基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信设计1.doc

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：ROM32K；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