帶定位引擎的射頻芯片CC2431

CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，能夠滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。CC2431定位引擎基于RSSI技術(shù)，根據(jù)接收信號強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端。相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能減小了網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲，在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)3～5 m定位精度和0.25 m的分辨率。

1 CC2431的主要特點(diǎn)

　　CC2431片上系統(tǒng)（SoC）由CC2430加上Motorola公司基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線定位引擎組成，具有2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和高效的8051控制器。其中，MCU包括存儲器及其外圍，其他模塊提供電源管理、時鐘分配和測試等重要功能。

　　CC2431的設(shè)計結(jié)合了8 KB的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本。它們根據(jù)不同的閃存空間32 KB、64 KB和128 KB來優(yōu)化復(fù)雜度與成本。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48腳封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18 μm CMOS標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。針對協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件執(zhí)行時對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行時鐘為32 MHz。CC2431還包含一個DMA控制器，可以減少8051微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)的傳送操作，因此提高了芯片整體的性能。

　　在CC2431 8 KB靜態(tài)RAM中的4 KB是超低功耗SRAM。32 KB、64 KB或128 KB的片內(nèi)Flash塊提供在線可編程非易失性存儲器。CC2431集成了4個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作，以及用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)；具有4個定時器，此外，還集成了實(shí)時時鐘、上電復(fù)位、8通道8～14位ADC等其他外設(shè)，并帶有語音和定位跟蹤引擎。CC2431的主要特點(diǎn)如下：

　　◇ 定位引擎能精確計算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置；
　　◇ 具有高性能、低功耗的8051控制器核；
　　◇ 集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz RF無線收發(fā)機(jī)（具有工業(yè)領(lǐng)先的CC2420射頻內(nèi)核）；
　　◇ 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力；
　　◇ 128 KB可編程閃存，8 KB RAM，4 KB帶全部功耗模式數(shù)據(jù)保持功能；
　　◇ 強(qiáng)大的DMA功能；
　　◇ 極少的外部元器件；
　　◇ 低電流損耗（微控制器運(yùn)行于32 MHz時，接收和發(fā)射分別為27 mA和25 mA）；
　　◇ 休眠模式時僅0.9 μA電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；
　　◇ 待機(jī)模式下小于0.6 μA電流損耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；
　　◇ 低功耗模式與主動模式之間的快速切換；
　　◇ 硬件支持CSMA/CA功能；
　　◇ 較寬的電壓范圍（2.0~3.6 V）；
　　◇ 數(shù)字化的RSSI/LQI支持；
　　◇ 具有電池監(jiān)測和溫度傳感器；
　　◇ 多達(dá)8路輸入的8～14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換；
　　◇ 集成AES128安全協(xié)處理器；
　　◇ 帶有2個功能強(qiáng)大的支持多組協(xié)議的USART；
　　◇ 集成看門狗定時器；
　　◇ 具有1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；
　　◇ 21個普通I/O引腳，其中2個具有20 mA的驅(qū)動能力；
　　◇ 支持硬件調(diào)試，具有強(qiáng)大靈活的開發(fā)工具。

2  CC2431的定位引擎操作

　　CC2431和CC2430是引腳兼容的，除定位引擎之外，CC2430的MCU和RF部分與CC2431完全相同。為避免重復(fù)，本文重點(diǎn)介紹CC2431的定位引擎。

　　定位引擎用于估算無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的位置。通常參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)已知，其他需要估計坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)為“盲節(jié)點(diǎn)”。進(jìn)行定位估計時，定位引擎需要獲得3～8 個參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值以及其他測量參數(shù)，定位引擎計算后的輸出是一個節(jié)點(diǎn)的估計坐標(biāo)。在定位引擎運(yùn)行之前，必須使能定位引擎寄存器LOCENG的第4位 LOCENG.EN。當(dāng)要停止定位引擎運(yùn)行時，應(yīng)往LOCENG.EN寫入0關(guān)斷引擎的時鐘信號，從而降低CC2431的功耗。對定位引擎的操作主要就是對與定位引擎有關(guān)的寄存器的操作。下面詳細(xì)說明各部分的操作。

2.1  參考坐標(biāo)

　　定位引擎運(yùn)行時需要3～8個參考坐標(biāo)輸入。參考坐標(biāo)以m為單位表示各個參考節(jié)點(diǎn)的位置，其數(shù)值位于0～63.75，最高精度為0.25 m，以最低2位為小數(shù)部分，剩余6位為整數(shù)部分。參考坐標(biāo)存放于RF寄存器REFCOORD中。在寫入REFCOORD之前，寄存器LOCENG的第1位 LOCENG.REFLD必須寫入1，用于指示一組參考坐標(biāo)將要被寫入。一旦坐標(biāo)寫入過程開始（LOCENG.REFLD=1），8對坐標(biāo)必須一次性寫入。當(dāng)定位引擎使用少于8個參考坐標(biāo)時，要將未用的參考坐標(biāo)寫入0.0。

2.2  測量參數(shù)

