CC2530和FPGA的新型無線網絡節點設計

萬智萍

（中山大學新華學院，廣州510520）

萬智萍（講師），主要研究方向為嵌入式系統、無線傳感網、圖像處理。

引 言

在當今的技術領域，使用ZigBee協議進行組網正趨向于成熟。使用ZigBee技術，可以簡單地組建一個廣泛適用、穩定可靠的無線網絡，這種網絡由多個具有計算處理、無線通信、傳感技術以及控制能力的單節點構成［1］。ZigBee技術利用全球公用的公共頻率2.4GHz，應用于監視、控制網絡時具有低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等特點［2］。無線網絡根據應用環境和要求的不同有著不同的種類劃分，在醫療、保健、化學處理和災難救助等領域應用廣泛［3－4］。并且靜態節點和動態節點隨社會發展開始相互結合，使得整個網絡更加靈活［5－6］。本文設計了一種無線網絡節點，在靜態的無線網絡結構中能動態地作為一個節點參與組網，不再采用MCU控制以CC2530為主芯片的模塊的方式，而采用CC2530與FPGA相互傳輸控制；使用CC2530所具有的ZigBee協議進行互聯，實現一種新型的動態無線網絡節點的設計。

1 網絡協議與結構

1.1 ZigBee協議

ZigBee是以IEEE 802.15.4無線標準為基礎開發的無線傳感器網絡協議，是IEEE第一種用于傳感器與制動器等監測和控制應用的開放無線標準［7］。無線傳感器網絡由許多功能相同或不同的傳感器節點組成，而每個傳感器節點由數據采集、數據處理和控制、通信和電源4個模塊組成。節點在網絡中負責完成數據的采集、收發和轉發［8－9］。作為ZigBee協議網絡節點，需要有IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層，這兩層組成了控制和數據傳輸的架構，ZigBee層架構如圖1所示。

圖1 ZigBee層架構

ZigBee在底層具有OSI模型開始的兩層架構，物理層（PHY）定義了無線射頻特征，支持2種不同的信號：2450MHz和868／915MHz。本文使用的頻段在2.4 GHz ISM。IEEE 802.15.4標準允許在這個全球頻段內使用250kbps的數據速率，還可以提供16個不同的信道。而介質訪問控制層（MAC）負責相鄰設備間的單跳數據通信，它與網絡層連接，經過相互協調和數據傳送來工作，也建立設備間的單跳數據通信的協調、關聯和安全。網絡層（NWK）支持的網絡拓撲有星型、樹型和網格型。應用層則包括APS子層、ZDO和管理平臺以及應用對象架構。由ZigBee架構可知它們的相互關聯：安全服務提供層（SSP）保護了應用層、網絡層（NWK）和介質訪問控制層（MAC），由此建立起了安全機制；而安全服務提供層（SSP）則是通過ZD0和管理平臺進行初始化和配置的，要求實現高級加密標準。

1.2 無線網絡結構

ZigBee網絡由一個中心協調器（Coordinator）和多個路由器（Router）組成。路由器在網絡中為全功能節點（Full Function Device），和選配的終端節點（End Device）一起組成了ZigBee網狀網。ZigBee網狀網拓撲結構如圖2所示。

圖2 ZigBee網狀網拓撲結構

圖2的ZigBee網絡中，路由器既能收發數據，也能充當路由器，轉發數據。實際上，中心協調器本身和路由器沒有區別。而在一個網絡里，必須把某個路由器作為主節點，并設置整個網絡所共用的PAN ID，例如所有路由器的出廠PAN ID都設為PAN ID＝0x199B。在組網時，需要把其中一個路由器作為主節點，設置除0x199B的0x0001～0xFF00中的任意的PAN ID。在這個網絡里，有唯一的PAN ID，任意想要加入網絡的節點，需要設置為相同的PAN ID才可以加入。該網絡中的任意兩個節點都可以進行通信，即使其他節點都斷電了，當然也有可能中心協調器也斷電，這兩個節點間還是可以進行通信的。

2 節點的構成

2.1 FPGA具體配置

本文采用的FPGA主芯片是Altera公司的EP1C6Q240C8［10］，它有240個引腳、6 030個 LE以及26個M4K結構的片上RAM（共計239 616位），而且含有2個高性能PLL以及多達185個用戶自定義的I／O口。由于該器件是FPGA與CC2530的協調操作，所以FPGA需要根據CC2530的輸入／輸出進行配置，而CC2530是既作為MCU，又作為數據傳輸端的芯片。FPGA內部結構如圖3所示。

圖3 FPGA內部結構

EP1C6Q240C8根據CC2530發送來的控制信號，根據時鐘單元對CC2530接收到的數據進行協議的檢測。若檢測正確，便發送到數據控制邏輯單元，再根據地址譯碼存入數據存儲單元。在需要輸出時，也是通過CC2530的信號發送來控制輸出。在FPGA中，最重要的便是數據控制邏輯單元，其中包含了控制比較和數據傳輸的功能。

