基于CC2420的ZigBee通信節點的設計與實現

孫錦中

(上海電力學院 電子信息工程系，上海 200090)

隨著社會的發展，人們對通信技術的要求日益提高，無線通信技術在其中扮演著越來越重要的角色。ZigBee作為一種國際標準短距離無線通信協議，其協議棧體系結構是基于標準七層開放式系統互聯參考模型(OSI)，IEEE 802.15.4-2003標準定義了下面的兩層：物理層(PHY)和媒體接入控制子層。網絡層、應用會聚層、應用層則由ZigBee聯盟制訂。

IEEE 802.15.4-2003有三個PHY層，包括單個分離的頻率范圍：868 MHz、915 MHz和 2.4 GHz。 低頻率PHY層包括868 MHz歐洲頻段和915 MHz美國及澳大利亞頻段，高頻段PHY層為全球通用。

ZigBee協議標準具有如下特點：成本低、功耗低、時延短、網絡容量大、可靠性高、安全和傳輸距離遠。Zig-Bee技術主要應用在短距離范圍內的低速率電子設備之間的數據傳輸，因此非常適用于家電和小型電子設備的無線控制指令傳輸，其典型的傳輸數據類型包括周期性數據、間歇性數據和重復低反應時間數據等。ZigBee聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、消費類電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等。

1 CC2420射頻芯片

CC2420是Chipcon公司(現被美國德州儀器公司收購)推出的，用來實現 ZigBee應用的單片 RF收發器，它具有高度集成、低成本、低電壓、低功耗等特點，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協議，內置數字直接序列擴頻調制解調模塊，其數據通信速率可達250 Kb/s。

CC2420射頻芯片的特征如下：第一款真正的2.4 GHz符合IEEE 802.15.4標準的射頻收發器，具備基帶調制解調和MAC層支持功能：自動生成幀引導序列，插入和檢測同步字，CRC-16計算和校驗，空閑信道評估，接收信號強度指示(RSSI)和鏈路質量指示(LQI)以及三種模式的MAC安全保護；直接序列擴頻(DSSS)基帶調制解調，碼片速率達2 MChip/s，有效數據速率達250 Kb/s；同時適用于 RFD和 FFD；超低電流消耗(RX：18.8 mA，TX：17.4 mA)；片上穩壓器提供2.1～3.6 V的低電壓，外部穩壓器提供1.6～2.0 V的低電壓；可編程輸出功率；無需外接濾波器，只需要接入晶振和很少的無源元器件；同相信號和正交相位信號低中頻接收器和直接升頻轉換發送；128 B發送數據緩存，128 B接收數據緩存；CTR加密/解密，CBC-MAC驗證，CCM加密/解密+驗證，單獨的AES加密；電源監控；QLP-48封裝，芯片大小為7 mm×7 mm。

CC2420射頻收發器和少量無源元件(電阻、電容、電感和PCB天線)構成CC2420射頻模塊，形成標準接插件，減少了與微控制器(MCU)的接口，方便研發設計和批量生產。

TI公司和Microchip公司都免費為用戶提供CC2420射頻模塊的設計原理圖和PCB版圖。此外，TI公司提供CC2420射頻模塊 CC2420EM，Microchip公司提供 CC2420射頻模塊2.4 GHz RF CARD。本文采用Microchip公司的2.4 GHz RF CARD作為射頻收發器。

2.4 GHz RF CARD與MCU的接口如圖1所示。

圖1 2.4 GHz RF CARD與微控制器接口

2 CC2420與LPC213X的硬件接口

LPC213X是NXP公司推出的支持實時仿真的ARM7TDMS-S 32位MCU。基于ARM7和CC2420的嵌入式ZigBee節點的總體硬件結構如圖2所示。

射頻部分選用CC2420作為IEEE 802.15.4RF芯片。MCU部分選用ARM7TDMI-SLPC213X。在設計ZigBee節點時預留了JTAG調試端口，利用JTAG接口來調試和下載程序；通過RS-232串口提供調試過程中的信息并與PC機交互ZigBee組網過程中的信息；通過SPI接口與CC2420射頻模塊相連，收發無線分組數據，且引出測試點以便用示波器觀察各點的波形；并且預留了一些 GPIO供靈活使用，例如，與開關、蜂鳴器、LED和八段數碼管等的連接。

由于功能復雜，程序代碼量較大，ZigBee組網中的協調器和路由器選用LPC2138(32 KB RAM/512 KB Flash)處理器。終端設備為 RFD，因其功能單一，程序代碼量較小，因此可以選用LPC2131(8 KB RAM/32 KB Flash)或者 LPC2132(16 KB RAM/64 KB Flash)處理器，以節約成本。CC2420與MCU的接口如圖3所示。

圖3 CC2420與微控制器接口

CC2420的引腳 SI、SO、SCLK和 CSn分別與 MCU的MOSI、MISO、SCLK和 GIO2引腳相連，如果微控制器有硬件SPI接口則可以更方便地操作CC2420；引腳FIFO、FIFOP與MCU的GIO0引腳以及Interrupt引腳相連；CCA與MCU的GIO1引腳相連；幀開始定界符SFD與MCV的Timer Capture引腳相連。

