【正文】 數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換則起到多樣性數(shù)據(jù)采集與整個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊相連的橋梁作用。發(fā)送數(shù)據(jù)則是在以上各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)包尋找終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能。發(fā)送模塊與接收終端之間的地址配對，是軟件初始化已經(jīng)做好的工作。 兩個或多個無線模塊建立簡單的無線連接和數(shù)據(jù)交換是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)型、點(diǎn)對多點(diǎn)型和完全分布型最基本的條件，支持實(shí)現(xiàn)無線區(qū)域覆蓋、協(xié)同互動等高級功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰無線發(fā)射點(diǎn)互動的最關(guān)鍵的功能。在實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件下，基于CC2530的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)際上就是一個多接口采集、多功能數(shù)據(jù)收發(fā)的數(shù)據(jù)傳送點(diǎn)，是整個無線區(qū)域覆蓋的一個基本服務(wù)終端。 CC2530芯片介紹CC2530是ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸其中的一個核心芯片，它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片工作實(shí)具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。在業(yè)界內(nèi)，CC2530結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧，提供了一個強(qiáng)大和完整的ZigBee 解決方案。圖2 CC2530芯片 CC2530芯片引腳CC2530芯片共包含了40個引腳，引腳的排布如圖3所示。那么CC2530芯片引腳功能描述表見附錄1。（1）RF/布局功能： IEEE 的RF 收發(fā)器；極高的接收靈敏度和抗干擾性能； dBm；只需極少的外接元件；只需一個晶振，即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要；6mm 6mm 的QFN40 封裝；適合系統(tǒng)配置符合世界范圍的無線電頻率法規(guī)。（3）微控制器功能：優(yōu)良的性能和具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051（CPU）微控制器內(nèi)核；32KB、64KB或128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存；8KBRAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；支持硬件調(diào)試。 CC2530芯片模塊說明CC2530芯片模塊大致可以分為三類：CPU和內(nèi)存相關(guān)的模塊；外設(shè)、時鐘和電源管理相關(guān)的模塊以及無線電相關(guān)的模塊。（2）調(diào)試接口：執(zhí)行一個專有的兩線串行接口，用于內(nèi)電路調(diào)試。（4）五通道DMA控制器：系統(tǒng)可以使用一個多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存儲空間訪問存儲器，因此能夠訪問所有物理存儲器。（6）內(nèi)置MAC定時器：是專門為支持IEEE ，MAC或軟件中其他時槽的協(xié)議設(shè)計。（8）睡眠定時器：是一個超低功耗的定時器，計算32kHz晶振或32 kHz RC振蕩器的周期。 其他除了上面所含的高級功能，CC2530內(nèi)部還安置了RF無線收發(fā)器等，還有CC2530芯片的運(yùn)行壞境溫度和供電電壓。RF內(nèi)核控制模擬無線模塊。無線設(shè)備還包括一個數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊。表1 CC2530運(yùn)行環(huán)境最小值最大值單位運(yùn)行環(huán)境溫度40125℃運(yùn)行供電電壓2V 電源電路設(shè)計在模塊設(shè)計中，另外，部分器件需要5V電源、12V電源和24V電源，為簡化模塊電源電路的設(shè)計，要求整個模塊的輸入電壓為24V直流穩(wěn)壓電源。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓。LM317內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。24V轉(zhuǎn)5V和12V電源電路，如圖4所示。24V轉(zhuǎn)8V、12V可以利用LM317芯片和外圍電路順利轉(zhuǎn)換而來。AS1117是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出1A電流時。AS1117本身功能已經(jīng)很齊全，所以，外圍應(yīng)用電路非常簡單，固定電壓版本只需輸入輸出兩個電容和負(fù)載即可工作。圖5 5V電源轉(zhuǎn)換電路電路中存在的交流分量會影響到電路的穩(wěn)定性，而經(jīng)過電容濾波電路后，即可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流分量的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。