【文章內(nèi)容簡介】 標(biāo)。第3章 無線通信模塊設(shè)計(jì) 第3章 無線通信模塊設(shè)計(jì) 無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 2000年12月IEEE(美國電氣與電子工程師學(xué)會(huì))，致力于定義一種適用于固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的復(fù)雜度低、成本低和功耗低的低速率無線連接技術(shù)—ZigBee技術(shù)。ZigBee是一種低速率、低功耗、短距離無線接入技術(shù)，是為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。與其他無線協(xié)議相比，ZigBee無線協(xié)議實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜性和減縮資源的要求，并且提供了一組標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。它提供了三個(gè)工作頻帶，以及一些網(wǎng)絡(luò)配置和可選的安全性能，是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee技術(shù)并不是完全獨(dú)有的全新標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層、(無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和發(fā)展。此外它的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(API)由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行了制定[14]。 ZigBee協(xié)議概述 隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Personal Area Network，PAN)和無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Network WPAN)的概念。WPAN網(wǎng)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備通過無線方式連接在一起，使他們可以相互通信甚至接入LAN或者Internet，2001年8月成立的ZigBee聯(lián)盟就是一個(gè)針對WPAN網(wǎng)絡(luò)而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低速率，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。他們開發(fā)的技術(shù)被稱為ZigBee技術(shù)，該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測、PC外設(shè)、醫(yī)療傳感設(shè)備，玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領(lǐng)域當(dāng)中。ZigBee聯(lián)盟已于2005年6月27日公布了第一份ZigBee規(guī)范“ZigBee ”。ZigBee聯(lián)盟的長期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮和低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。在WPAN中有三種網(wǎng)絡(luò)角色：PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和設(shè)備，這三種角色在ZigBee規(guī)范中分別對應(yīng)ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和設(shè)備。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以看作是一個(gè)PAN的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)PAN網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定PAN的ID號(hào)和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡(luò)之后獲得一定的短地址空間。在這個(gè)空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配短地址。當(dāng)然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。PAN協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器按周期發(fā)出信標(biāo)幀(Beacon Frame)，PAN協(xié)調(diào)器必須是全功能設(shè)備(FFD)。精簡功能(RFD)設(shè)備是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的子結(jié)點(diǎn)，它只能與它的父節(jié)點(diǎn)通信，也沒有加入其他任何節(jié)點(diǎn)的能力。節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以是全功能設(shè)備(FFD)或精簡功能設(shè)備(RFD)，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，許多本來存在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)逐漸走向成熟。總之，ZigBee技術(shù)是一種低速率無線傳輸技術(shù)，工作頻率為868 MHz、915 GHz， GHz是一個(gè)開放的頻率。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低并且采用了休眠模式，ZigBee技術(shù)可以確保用兩節(jié)五號(hào)電池支持節(jié)點(diǎn)工作長達(dá)6個(gè)月到2年左右的時(shí)間。當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的，該技術(shù)的突出特點(diǎn)是應(yīng)用簡單，電池壽命長，有組網(wǎng)能力，可靠性高以及成本低；由于采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。MAC層可以采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層需要提供保證MAC子層正確操作的函數(shù)，并為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供了兩種服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)和管理實(shí)體(NLME)的接口。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NWK Layer Data Entity，NLME)通過NLDESAP提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過NLMESAP提供管理服務(wù)。同時(shí)，NLME利用NLDE來完成一些管理任務(wù)，同時(shí)它負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫(NIB)。