在如圖3所示的ZigBee嵌入式系統中，MCU通過以下方式來對CC2420進行控制和操作：MCU通過四線SPI總線(SI、SO、SCLK 和 CSn)來與 CC2420進行雙 向 通信，向其發送控制指令，并通過SPI總線回讀CC2420的狀態信息；MCU利用中斷的方式來讀寫CC2420的先進先出寄存器(FIFO)，獲取無線通信數據；通過讀取CC2420的CCA引腳狀態信息來進行空閑信道評估；MCU通過與CC2420的SFD引腳相連，向CC2420發送時序信息，表示一幀數據的開始(特別是對于信標網絡)。

3 軟件接口設計

CC2420 RF芯片在硬件上支持部分IEEE 802.15.4數據幀格式，如圖4所示。

同步頭包括前導序列和幀定界符(SFD)。在CC2420中，前導序列長度和幀定界符SFD是可以配置的，復位值是4 B和1 B，符合IEEE 802.15.4標準。物理頭為1 B，其中幀長度域共7 bit，規定了PSDU的字節數。PSDU是一個可變長度域，承載著物理層的分組數據，包含MAC子層幀。

軟件接口設計主要包括以下部分：

(1)LPC213X及板極設置。

對LPC213X的初始化包括：IRQ中斷、串口、計時器以及SPI的初始化。

IRQ中斷初始化包括設置：中斷通道號、中斷服務程序入口地址和中斷使能。串口中初始化包括設置：引腳功能、字長、奇偶校驗、波特率、串口中斷通道號、中斷服務程序入口地址和中斷使能。計時器初始化包括設置：計時器的預分頻，即32 bit TC每經過 PR+1個pclk周期加 1；設置計數器 TC為 0，同時對 IR寫入 0xFF清除計時器的中斷寄存器；設置串口中斷通道號、中斷服務程序入口地址和中斷使能，并啟動計時器。SPI初始化包括設置引腳功能和SPI時鐘計數寄存器。寄存器的值表示構成一個SPI時鐘的pclk周期的數據。該寄存器的值必須為偶數，且其值還必須≥8。如果寄存器的值不符合上述條件，可能導致產生不可預測的動作。SPI速率的計算：pclk速率/SPCCR值。pclk速率為CCLK/VPB的除數，由VPBDIV寄存器的內容決定。此外，還設置SPI控制寄存器 SPCR(CPHA、CPOL、MSTR、LSBF 和 SPIE)。

板級初始化包括：對一些I/O口的功能選擇設置、按鍵和LED發光二極管以及LED八段數碼管的配置。設置按鍵的狀態位，置位或者清零I/O口來設置按鍵的初始狀態；設置LED發光二極管的狀態位，置位或者清零I/O口來設置LED發光二極管的初始狀態；設置LED八段數碼管的狀態位，對ZLG7289進行操作及設置LED八段數碼管的初始狀態。

(2)CC2420內部寄存器的設置

CC2420內部有33個配置和狀態寄存器、15個命令寄存器以及2個8 bit FIFO寄存器RXFIFO和TXFIFO。設置CC2420模塊為自動ACK狀態，設置MDMCTRL0為0x0AF2；設置CORR_THR的值為 20，即設置 MDMCTRL1的值為 0x0500；設置 FIFOP_THR的值為 127，當 RXFIFO中的字節數超過 FIFOP_THR時，FIFOP變為高電平(這是一個門限值)；設置 FREQ為 357，即設置 FSCTRL為0x4165，選擇2405MHz，第11信道。基準頻率FC計算如下：

FC=2 048+FREQ[9：0]MHz

設置PA_LEVEL的值為31，即TXCTRL的值為0xA0FF，表示輸出功率為0 dBm。PA_LEVEL和輸出功率以及典型的電流消耗如表1所示。

表1 2.4 GHz RF輸出功率設置

設置完LPC213X、并對CC2420寄存器進行配置后，可以自己編寫程序實現節點之間的收發，也可以移植協議棧到該目標系統，實現基于ZigBee的組網技術。

本文采用NXP公司的LPC213X MCU和Chipcon公司的CC2420射頻芯片，完成了符合ZigBee標準的嵌入式節點的硬件以及相應的接口軟件的設計。該ZigBee嵌入式節點成本低、功耗小，可以用電池供電，具有功能強大、擴展靈活、結構簡單、輸出功率可編程、安全可靠等特點，對于實現無線傳感器網絡具有重要意義，特別適合于工業監控、消費類電子和無線傳感器網絡等領域。

[1]ZigBee Alliance.ZigBee specification V1.0.USA， June 27，2006.

[2]Texas Instruments.2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee-ready RF transceiver V1.3.USA， October 3， 2005.

[3]金純，羅租秋，羅鳳，等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2008.