SPI/UART與ZigBee協議轉換模塊設計

董澤龍　毋茂盛

摘 要：TI公司生產設計的CC2530采用8051單片機內核，該芯片不僅集成有UART和SPI接口，還具有采用ZigBee協議進行數據無線發送和接收功能。為了方便非計算機專業學生進行基于CC2530的開發，文中設計了SPI/UART到ZigBee協議的轉換模塊，該設計可廣泛應用于智能家居、遠程分布式控制等領域，并省去了連線，降低了成本，提高了開發效率。

關鍵詞：ZigBee；SPI；UART；CC2530

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

ZigBee是一種短距離無線通信協議，具有方便、成本低等特點，特別適合于智能家居、工業控制等特定的場合，省去連線的麻煩。UART與SPI接口是目前眾多單片機的標準接口。TI公司生產設計的CC2530采用8051單片機內核，不僅集成有UART、和SPI接口，而且還具有采用ZigBee協議進行數據無線發送和接收的功能，廣泛應用于物聯網技術領域。由于基于CC2530的開發要求具有TCP/IP協議等背景知識，對于非計算機專業的學生是件比較困難的事。因此，本文利用CC2530設計了一個SPI/UART到ZigBee協議轉換模塊，該模塊通過UART或SPI接口與其它單片機系統相連，實現數據的無線傳輸，可廣泛應用于智能家居，分布式控制等領域，大大提高了系統的開發效率。

1 模塊的功能與工作原理

SPI/UART到ZigBee協議轉換模塊可通過ZigBee協議無線接收或發送數據，通過SPI或UART和其它的單片機系統相接口，作為一個模塊應用到各種相關的單片機應用系統中；該模塊也可作為ZigBee網絡的協調器使用。模塊工作時的連接如圖1所示。

2 硬件設計

硬件設計按功能大約可分為4個部分。

2.1 CC2530及外圍相關電路

德州儀器公司推出的SoC芯片CC2530，兼容ZigBee協議，它采用8051內核，并在此基礎上增加了許多功能，如支持基于IEEE 802.15.4協議的無線射頻等。CC2530及其外圍相關電路如圖2所示。

（1）數字電源和模擬電源通過電容接地；

（2）通過配置寄存器，將UART引腳RXD、TXD分別映射到引腳P0.2、P0.3；將SPI的引腳MISO、MOSI、SCK、SSN映射到P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，并通過2個IDC10連接器和其它單片機系統相連。

2.2 電平轉換電路

CC2530芯片工作電壓為3.3 V，而許多單片機應用系統采用的是5 V的電壓，為了解決與5 V單片機系統的接口問題，設計了電平轉換電路。具體為采用了4路2輸入與門芯片74HCT08D，其14腳接5 V電源。由于CC2530為CMOS芯片，輸入可以承受5 V的電壓，所以，由5 V單片機到轉換模塊的信號不用電平轉換電平；而轉換模塊到5 V單片機的信號要進行轉換，即將3.3 V輸出的引腳連接到74HCT08的一對輸入引腳，將對應的輸出引腳連接到其他單片機相關引腳即可。

2.3 電源轉換電路。

本模塊不帶電源，但需要3.3 V電源。為此，專門設計了5 V到3.3 V電源轉換的電路，電路中采用LD1117將輸入到模塊的5 V電源轉換成3.3 V電源為CC2530供電。另外還設計了對 CC2530的編程與調試的接口電路。該模塊的實物圖如圖3所示。

3 軟件設計

為了方便用戶進行基于CC2530芯片的開發，德州儀器公司（Texas Instruments）專門為用戶開發了Z-Stack協議棧，它為用戶提供了應用層的API，因此，用戶可以不需詳細了解內部實現原理，就進行基于CC2530的應用開發。但是由于Z-Stack協議棧是半開源的，對于底層內部實現原理用戶無法了解和修改，給移植和深入研究造成了一定的困難。

3.1 寄存器配置

在模塊工作時，相關引腳必須連接正確。在UART模式下，CTS、RTS引腳不用連接，TXD和RXD與對應通信單片機的RXD和TXD連接。在SPI模式下，4根引腳對應連接即可。配置寄存器復用相應的引腳如表1所列。

3.2 UART模式操作

UART模式下采用檢測寄存器的發送完成標志位來判斷數據是否發送完成；采用中斷方式響應數據接收中斷，在中斷函數內對數據進行處理。

3.3 SPI模式的操作

（1）主模式

4 結 語

本文設計的模塊經過實際的應用，工作穩定，實現了數據的無線傳輸功能，可以作為獨立擴展模塊和其他單片機進行通信，不需從頭設計無線通信的部分，降低開發難度，大大提高了開發的效率。可用于智能家居、分布式控制等領域，省去連線的麻煩，節約開支。

參考文獻

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