NWK層是位于MAC層之上與APL層交互的一個(gè)協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作鏈路層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了與應(yīng)用層交互，網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體(NLME)。ZigBee規(guī)范定義的NWK層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)(NLDE)和管理服務(wù)(NLME)。其中NLMESAP是NWK層提供給APL的數(shù)據(jù)打包成應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并將其傳輸給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的NWK層；或者將接收到的應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行解包，并將解包后得到的數(shù)據(jù)傳送給本節(jié)點(diǎn)的APL層。也就是說NLDESAP實(shí)現(xiàn)兩個(gè)APL層之間的數(shù)據(jù)傳輸。NLMESAP是NWK層給APL層提供的管理服務(wù)接口；NLDESAP是NWK層提供給APL層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。MCPSSAP 是由MAC層提供給NWK層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口；MLMESAP是MAC層提供給NWK層的管理服務(wù)接口。NLDE需要提供一種數(shù)據(jù)服務(wù)來滿足應(yīng)用程序在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)。這些設(shè)備必須屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)[16]。 簡介(LowRate Wireless Personal Area Network，LRWPAN)，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，是IEEE確定的低速個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Personal Area Network)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了“物理層”，(Physical Layer，PHY)和“介質(zhì)訪問層”(Medium Access Layer，MAC)。物理層規(guī)范確定無線網(wǎng)絡(luò)的工作頻段以及該頻段上傳輸數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)傳輸率。(ISM)頻段，定義了兩個(gè)物理層(PHY)，分別工作在3個(gè)工作頻帶： GHz、915 MHz和868 MHz。每個(gè)頻帶提供固定數(shù)量的信道。例如： GHz頻帶總共提供16個(gè)信道(信道1126)、915 MHz頻帶提供10個(gè)信道(信道110)，而868 MHz頻帶提供1個(gè)信道(信道0)。協(xié)議的比特率由所選擇的工作頻率決定。 GHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為250 kbps, 915 MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為40 kbps，而868MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為20 kbps。由于數(shù)據(jù)包開銷和處理延遲，實(shí)際的數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)小于規(guī)定的比特率。其中低頻段物理層覆蓋了868 MHz的歐洲頻段和915 MHz的美國與澳大利亞等國的頻段，高頻段則全球通用。，主要負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供可信賴的傳輸機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制和路由機(jī)制。另外，發(fā)現(xiàn)并保持設(shè)備間的路由并存儲(chǔ)潛在鄰居信息也是由網(wǎng)絡(luò)層(NWK)完成的。ZigBee協(xié)調(diào)器的NWK層還負(fù)責(zé)啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址。，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)(FullFunction Device，F(xiàn)FD)和精簡設(shè)備功能設(shè)備(ReducedFunction Device, RFD)。FFD之間以及FFD和RFD之間都可以相互通信，但RFD只能與FFD通信，而不能與其他RFD通信。RFD主要用于簡單的控制應(yīng)用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用非常廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端。FFD一般需要功能相對比較強(qiáng)大的MCU，一般在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用作于網(wǎng)絡(luò)控制和管理功能。無線通信信道的特性是動(dòng)態(tài)變化的，節(jié)點(diǎn)位置或天線方向的微小改變、物體移動(dòng)等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路強(qiáng)度和質(zhì)量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍是不確定的。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到無線信道的這個(gè)點(diǎn)。，在星型結(jié)構(gòu)中，所有的設(shè)備都與中心設(shè)備PAN協(xié)調(diào)器通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器一般使用電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用；與星型網(wǎng)絡(luò)不同，點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內(nèi)，任何兩個(gè)設(shè)備之間都能直接通信。 協(xié)議 (OSI)，每一層都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。物理層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成介質(zhì)訪問層子層，為高層訪問物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。物理層物理層定義了無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。物理層相對簡單，主要是在驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和管理。數(shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。管理服務(wù)包括信道能量監(jiān)測(ED)，鏈接質(zhì)量指示(LQI)和空閑信道評估(CCA)等。介質(zhì)訪問層MAC子層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中心的正確收發(fā)，后者從事MAC層的管理活動(dòng)，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫。