2.4GHz射頻芯片CC2420實現(xiàn)ZigBee無線通信設計

    關鍵詞：IEEE802.15.4；多點對多點通信；ZigBee；CC2420

１　引言

ＺｉｇＢｅｅ是一種基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４規(guī)范的無線技術。它具有在８０２．１５．４規(guī)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)絡拓撲?每個主設備可支持４萬多個節(jié)點?等諸多優(yōu)點?是家庭互聯(lián)、工廠自動化、醫(yī)療設備、傳感網(wǎng)絡和汽車應用等的理想解決方案。

ＣＣ２４２０是Ｃｈｉｐｃｏｎ ＡＳ公司推出的首款符合２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４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，以０．１８ｕｍ ＣＭＯＳ工藝制成?只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。ＣＣ２４２０的選擇性和敏感性指數(shù)超過了ＩＥＥＥ ８０２．１５．４標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達２５０ｋｂｐｓ?可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。

圖1

２　芯片主要性能特點

ＣＣ２４２０的主要性能參數(shù)如下：

●工作頻帶范圍：２．４００～２．４８３５ＧＨｚ；

●采用ＩＥＥＥ ８０２．１５．４規(guī)范要求的直接序列擴頻方式；

●數(shù)據(jù)速率達２５０ｋｂｐｓ?碼片速率達２ＭＣｈｉｐ／ｓ；

●采用Ｏ－ＱＰＳＫ調(diào)制方式；

●超低電流消耗（ＲＸ:１９．７ｍＡ,ＴＸ:１７．４ｍＡ）?高接收靈敏度（－９４ｄＢｍ）；

●抗鄰頻道干擾能力強(３９ｄＢ)；

●內(nèi)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；

●ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ ＭＡＣ層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、１６ｂｉｔ ＣＲＣ校驗、電源檢測、完全自動ＭＡＣ層安全保護(ＣＴＲ,ＣＢＣ－ＭＡＣ,ＣＣＭ)；

圖2

    ●與控制微處理器的接口配置容易(４總線ＳＰＩ接口)；

●開發(fā)工具齊全?提供有開發(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(nèi)部結構

ＣＣ２４２０芯片的內(nèi)部結構如圖１所示。天線接收的射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器和Ｉ／Ｑ下變頻處理后，中頻信號只有２ＭＨｚ,此混合Ｉ／Ｑ信號經(jīng)過濾波、放大、ＡＤ變換、自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴?最終恢復出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。

發(fā)射機部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入１２８字節(jié)的發(fā)送緩存器中,頭幀和起始幀是通過硬件自動產(chǎn)生的。根據(jù)ＩＥＥＥ ８０２．１５．４標準,所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每４個比特被３２碼片的擴頻序列擴頻后送到ＤＡ變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調(diào)制到２．４ＧＨｚ，并經(jīng)放大后送到天線發(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鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。

芯片本振信號既可由外部有源晶體提供， 也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。例如當采用１６ＭＨｚ晶振時?其電容值約為２２ｐＦ。

射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為５０Ω，同時為芯片內(nèi)部的ＰＡ及ＬＮＡ提供直流偏置。

ＣＣ２４２０可以通過４線ＳＰＩ總線(ＳＩ、ＳＯ、ＳＣＬＫ、ＣＳｎ)設置芯片的工作模式?并實現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)?讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制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總線接口上進行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是ＭＳＢ優(yōu)先的。ＣＣ２４２０片內(nèi)有３３個１６比特狀態(tài)設置寄存器,在每個寄存器的讀／寫周期中,ＳＩ總線上共有２４比特數(shù)據(jù),分別為:１比特ＲＡＭ／寄存器選擇位(０:寄存器，１:ＲＡＭ),１比特讀／寫控制位(０:寫，１:讀),６比特地址選擇位、１６比特數(shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中ＣＳｎ必須始終保持低電平。

另外,通過ＣＣＡ管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計?通過ＳＦＤ管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘／定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應管腳相連來實現(xiàn)系統(tǒng)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(guī)范中規(guī)定使用ＤＳＳＳ調(diào)制方式，ＣＣ２４２０中的調(diào)制和擴頻功能框圖如圖３所示。

ＣＣ２４２０先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進行變換,每個字節(jié)被分組為兩個符號,每個符號包括４個比特?ＬＳＢ優(yōu)先傳輸。每個被分組的符號用３２碼片的偽隨機序列表示,共有１６個不同的３２碼片偽隨機序列。經(jīng)過ＤＳＳＳ擴頻變換后,碼片速率達到２Ｍｃｈｉｐｓ／ｓ,此碼片序列再經(jīng)過Ｏ－ＱＰＳＫ調(diào)制,每個碼片被調(diào)制為半個周期的正弦波。碼片流通過Ｉ／Ｑ通道交替?zhèn)鬏?兩通道延時為半個碼片周期。

ＣＣ２４２０為ＩＥＥＥ ８０２．１５．４的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其ＭＡＣ層的幀格式為?頭幀＋數(shù)據(jù)幀＋校驗幀；ＰＨＹ層的幀格式為,同步幀＋ＰＨＹ頭幀＋ＭＡＣ幀,幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變?？梢圆捎茫保?位ＣＲＣ校驗來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入ＲＡＭ中的１２８字節(jié)的緩存區(qū)進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　開發(fā)工具及網(wǎng)絡組織

Ｃｈｉｐｃｏｎ為用戶提供了評估軟件－ＳｍａｒｔＲＦ Ｓｔｕ-ｄｉｏ,它可以幫助開發(fā)者進行產(chǎn)品射頻性能的評估和功能測試。同時，Ｃｈｉｐｃｏｎ還提供了開發(fā)套件，用戶可在此基礎上評估和設計真正的ＺｉｇＢｅｅ網(wǎng)絡。此開發(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)絡設置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等。在此基礎上建立的網(wǎng)格式網(wǎng)絡（網(wǎng)絡結構如圖５所示）自組織性強、抗毀性強，極大程度地拓展了網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)和無線通信范圍。

７　結束語

ＣＣ２４２０是首款符合ＺｉｇＢｅｅ技術的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件,其ＭＡＣ層和ＰＨＹ層協(xié)議符合８０２．１５．４規(guī)范,工作于免授權的２．４ＧＨｚ頻段。利用此芯片開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小,適于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點，為家庭自動控制、工業(yè)監(jiān)控、傳感網(wǎng)絡、消費電子、智能玩具等提供了理想的解決方案。