【正文】 表 31 CC2430 模塊的參考設(shè)計 設(shè)備號 說明 CC2430BALUN_REFDES CC2430 Anaren 不平衡變壓器參考設(shè)計 CC2430DB_REFDES CC2430DB參考設(shè)計 CC2430EM_REFDES CC2430EM 參考設(shè)計 CC2430EM_DISCRETE_REFDES CC2430EM 離散參考設(shè)計 CC2430 模塊的電路圖 圖 34 CC2430 模塊的電路原理圖 硬件方面的設(shè)計 硬件方案主要的設(shè)計要求是低成本，為此充分利用 CC2430的 12位 A/D轉(zhuǎn)換器和可編程 PWM通道，實(shí)現(xiàn)語音信號的 A/D和 D/A轉(zhuǎn)換，從而無需外部的語音 Codec（編解碼器）器件，降低了成本，系統(tǒng)更加精簡。如果需要外部設(shè)備，可對 I/O口引腳產(chǎn)生中斷，同時外部的中斷事件也能被用來喚醒休眠模式。它結(jié)合一個高性能 DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè) 級小巧高效的 8051控制器。 CC2430 也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 24 第三 章 CC2430模塊的硬件設(shè)計 Zigbee芯片的描述 目前市場上有代表性的 Zigbee 芯片有以下幾種： 飛思卡爾： MC1319 MC13192 和 MC13193 平臺 其中 MC13191 對應(yīng)低成本應(yīng)用，通過飛思卡爾提供的軟件，用戶可以組建簡單的星狀網(wǎng)絡(luò)； MC13192 可以滿足用戶組織自己非標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的需求，飛思卡爾提供符合 的 MAC 軟件，用戶基于此在上面建立自己的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；而 MC13193是 ZigBee 產(chǎn)品，提供 MAC 軟件，再加上 ZigBee MAC 軟件 Zstack，用戶可以基于此建立起 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。 f、序列號域：設(shè)備 NWK 層所定義的幀序列號，類似于 MAC 層的幀序列號，和目標(biāo)端設(shè)備地址及源端設(shè)備地址一起，用于識別該幀。如此，一個信道測量完畢，隨后切換到下一信道進(jìn)行新一輪的 ED 測試。 CSMACA以包括載波物理層（ PHY） MAC 層 同步頭（ SHR） 物理頭 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ MPDU） 前同步碼： 4b SFD： 1b 幀長： 1b 物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU） 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU） 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 13 檢測機(jī)制 和隨機(jī)退避規(guī)則，即等待一段隨機(jī)時間，隨后通過檢測物理信道能量來判斷當(dāng)前信道是否空閑，若當(dāng)前信道空閑，則占用信道并立即發(fā)送幀，否則，再次重復(fù)上述過程。 LLC子層的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)包的分段和重組，以及確保數(shù)據(jù)包安順序傳輸。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連，由路由器中的路由表實(shí)現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由。然后，這個連續(xù)的偽噪聲CHIP 序列被調(diào)制到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控調(diào)制方式。這些信道的中心頻段按如下定義 [6]（ k為信道數(shù)）： FC= MHz （ k=0） FC=906 MHz+2（ k1） MHz （ k=1， 2由于 ZigBee技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等許多優(yōu)點(diǎn)，很多研究機(jī)構(gòu)將其作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊標(biāo)準(zhǔn)。飛思卡爾推出全球首個符合 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的平臺，制造商現(xiàn)在能夠?qū)?ZigBee技術(shù)用于傳感和監(jiān)控應(yīng)用。 安全 : ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗 (CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能 ,支持鑒權(quán)和認(rèn)證 , 采用了 AES128的加密算法 ,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。有效覆蓋范圍在 10～ 75m之間，但是可以擴(kuò)展到數(shù)百米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 本課題設(shè)計了基于 CC2430 芯片的 Zigbee 硬件模塊，經(jīng)過了解，在空曠環(huán)境下 的視距傳輸距離大約 30 米；在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于 的語音通信系統(tǒng)方案，開發(fā)了硬件試驗平臺，用以研究短距離的無線語音通信技術(shù)。在休眠狀態(tài)下耗電量僅僅只有 1μ W，通信距離短的情況下工作狀態(tài)的耗電為 30mW，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通 5號干電池可使用 6個月以上。