　　定位引擎除了需要參考坐標(biāo)外，還需要一組測量參數(shù)。這組參數(shù)由2個射頻參數(shù)和8個RSSI值組成。射頻參數(shù)是數(shù)值A(chǔ)和n，用于描述網(wǎng)絡(luò)操作環(huán)境。在全向模式下，射頻參數(shù)A被定義為用dBm表示的距發(fā)射器1 m接收到的平均能量絕對值。若平均接收能量為-40 dBm，那么參數(shù)A被定為40。定位引擎期望參數(shù)A為30.0～50.0，精度為0.5。參數(shù)A用無符號定點(diǎn)數(shù)值給出，最低位為小數(shù)位，而其余各位為整數(shù)位，一個典型值為40.0。

　　射頻參數(shù)n被定義為路徑損失指數(shù)，它指出了信號能量隨著到收發(fā)器距離的增加而衰減的速率。衰減與d-n成比例，這里,d是發(fā)射器和接收器之間的距離。實(shí)際寫入定位引擎的參數(shù)n是一個可通過查表得到的整數(shù)索引值，如表1所列。

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例如，通過測量得到n=2.98，查表得到最接近的有效值為3.000，相應(yīng)的索引值是13。因此，整數(shù)13作為參數(shù)n寫入到定位引擎中。參數(shù) n以[0，31]之間的整數(shù)索引寫入定位引擎，索引用整數(shù)表示。如n=7，即寫入000000111。n的典型值是13。RSSI值是相應(yīng)于一組參考坐標(biāo)的RSSI測量值。

　　RSSI值為[-40 dBm，-95 dBm]，精度為0.5 dBm，寫入值中應(yīng)去掉負(fù)號。如RSSI的值為-50.35 dB，則寫入到定位引擎中為50.5。注意，未用的參考坐標(biāo)必須用0.0作為RSSI值寫入。如果僅有部分參數(shù)寫入，則定位引擎不能正確工作。

　　所有的測量參數(shù)應(yīng)寫入RF寄存器MEASPARM中，在寫入MEASPARM之前寄存器LOCENG的第2位LOCENG.PARLD必須寫入 1，表示一組測量參數(shù)將被寫入。一旦參數(shù)寫入開始（LOCENG.PARLD=1），所有10個參數(shù)必須一次性全部寫入。測量參數(shù)必須按[A,n, rssi0,rssi1,…，rssi7]順序?qū)懭隡EASPARM寄存器，任何未使用的位必須寫0。10個參數(shù)全部寫完之后，LOCENG.PARLD 必須寫入0。

2.3  定位估計

　　參數(shù)坐標(biāo)和測量參數(shù)寫入之后，通過將寄存器LOCENG第0位LOCENG.RUN寫入1，啟動定位估計計算。通常，LOCENG.RUN被置 1后的1 200個系統(tǒng)周期之后，LOCENG的第3位LOCENG.DONE被置1。此時，估計坐標(biāo)可從LOCX和LOCY寄存器讀出。定位引擎不產(chǎn)生任何中斷請求。在新的結(jié)果被計算出來或下一次重新啟動之前，估計坐標(biāo)值在LOCX和LOCY中保持有效。CC2431定位引擎操作流程如圖1所示。

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圖1  定位引擎操作流程

2.4  軟件編程

　　下面介紹定位引擎操作的源代碼。

void CalcultePostition(LOC_REF_NODE refNodes[LOC_ENGINE_NODE_CAPA],uint a_val,uint n_index,uint *locX,uint *locY) {
　　uint i;
　　//啟動定位引擎
　　LOC_DISABLE();
　　LOC_ENABLE();
　　//使能LOC_REFERENCE_LOAD，準(zhǔn)備寫入?yún)⒖甲鴺?biāo)
　　LOC_REFERENCE_LOAD(TRUE);
　　//寫入?yún)⒖甲鴺?biāo)
　　for(i=0;i<LOC_ENGINE_NODE_CAPACITY;i++) {
　　　　REFCOORD=refNodes[i].x;
　　　　RERCOORD=refNodes[i].y;
　　}
　　//參考坐標(biāo)寫入完成
　　LOC_REFERENCE_LOAD(FALSE);//使能LOC_PARAMETER_LOAD，準(zhǔn)備寫入測量參數(shù)
　　LOC_PARAMETER_LOAD(TRUE);
　　MEASPARM=a_val;
　　MEASPARM=n_index;
　　for(i=0;i<LOC_ENGINE_NODE_CAPACITY;i++) {
　　　　MEASPARM=refNodes[i].rssi;
　　}
　　//測量參數(shù)寫入完成
　　LOC_PARAMETER_LOAD(FALSE);
　　//啟動定位估計計算
　　LOC_RUN();
　　//等待完成后讀出坐標(biāo)值
　　while(！LOC_DONE());
　　*locX=LOCX;
　　*locY=LOCY;
　　//關(guān)閉定位引擎
　　LOC_DISABLE();
}

結(jié)語

　　本文主要介紹了帶定位引擎的射頻芯片CC2431，重點(diǎn)介紹了其定位引擎的使用方法。CC2431是一款真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee/IEEE 802.15.4，具有定位檢測引擎，可以實(shí)現(xiàn)3 m左右或更高的定位精度，有效降低了ZigBee節(jié)點(diǎn)成本；并且結(jié)合了市場領(lǐng)先的ZStack ZigBee協(xié)議軟件，提供了市場上最具競爭力的ZigBee解決方案。在未來幾年內(nèi)，其應(yīng)用必將擴(kuò)展到更多領(lǐng)域。