MAC層就本質(zhì)而言，實(shí)上是建筑在物理傳輸層之上的為原始信息的交互而建立的語法和句法邏輯實(shí)體結(jié)構(gòu)。，提供數(shù)據(jù)鏈路層傳輸服務(wù)和管理服務(wù)。 芯片選擇 本文采用了以MSP430為核心控制模塊，以CC2420為無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)方法，MSP430與CC2420通過SPI方式相互通訊，MSP430采用主模式，CC2420采用從模式。采用MSP430為控制器的原因是其在低功耗省電方面表現(xiàn)出色，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定。，正常工作是需要的外圍功能電路少，與控制器接口簡潔，對CC2420操作與控制都十分方便。本文是以MSP430 單片機(jī)為核心及外圍電路母板和以CC2420 為核心的模塊設(shè)計(jì)。監(jiān)測中心站與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，實(shí)現(xiàn)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的多生理參數(shù)監(jiān)測。本系統(tǒng)中微處理器起著重要作用，一方面微處理器控制前端數(shù)據(jù)采集及處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，另一方面無線數(shù)據(jù)傳輸及中央控制單元都離不開微處理器的協(xié)同工作。 控制芯片MSP430MSP430是美國TI公司最近推出的16位超低功耗微控制器，它是美國德州儀器針對單相電能表設(shè)計(jì)研制的。MSP430的性能特點(diǎn)：(1)強(qiáng)大處理能力：MSP430為16 位RISC 結(jié)構(gòu)的CPU，其指令有豐富的尋址方式，但只需要簡潔的27 條基本指令。中斷源多并且可相互任意嵌套，使用方便。(2)超低功耗： V， V，在1 MHz時(shí)鐘工作時(shí)，工作電流只有250 uA；在不同的工作狀態(tài)下可選用不同的晶振，進(jìn)一步降低功耗。(3)豐富的片上外圍資源：12 路對外的10 位A/D，兩個(gè)16 位定時(shí)器兼有多個(gè)捕獲/比較寄存器，硬件乘法器，16 位可工作于定時(shí)或看門狗模式的WDT，兩個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問的串行通信口。片內(nèi)有1kbyteRAM，32kbyte Flash Memory。(4)方便高效的開發(fā)方式：有Flash Memory，利用單片機(jī)具有的JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM，可以在一臺(tái)PC 機(jī)及一個(gè)結(jié)構(gòu)小巧的JTAG 控制器的幫助下實(shí)現(xiàn)程序的下載調(diào)試。(5)可以利用匯編語言或C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可以兩種語言結(jié)合設(shè)計(jì)程序，大大的提高軟件開發(fā)的工作效率，能夠合理的優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，提高程序的可靠性、可讀性和可移植性。 CC2420射頻芯片CC2420 是CHIPCON 公司在2003 的無線收發(fā)芯片。芯片硬件支持CSMA/CA功能， ，數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps，碼片速率達(dá)2 Mchip/s，傳輸距離最大200米。芯片內(nèi)部集成可用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)測距功能的數(shù)字RSSI模塊、電源監(jiān)控和信道變換等功能模塊，包含硬件MAC和CRC自動(dòng)校驗(yàn)處理。它采用OQPSK調(diào)制方式，具有94 dB接收靈敏度，抗鄰道干擾能力強(qiáng)(39 dB)，內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及低電壓供電(~ V)。該芯片的輸出功率是可編程控制的，并且硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測、ITU16CRC校驗(yàn)、電源檢測和完全自動(dòng)MAC層保護(hù)(CTR，CRCMAC，CCM)等功能。CC2420與微控制器的4線SPI通信接口，配置方便。該芯片體積小功率低，非常合適于家庭及樓宇自動(dòng)化和工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線和16 GHz頻段上工作。芯片只提供一個(gè)SPI接口與微處理器連接，通過這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的工作。簡單的外圍電路和處理器接口，使得CC2420可以運(yùn)用在非常廉價(jià)的設(shè)備上。其主要的功能引腳如表31所示[19]。表31 CC2420的功能引腳引腳引腳功能或狀態(tài)信息CS片選腳，低電平選中并使能CC2420SOSPI從機(jī)CC2420的數(shù)據(jù)輸出引腳SICC2420命令和數(shù)據(jù)輸入引腳SCKSPI總線工作時(shí)鐘,由CPU提供RESET上電后，低電平引起CC2420復(fù)位VREG高電平使能內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器FIFORXFIFO中有數(shù)據(jù)時(shí)為高電平FIFOP接收完數(shù)據(jù)包或FIFO溢出時(shí)置位SFD數(shù)據(jù)包傳輸開始時(shí)為高電平，傳輸結(jié)束后變?yōu)榈碗娖紺CA為高電平表示當(dāng)前信道可用RF_P, RF_N正極性(負(fù)極性)射頻輸入輸出引腳,接天線XOSC16_Q1/Q216M晶振時(shí)鐘輸入腳CC2420 內(nèi)部集成了33個(gè)16 位配置寄存器，15個(gè)命令選通寄存器，128 字節(jié)的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，以及速度高達(dá)10Mbit的SPI 接口等。它是專門針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的射頻通信芯片，能夠很好的滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。 硬件電路設(shè)計(jì) CC2420芯片的控制需要由一些外部元件來輔助完成。外圍電路設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)重點(diǎn)部分，射頻接口電路、處理器接口電路和上層應(yīng)用接口電路。射頻接口就是CC2420芯片射頻引腳與天線之間的電路，負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)送和接收工作。圖31給出了CC2420外圍電路的一個(gè)實(shí)例。圖31 CC2420外圍電路CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令等。CC2420收到物理幀的SFD字段后，會(huì)在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動(dòng)了地址識(shí)別，并在地址識(shí)別失敗后，SFD引腳立即輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳是表示接