低成本對于 ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。 在舊金山，科學(xué)家將 200多個 Mica2節(jié)點(diǎn)部署在金門大橋組成 WSN，用以監(jiān)測大橋從一端到另一端的擺動幅度，從而及時發(fā)現(xiàn)大橋隱患。 ZigBee技術(shù)在 ZigBee聯(lián)盟和 ，結(jié)合其他無線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。 Zigbee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（ APL）框架的設(shè)計。 三種節(jié)點(diǎn)類型 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器 ZC（ ZigBee Coordinator）、路由器 ZR（ ZigBee Router）和終端設(shè)備 ZE（ ZigBee EndDevice），其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備（ FFD），而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備（ RFD）。 載波信道和頻率的描述 Zigbee的 PHY層： 表 21 標(biāo)準(zhǔn)定義的 PHY 層 [7] 信道編號 中心頻率 /MHZ 信道間隔/MZ 頻率上限 /MZ 頻率下限/MZ 傳輸速率Kb/S 調(diào)制方式 k=0 有且僅有1 個信道 20 BPSK k=1?? 10 903+2(k1) 2 40 BPSK k=11?? 26 2401+5(k11) 5 250 PSK 注： 868MHz 是歐洲附加的 ISM頻段， 915MHz 是美國附加的 ISM頻段，而 為全球通用的 ISM頻段。數(shù)據(jù)幀的幀數(shù)據(jù)單元對應(yīng)于 NWK層幀 NPDU（ NWK Protocal data unit），信標(biāo)幀、 ACK幀、命令幀均由 MAC層處理或構(gòu)造。 圖 23 無應(yīng)答的成功數(shù)據(jù)傳輸 [1] 當(dāng) Ack request子域為 1時，發(fā)送端將幀發(fā)送出去后，開啟定時器，等待接收來自接收端的應(yīng)答幀（ ACK幀）。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）位于媒體訪問控制層（ MAC）和應(yīng)用層（ APL）之間，主 要功能如 下： a、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ NPDU）處理； b、信息路由； c、組網(wǎng)管理； NPDU 數(shù)據(jù)單元處理 NWK 幀分為數(shù)據(jù)幀和命令幀。 分布式地址分配機(jī)制，主要基于 nwkMaxDepth、 nwkMaxehildren及nwkMaxRouters 三個參數(shù)，如下表所示： 表 210 地址分配算法參數(shù)表 [5] 參數(shù)名稱 簡稱 描述 nwkMaxDepth Lm 網(wǎng)絡(luò)的最大深度 nwkMaxehildren Cm 表示一個父節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)，包括路由或終端子節(jié)點(diǎn) nwkMaxRouters Rm 父節(jié)點(diǎn)允許的路由子節(jié)點(diǎn)的最大個數(shù) 由這三個參數(shù)，結(jié)合式 ，得出每層的潛在父節(jié)點(diǎn)（ ZR）地址偏移值 Cskip 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 18 （ d）， d 表示深度， Cskip(d)表示 d+l層的潛在父節(jié)點(diǎn)間的地址偏移量，也就是潛在父節(jié)點(diǎn)所能擁有的地址塊尺寸大小。 CC2430 的設(shè)計結(jié)合了 8KB 的 RAM 及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有 3 種不同的版本，根據(jù)不同的閃存空間 32KB、 64KB和 128KB 來劃分，以得到復(fù)雜度與成本的最優(yōu)化組合。此外，像網(wǎng)絡(luò)配置、應(yīng)用 Profile 建立和系統(tǒng)調(diào)試這樣的工具是使 CC2430 和ZStack 結(jié)合的額外要素。 圖 32 CC2430 引腳頂視圖 [8] 注： CC2430芯片采用 7 mm 7mm QLP封裝，共有 48個引腳。用 1個 32 MHz的石英諧振器（ XTAL1）和 2個電容（ C191和 C211）構(gòu)成一個 32 MHz的晶振電路。 硬件電路的設(shè)計 ①語音的采集電路，首先要選擇語音采集芯片 — APR9600，下圖為芯片 APR9600管腳排列： 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 32 圖 36 芯片 APR9600 管腳排列 注： 表 32 管腳功能說明 管腳 功能 管腳 功能 M1 第一段控制或連續(xù)錄放控制（低電平有效） 1 SP 外接喇叭負(fù)端 M2 第一段控制或連續(xù)快進(jìn)控制（低電平有效） 1 VCCA 模擬電源正端 M3 第三段控制（低電平有效） 1 MICIN 話筒輸入端 M4 第四段控制（低電平有效） 1 MICREF 話筒輸入基準(zhǔn)確 M5 第五段控制（低電平有效） 1 AGC 自動增益控制端 M6 第六段控制（低電平有效） ANAIN 線路輸入端 OSCR 震蕩電阻 2 ANAOUT 線路輸入端（話筒 放大器輸出端） M7 第七段控制及片溢出指示（低電平有效） 2 STROBE 工作期間閃爍指示燈輸出端（低電平有效） M8 第八段控制（低電平有效）及操作模式選項 2 CE 復(fù)位、停止或啟動鍵、停止鍵（高電平有效） BUSY 忙信號輸出（工作時為 0，平時為 1） 2 MSEL1 模式設(shè)置端 1 BE 鍵聲選擇（按 1 為有鍵聲， 0 則無） 。