基于ZigBee 技術(shù)的無線通信模塊研究

嚴林波

（南昌理工學院 電子與信息學院，江西 南昌330044）

當前是一個全球經(jīng)濟化時代，我國無線通信模塊設(shè)計工作要與時俱進，跟上時代前進的腳步。在現(xiàn)代無線通信市場行業(yè)中，ZigBee 技術(shù)作為一種具有明顯應(yīng)用優(yōu)勢的無線通信技術(shù)，通過將其科學實踐應(yīng)用在無線通信模塊設(shè)計工作中，能夠有效構(gòu)建出一種低功耗、低成本的小區(qū)域范圍無線通信方式，滿足市場用戶對應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信需求。ZigBee 技術(shù)具有極為強大的無線網(wǎng)絡(luò)連接功能，能夠同時支持星狀、網(wǎng)狀以及樹狀三種不同類型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。因此，基于ZigBee 技術(shù)的無線通信模塊創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用，能夠發(fā)揮出明顯的優(yōu)勢作用，在各個領(lǐng)域中都能夠取得良好的工作成果。

1 ZigBee 技術(shù)的主要特點

ZigBee 技術(shù)是現(xiàn)代社會生活發(fā)展中應(yīng)用最為廣泛的一種通信技術(shù)，就如WIFI 一樣該項技術(shù)能夠讓一些設(shè)備高效接入到互聯(lián)網(wǎng)中，實現(xiàn)對無線數(shù)據(jù)的快速準確傳輸。ZigBee 技術(shù)是基于IEEE802.15.4 協(xié)議發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，該項技術(shù)作為顯著的特點主要體現(xiàn)在以下幾方面內(nèi)容：a.低功耗。由于ZigBee 技術(shù)實踐應(yīng)用的傳輸速率較低，其發(fā)射功率僅僅只有1mW，如果是在低耗電待機模式下，根據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)顯示，生活中2 節(jié)普通的5 號干電池能夠支持1 個節(jié)點工作6-24 個月，甚至更長的市場，而藍牙設(shè)備的電量往往只能夠持續(xù)工作數(shù)小時，這是其他無線設(shè)備望塵莫及的[1]；b.低成本。在標準協(xié)議制定應(yīng)用下，ZigBee 技術(shù)對通信控制器并沒有提出較高的要求。比如以市場上的8 位微控制器測算為例，所有功能的主節(jié)點只需要32KB 代碼。并且，市場面的ZigBee 協(xié)議是免專利費的，每個ZigBee 模塊的初始成本在6 美金左右，當前市場上每塊芯片價格更是低至2 美金，這無疑促使ZigBee 技術(shù)比起其他無線短距離通信技術(shù)更加具有成本優(yōu)勢；c.時延短。ZigBee 技術(shù)應(yīng)用還具有響應(yīng)效率高的優(yōu)勢特點，通常情況下該項技術(shù)從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到運行工作狀態(tài)只需要15ms，通過實踐應(yīng)用該項無線通信技術(shù)能夠有效降低更多不必要的電能損耗。與其他無線短距離通信技術(shù)相比較，其更加具有優(yōu)勢，像我們生活中常用到的WIFI需要經(jīng)過3s 才接入到網(wǎng)絡(luò)；d.網(wǎng)絡(luò)容量大。與其他無線通信相比較，ZigBee 技術(shù)還具有網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)勢特點，該項技術(shù)能夠有效支持星狀、片狀以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。比如，一個星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最大程度可以有效容納254 分從設(shè)備和1 個主設(shè)備，并且一個區(qū)域范圍內(nèi)能夠同時存在最多100 個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組成有著高度靈活的特點，此外在一個網(wǎng)絡(luò)中能夠有65000 個節(jié)點進行連接。

