的 MAC 地 址、网络表和绑定表，因此，必须使用可自编程的闪存存储器单片机。 ZigBee 设备对象 用户应用程序 应用支持子层 应用层 网络层 MAC 层 物理层
    图 3 协议栈构架 图 3 为协议栈构架，协议栈根据 ZigBee 规范的定义将其逻辑分为多个层。实现每个层的代码位于一个独立 的源文件中，而服务和应用程序接口（API）则在头文件中定义。要实现抽象性和模块性，顶层总是通过定 义完善的 API 和紧接着的下一层进行交互，该层的 C 头文件定义该层所支持的所有 API。 用户应用程序总 是与应用支持子层（APS）和应用层（APL）交互。典型的应用程序总是与应用层（APL）和应用支持子层（APS） 接口，APL 模块提供高级 协议栈管理功能，用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。 APS 层主要提供 ZigBee 端点接口。应用程序将使用该层打开或关闭一个或多个端点并且获取或发送数据。 它还为键值对（KVP）和报文（MSG）数据传输提供了原语。当首次对协调器编程时绑定表为空，主应用程 序必须调用正确的绑定 API 来创建新的绑定项。APS 还有一个间接发送缓冲器 RAM，用来存储间接帧，直到 目标接收者请求这些帧为止。MAC_MAX_ DATA _REQ_PERIOD 编译时间选项定义了确切的请求时间。节点请 求数据时间越长，数据包需要保存在间接发送缓冲器里的时间也越长，数据请求时间越长需要的间接缓冲 空间越大。 网络层（NWK）负责建立和维护网络连接，它独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求。ZigBee 设备对象（ZDO）负责接收和处理远程设备的不同请求。介质访问控制（MAC）层实现了 IEEE 802.15.4 规 范所要求的功能，并负责同物理（PHY）层进行交互。 5 结束语 ZigBee 是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议，ZigBee 协议的一些应用包括建筑自动化网络、建筑 安防系统、工业控制网络、远程抄表以及 PC 外设。本文针对使用 PIC18 系列单片机及 CC2420 为 RF 收发器， 从 ZigBee 节点的硬件及 ZigBee 通信协议和协议栈方面，介绍了 ZigBee 无线通信网络的组成。
    本文作者创新点:将最新的 ZigBee 技术使用 PIC18 系列单片机及 CC2420 为 RF 收发器实现了无线通信，并 从 ZigBee 节点的硬件及 ZigBee 通信协议和协议栈方面进行了详细阐述。 参考文献 [1]Jelena Misic, Shairmina Shafi, Vojislav B. Misic. The impact of MAC parameters on the performance of 802.15.4 PAN. Ad Hoc Networks 3. 2005. 509-528 [2]江修波. ZigBee 技术及其应用. 低压电器.2005-7 [3]郑武,金纯,杨致远.可穿戴式无线网络技术研究及应用.微计算机信息. (2005)08-0108-03 [4]刘和平，刘林，余红欣，郑群英.PIC18FXXX 单片机原理及接口程序设计.北京航空航天大学出版社 2004.8 [5]Chipcon AS SmartRF. CC2420 Preliminary Datasheet( rev 1. 2) , 2004-06-09 [6]MICROCHIP Stack for ZigBee. V1.0-3. September 9, 2005. http://www.microchip.com [7] ZigBee Protocol Specification. http://www.ZigBee.org.
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