內(nèi)部 T/R交換電路完成 LNA和 PA之間的交換。 支持硬件調(diào)試功能 外設(shè) CSMA/CA 硬件支持 數(shù)字化 RSSI / LQI 支持 電池電壓檢測和溫度感測 8 路 12 位 ADC 分辨率可配置 集成 AES 安全協(xié)處理器 2 個增強(qiáng)的 USARTS 可支持幾組串行協(xié)議 21 I/O ，其中 2 個具備 20ma 吸入電流 /供電電流能力 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 28 開發(fā)工具 強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具 應(yīng)用領(lǐng)域 GHz IEEE 系統(tǒng) /Zigbee 系統(tǒng) 家具智能化 工業(yè)控制和監(jiān)視 低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò) PC 外設(shè) /機(jī)頂盒及遙控，消費(fèi)電子 CC2430芯片的引腳功能 如下 CC2430芯片的頂視圖。 CC2430 還具有強(qiáng)大的完整的開發(fā)環(huán)境（ IDE）。它包含一個高性能 DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的 8051 控制器。網(wǎng)絡(luò)地址是在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時，由其父節(jié)點(diǎn)分配給它。 orphan信道掃描過程，節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送 orphan notification命令幀，只有原父節(jié)點(diǎn)聽到該幀后才會反饋 coordinator realignment 命令幀，這一過程只允許在aResponsewaitTime 時間內(nèi)完成。發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀時，可以通過置位幀控制域的 Ack request子域，實(shí)現(xiàn) MAC層的幀應(yīng)答重傳。MAC層幀頭的接收端設(shè)備和發(fā)送端設(shè)備屬于單跳關(guān)系。鏈路質(zhì)量要對信號進(jìn)行解碼，生成的是信噪比指示，提供接收數(shù)據(jù)幀是的無線信號強(qiáng)度和治療信息。 兩種功能類型設(shè)備 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備 FFD（ Full function device）和精簡功能設(shè)備 RFD（ Reduced function device）兩種功能類型的設(shè)備。 Zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖 ，它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的 7層開放系統(tǒng)互聯(lián)（ OSI）模型，但僅對那些涉及 Zigbee的層予以定義。這一預(yù)言正在從 ZigBee聯(lián)盟及其成員近期的一系列活動和進(jìn)展中得到驗證。設(shè)想應(yīng)用于大樓與家庭的無線傳感器以及安全管理方面。據(jù)估算 ,ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié) 5號電池就可以維持長達(dá) 6個月到 2年左右的使用時間 ,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。數(shù)據(jù)傳輸速率低。系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時語音無線傳輸，發(fā)射功率小于 0 dBm，語音延時小于 25ms，傳輸距離達(dá)到 15 米，音質(zhì) MOS測試分達(dá)到 3 分以上。使用的頻段分別為 、 868MHz（歐洲） 及 915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段，具有 16個擴(kuò)頻通信信道。因而它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、醫(yī)護(hù)（如監(jiān)視和傳感）、家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警）、消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置、 PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。 ZigBee在中國的應(yīng)用也愈加廣泛。無線語音通信則屬于即時數(shù)據(jù)傳輸，雖然實(shí)現(xiàn)無線語音通信不是 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)最初的目標(biāo)，但在許多領(lǐng)域中如果沒有語音通信功能，將使其應(yīng)用受到很大的局限；另一方面，在有緊急需求和布置不易環(huán)境下（如礦井井下救援、消防搶救）， ZigBee具有其他通信技術(shù)難以替代的優(yōu)勢，如能利用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向語音傳輸則具有非常大的實(shí)用價值；同時，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，聲音也是一種傳感量，傳輸采樣的聲音數(shù)據(jù)正是聲音傳感應(yīng)用的基本要求。管理服務(wù)通過 MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)訪問高層， MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 9