SPI/UART與ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

董澤龍　毋茂盛

摘 要：TI公司生產(chǎn)設(shè)計(jì)的CC2530采用8051單片機(jī)內(nèi)核，該芯片不僅集成有UART和SPI接口，還具有采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送和接收功能。為了方便非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行基于CC2530的開(kāi)發(fā)，文中設(shè)計(jì)了SPI/UART到ZigBee協(xié)議的轉(zhuǎn)換模塊，該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于智能家居、遠(yuǎn)程分布式控制等領(lǐng)域，并省去了連線，降低了成本，提高了開(kāi)發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：ZigBee；SPI；UART；CC2530

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

ZigBee是一種短距離無(wú)線通信協(xié)議，具有方便、成本低等特點(diǎn)，特別適合于智能家居、工業(yè)控制等特定的場(chǎng)合，省去連線的麻煩。UART與SPI接口是目前眾多單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。TI公司生產(chǎn)設(shè)計(jì)的CC2530采用8051單片機(jī)內(nèi)核，不僅集成有UART、和SPI接口，而且還具有采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送和接收的功能，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。由于基于CC2530的開(kāi)發(fā)要求具有TCP/IP協(xié)議等背景知識(shí)，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生是件比較困難的事。因此，本文利用CC2530設(shè)計(jì)了一個(gè)SPI/UART到ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，該模塊通過(guò)UART或SPI接口與其它單片機(jī)系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，可廣泛應(yīng)用于智能家居，分布式控制等領(lǐng)域，大大提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

1 模塊的功能與工作原理

SPI/UART到ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊可通過(guò)ZigBee協(xié)議無(wú)線接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)SPI或UART和其它的單片機(jī)系統(tǒng)相接口，作為一個(gè)模塊應(yīng)用到各種相關(guān)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中；該模塊也可作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器使用。模塊工作時(shí)的連接如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)按功能大約可分為4個(gè)部分。

2.1 CC2530及外圍相關(guān)電路

德州儀器公司推出的SoC芯片CC2530，兼容ZigBee協(xié)議，它采用8051內(nèi)核，并在此基礎(chǔ)上增加了許多功能，如支持基于IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線射頻等。CC2530及其外圍相關(guān)電路如圖2所示。

（1）數(shù)字電源和模擬電源通過(guò)電容接地；

（2）通過(guò)配置寄存器，將UART引腳RXD、TXD分別映射到引腳P0.2、P0.3；將SPI的引腳MISO、MOSI、SCK、SSN映射到P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，并通過(guò)2個(gè)IDC10連接器和其它單片機(jī)系統(tǒng)相連。

2.2 電平轉(zhuǎn)換電路

CC2530芯片工作電壓為3.3 V，而許多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用的是5 V的電壓，為了解決與5 V單片機(jī)系統(tǒng)的接口問(wèn)題，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路。具體為采用了4路2輸入與門(mén)芯片74HCT08D，其14腳接5 V電源。由于CC2530為CMOS芯片，輸入可以承受5 V的電壓，所以，由5 V單片機(jī)到轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)不用電平轉(zhuǎn)換電平；而轉(zhuǎn)換模塊到5 V單片機(jī)的信號(hào)要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即將3.3 V輸出的引腳連接到74HCT08的一對(duì)輸入引腳，將對(duì)應(yīng)的輸出引腳連接到其他單片機(jī)相關(guān)引腳即可。

2.3 電源轉(zhuǎn)換電路。

本模塊不帶電源，但需要3.3 V電源。為此，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了5 V到3.3 V電源轉(zhuǎn)換的電路，電路中采用LD1117將輸入到模塊的5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V電源為CC2530供電。另外還設(shè)計(jì)了對(duì) CC2530的編程與調(diào)試的接口電路。該模塊的實(shí)物圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

為了方便用戶進(jìn)行基于CC2530芯片的開(kāi)發(fā)，德州儀器公司（Texas Instruments）專(zhuān)門(mén)為用戶開(kāi)發(fā)了Z-Stack協(xié)議棧，它為用戶提供了應(yīng)用層的API，因此，用戶可以不需詳細(xì)了解內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理，就進(jìn)行基于CC2530的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。但是由于Z-Stack協(xié)議棧是半開(kāi)源的，對(duì)于底層內(nèi)部實(shí)現(xiàn)原理用戶無(wú)法了解和修改，給移植和深入研究造成了一定的困難。

3.1 寄存器配置

在模塊工作時(shí)，相關(guān)引腳必須連接正確。在UART模式下，CTS、RTS引腳不用連接，TXD和RXD與對(duì)應(yīng)通信單片機(jī)的RXD和TXD連接。在SPI模式下，4根引腳對(duì)應(yīng)連接即可。配置寄存器復(fù)用相應(yīng)的引腳如表1所列。

3.2 UART模式操作

UART模式下采用檢測(cè)寄存器的發(fā)送完成標(biāo)志位來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成；采用中斷方式響應(yīng)數(shù)據(jù)接收中斷，在中斷函數(shù)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.3 SPI模式的操作

（1）主模式

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的模塊經(jīng)過(guò)實(shí)際的應(yīng)用，工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸功能，可以作為獨(dú)立擴(kuò)展模塊和其他單片機(jī)進(jìn)行通信，不需從頭設(shè)計(jì)無(wú)線通信的部分，降低開(kāi)發(fā)難度，大大提高了開(kāi)發(fā)的效率?？捎糜谥悄芗揖印⒎植际娇刂频阮I(lǐng)域，省去連線的麻煩，節(jié)約開(kāi)支。

參考文獻(xiàn)

[1] 毋茂盛. 單片機(jī)原理與開(kāi)發(fā)[M]. 北京：高等教育出版社，2015.

[2] 王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3] 法拉哈尼. ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與收發(fā)器[M].沈建華，王維華，闊鑫，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[4] Texas Instruments.CC111xFx， CC243xFx，CC251xFx and CC253xFx SPI[EB/OL].2009. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/an/swra223a/swra223a.pdf.

[5] Texas Instruments. CC253x/4x User's Guide[EB/OL].2014. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru191f/swru191f.pdf.

[6] Texas Instruments.CC2530 Datasheet[EB/OL].2009. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.