2 基于ZigBee 技術(shù)的無線通信模塊的硬件設(shè)計

2.1 電路實現(xiàn)方案優(yōu)化設(shè)計

ZigBee 技術(shù)應(yīng)用下無線通信模塊硬件電路設(shè)計可以通過綜合采用MSP430F149 單片機與CC2420 射頻芯片進行無線通信，其能夠科學有效控制CC2420 射頻芯片完成對數(shù)據(jù)信息的無線傳輸操作，如下圖1 所示為硬件模塊框圖。從該圖我們可以得知，系統(tǒng)硬件構(gòu)建部分主要包括了CC2420 射頻芯片、MSP430F149 單片機以及電源管理模塊等。設(shè)計人員要嚴格按照ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢特點，合理選擇相對應(yīng)的系統(tǒng)器件，并認真做好每個模塊的技術(shù)調(diào)試工作，充分保障能夠符合硬件系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計要求[2]。在該系統(tǒng)中MSP430F149 單片機起到的作用是實現(xiàn)對全部節(jié)點的有效控制操作，具體涵蓋了數(shù)據(jù)信息管理與任務(wù)管理。CC2420 射頻芯片負責連接SPI 接口實現(xiàn)與MCU 的有效通信，并完成對各項數(shù)據(jù)的接收和傳遞。

圖1 硬件模塊框圖

2.2 MSP430F149 單片機外圍電路優(yōu)化設(shè)計

MSP430F149 單片機是一種屬于MSP430 系列的單片機，該單片機應(yīng)用最為顯著的優(yōu)勢特點是低功耗、處理能力強以及豐富片上外圍模塊。首先，MSP430F149 單片機應(yīng)用采用了3.3V的電源電壓，其待機電流要小于1uA，其運行作業(yè)時250uA/MIPS。 MSP430F149 單片機能夠同借助控制時鐘去打開或者關(guān)閉實現(xiàn)對總體功耗的科學有效控制；然后，MSP430F149 單片機還具有強大的處理能力。該系列單片本身就有著先進完善的體系結(jié)構(gòu)，無論是數(shù)據(jù)處理能力，還是運算能力都是較為突出。此外，該系列單片機還會有著只有在DSP 中出現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)，能夠幫助用戶完成對數(shù)字信號的高效處理；最后，MSP430F149 單片機有效集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)。比如，市場中常見的實時時鐘模塊、電源電壓控制器、運算放大器以及LCD 驅(qū)動器等片內(nèi)外設(shè)都被廣泛應(yīng)用在MSP430 系列單片機中，能夠賦予該系類單片機強大的功能，方便用戶簡單操作使用該系列單片機。MSP430F149 單片機是基于ZigBee 技術(shù)無線通信模塊硬件系統(tǒng)設(shè)計的核心所在，其外圍電路涵蓋了CC2420的接口電路、JTAG 接口電路等。設(shè)計人員需要運用到高速串行接口SPI 實現(xiàn)MSP430F149 單片機與CC2420 射頻芯片的通信，并保證能夠順利傳遞數(shù)據(jù)與發(fā)送各種指令。SPI 接口有著4 個引腳，它們分別是MOSI、SPICLK、MISO 以及SS。不同引腳起到了不同的功能作用，比如MOSI 引腳主要負責對主數(shù)據(jù)的輸出，從數(shù)據(jù)輸入引腳。如下圖2 所示，為MSP430F149 單片機與CC2420 射頻芯片的接口電路圖。

圖2 MSP430F149 單片機與CC2420 射頻芯片的接口電路圖

MSP430F149 單片機與CC2420 的四個引腳SFD、FIFO、CCA、FIFOP 相互連接，以此來表示收發(fā)數(shù)據(jù)的實際狀態(tài)。如下圖3 所示為MSP430F149 單片機電路設(shè)計圖。