2.2 CC2530內部設置

MCU與無線傳輸接收模塊使用TI公司的CC2530，具體選用了CC2530F256［11］。它具有256KB閃存塊，VDD為2～3.6V，fc為2 394～2 507MHz。使用C語言對CC2530進行編程，主要是對RF收發器的配置，而對于該器件，需要在控制RF收發器的同時，對FPGA進行控制，部分程序如下：

以上程序主要是控制3種模式的切換：數據發送、數據接收和FPGA控制。除此之外，還需要設置3種模式的函數，特別是對FPGA的多種控制，需要進行函數的嵌套。波特率的設置也要根據需要而確定。另外若作為中心協調器，還需要配置PAN ID等等。

3 連接及狀態

3.1 模塊連接

使用CC2530最小系統板，其中使用RS232對其進行編程配置和數據的發送和接收。在CC2530上，RF＿N和RF＿P引腳作為無線的發送接收。在對芯片編程時，需要先用9針串口線把最小系統板的串口跟PC的串口相連，然后使用Keil軟件把程序燒錄到芯片中。在程序燒入后，拔掉PC上的插線，接到FPGA開發板的串口上。對于最小系統板，數據的發送和接收需要經過SP3223E串口的轉接，由于正常的9針串口都是使用2、3引腳進行傳輸，所以習慣地把CC2530的P0.2、P0.3口接到SP3223E上，然后把CC2530的 GPIO口上編號為P0.0、P0.1、P0.4的引腳連接到FPGA上編號為A0、A1、A4的3個引腳上，這樣便完成了模塊的互連。

3.2 運行狀態

由于CC2530作為兩個功能的使用對于狀態的控制需要特別安排，以免出現錯誤。配置EP1C6Q240C8和CC2530F256后得到狀態轉換方式，狀態轉換圖如圖4所示。

圖4 狀態轉換圖

CC2530在接通電源后便處于待機狀態，在由按鍵信號觸發后，便開始轉入FPGA控制狀態，實際程序中是開始運行FPGA控制函數，然后發送控制信號給FPGA。之后，CC2530便又返回待機狀態，等待無線信號的接收，等到接收后便發送給FPGA。此時FPGA經過收到需要接收的控制信號判斷后，對CC2530發送過來的信號進行存儲。經過存儲之后，繼續等待FPGA的控制信號。若CC2530收到了需要發送的控制信號，FPGA便進入了發送等待的狀態，直到CC2530開始進行接收或是再次進入等待狀態后，再讀取，然后發送給CC2530。

4 實驗結果

設置多節點后，使用串口工具連接CC2530，使用Sea－Solve軟件進行無線網絡的測試，得到實時測試圖Sea－Solve信號頻譜測試圖如圖5所示。

圖5 SeaSolve信號頻譜測試圖

信號在2.4GHz左右增益達到了36dBm，而其他頻率在80dBm左右，這樣可以看出，ZigBee信號能在2.4 GHz接收到敏感信號。SeaSolve頻譜峰值圖如圖6所示。

根據頻譜峰值圖，其在各頻率的峰值和原頻譜測試圖區別不大，信號在2.4GHz左右接近35dBm，由圖可以看出，在固定頻率上的信號的波動比較小，抗干擾性較好。

圖6 SeaSolve頻譜峰值圖

在組網之后，使用串口工具進行測試，得到測試圖如圖7所示。

圖7 串口工具測試圖

根據ZigBee協議，0FDH為數據傳輸指令，第2個16進制數為數據長度，第3～4個16進制數為目標地址。若是數據接收，則后面會加入原地址數據。由圖中可知，本機發送的地址為2001H，另一端為2000H。

結 語

本文設計了一種基于ZigBee協議的無線網絡節點，節點的設計對于整個無線傳感器網絡至關重要，其穩定性和可靠性關系著測試任務的成敗［12］。現在很多工業的設計都把CC2530單獨作為一個ZigBee模塊，這是由于TI公司在制作CC2530芯片時，已經預配置了ZigBee協議。在使用ZigBee模塊時，只用其封裝后的RS232接口，不需要了解內部便可使用，而實際上CC2530作為一種MCU，其內核是8051，它除了無線功能外也具有單片機所具備的功能。使用CC2530與FPGA的搭配，不僅使得CC2530更大限度地被利用，而且彌補了FPGA需要再外接MCU控制的缺陷，也不需要再使用另外的單片機來接以CC2530作為核心的ZigBee模塊。在這個設計中，在芯片相接時需要進行頻率的搭配，電平的轉換等。因此，如果選用合適的芯片進行搭配，會使其更加快速和方便。

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