圖3 MSP430F149 單片機電路設(shè)計圖

2.3 CC2420 無線通信模塊電路設(shè)計

CC2420 作為一種先進的射頻收發(fā)器件，其運行功耗較低、運行狀態(tài)穩(wěn)定。技術(shù)人員在設(shè)計CC2420 的外圍電路時，可以將其科學劃分為3 個不同部分，分別是時鐘電路、射頻收發(fā)匹配電路以及控制器接口電路。外圍電路中的控制器接口電路部分是比較容易就能夠設(shè)計完成的，只需要將SPI 接口與控制器有效連接在一起。設(shè)計人員需要將對應(yīng)的引腳相互連接在一起。其中42 引腳在與其他引腳進行相連時，需要有效為該連接電路提供1.8v 電壓，只有這樣才可以達到CC2420 射頻芯片內(nèi)部電路運行的電壓要求。38、39 引腳有效連接外部晶振[3]，45 引腳外接偏置電阻，這樣就能夠為模擬輸出引腳。

3 基于ZigBee 技術(shù)的無線通信模塊的軟件設(shè)計

3.1MSP430F149 單片機集成開發(fā)環(huán)境

在MSP430F149 單片機集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計過程中，技術(shù)人員需要運用到專業(yè)的IAR 軟件，在該軟件操作界面中合理選擇應(yīng)用調(diào)試工具。技術(shù)人員可以通過操作Debugger 有效下載相應(yīng)的源程序，倘若在整個操作過程中沒有遇到任何提示障礙，都是正常進行的那么就可以展開仿真操作，而倘若產(chǎn)生了錯誤提示，技術(shù)人員就需要重新回到IAR 軟件Embedded Workbench 界面進行調(diào)整，最終再展開編譯與下載操作。技術(shù)人員在軟件源程序下載界面上，可以依次展開斷點設(shè)置、連續(xù)以及查看變量等各項操作。倘若技術(shù)人員需要進行對源程序的優(yōu)化調(diào)整，那么就要重新回到源程序的下載步驟，直到全部完成仿真調(diào)式。

3.2 配置IEEE802.15.4 工作模式

ZigBee 技術(shù)是基于IEEE802.15.4 協(xié)議發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，該項協(xié)議提出必須使用DSSS 調(diào)制形式的工作模式。其中，IEEE802.15.4 標準2.4GHz 頻段物理層可以實現(xiàn)250kbps 的數(shù)據(jù)速率，且其中的二進制信息均需要為有效映射的數(shù)據(jù)符號。接著不同符號映射為32 位碼片的PN 序列。碼片象征著對應(yīng)的數(shù)據(jù)符號，需要運用到半正弦脈沖波形的O-QPSK 調(diào)制到載波上，碼片速率通常是符號速率的32 倍。CC2420 為IEEE802.15.4 標準規(guī)范中的數(shù)據(jù)幀格式有效提供了硬件支持，SHR 同步頭涵蓋了幀引導序列和幀開始定界符SFD，其中真引導序列的字節(jié)數(shù)是由4 個0X00 組成的，而幀開始定界符通常為一個字節(jié)，被設(shè)置成0XA7，能夠配置CC2420的幀引導序列的長度和幀開始定界符[4]。當技術(shù)人員需要對物理層中的幀引導序列進行參數(shù)設(shè)置時，就需要科學運用到RF寄存器中的MDMCTRL0.PREAMBLE＿LENGTH，而如果是對幀開始定界符進行參數(shù)設(shè)置，就要運用到寄存器中的SYNCWORD。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PPDU 主要可以被劃分了三個部分，它們分別是同步頭SHR、物理層幀頭PHR、有效載荷部分PSDU。

結(jié)束語

綜上所述，在ZigBee 技術(shù)支持下的無線通信模塊設(shè)計過程中，可以綜合采用到MSP430F149 單片機作為系統(tǒng)主控芯片，該單片機可以通過SPI 接口與CC2420 射頻芯片完成短距離無線通信，并控制射頻收發(fā)芯片工作。技術(shù)人員可以采用C 語言去編寫軟件程序，利用專業(yè)的IAR 軟件去創(chuàng)建單片機集成開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)對源程序的下載調(diào)式。