對于脈動直流電中的直流成分，旁路電容C相當(dāng)于開路，直流量不能通過電容，而加在負(fù)載上，從而達(dá)到了濾除脈動直流電中交流成分的目的。圖6 濾波電路 晶體振蕩器電路設(shè)計該電路用于向CC2530芯片和其他電路(RTC電路)提供工作時鐘。對于RTC電路，選擇32．768KHz無源晶振。系統(tǒng)晶體振蕩器電路如圖7所示。因此，在進(jìn)行電路設(shè)計時，選擇RTC芯片出了需要考慮其時間和日期跟蹤功能外，通常還需要針對具體應(yīng)用來對RTC的功能、成本、尺寸等要求進(jìn)行綜合考慮。 圖8 實(shí)時時鐘晶體振蕩電路系統(tǒng)晶振電路和實(shí)時時鐘震蕩電路是置在CC2530芯片外圍，所以需要對應(yīng)的引腳連接。實(shí)時時鐘晶體振蕩電路也屬于對稱電路，兩個引腳不過與區(qū)分，所以，芯片對應(yīng)的引腳為引腳32（P241XOCS32K_Q1）、引腳33（P231XOCS32K_Q2）。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號為可靠起見電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號以防電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。圖9 復(fù)位電路RESET_LN腳在CC2530芯片上的引腳號為 20，復(fù)位時活動到低電平。隨著時間的飛逝（電容充電），穩(wěn)定后+。這樣，引腳RESET_LN持續(xù)一段低電平后，最終穩(wěn)定在高電平，低電平持續(xù)時間由RC時間常數(shù)決定。 仿真跳線模塊設(shè)計JTAG是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。通過JTAG接口可對芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。JTAG各引腳核心功能定義如表2。TDO測試數(shù)據(jù)輸出管腳JTAG指令和測試編程數(shù)據(jù)的串行輸出管腳，數(shù)據(jù)在TCK信號的下降沿時讀出，如果數(shù)據(jù)沒有輸出，則處于三態(tài)。TMS信號必須在TCK上升沿之前建立，在用戶狀態(tài)下TMS信號應(yīng)是高電平。TRST測試復(fù)位輸入管腳用于異步初始化或復(fù)位JTAG邊界掃描電路，低電平有效。此外，JTAG協(xié)議允許多個器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對各個器件分別測試。JTAG在線編程的特征也改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)流程，將以前先對芯片進(jìn)行預(yù)編程再裝到板上的工藝簡化為：先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進(jìn)度。此處選擇20針接口的標(biāo)準(zhǔn)。圖10 JTAG接口電路JTAG經(jīng)過外圍電路后，還需要七個引腳接入CC2530芯片中，除了RESET_LN復(fù)位有明確的引腳外，其余六個需要用編程指定相應(yīng)的引腳。表3 JTAG對應(yīng)接口表JTAG（管腳）3（TRST）5（TDI）7（TMS）9（TCK）11（PTCK）13（TDO）CC253012（P0_7）13（P0_6）14（P0_5）15（P0_4）18（P0_1）19（P0_0）RS232是個人計算機(jī)上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有幾種。所以，以RS232C為主來討論。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在0—20000b/s范圍內(nèi)的通信。由于通行設(shè)備廠商都生產(chǎn)與RS232C制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前己在微機(jī)通信接口中廣泛采用。MAX232作為RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片，完成TTL電平和RS232電平的轉(zhuǎn)換。典型的RS232信號在正負(fù)電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在5～15V電平。、左右的電容，有極性無極性均可，但是使用有極性的電容一定注意正負(fù)方向。MAX232的不足之處：接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cTTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接；傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率最大為19200bps；接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱；傳輸距離受限。圖11 MAX232串口的連接圖MAX232 是用來做電平轉(zhuǎn)換的，標(biāo)準(zhǔn)RS232電平很高，達(dá)正負(fù)12V。相互連接的話，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，由于電腦串口輸出電壓高達(dá)12V，直接與單片機(jī)連接會燒壞芯片。MAX232芯片采用單+5V電源供電，僅需幾個外接電容即可完成從TTL到RS232電平的轉(zhuǎn)換，共兩路。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。圖11是模塊與PC間通信最有力的電路，是模塊進(jìn)行調(diào)試仿真唯一的接口。而MAX232引腳中的11（T1IN）、12（R1OUT）與對應(yīng)的CC2530芯片中的17（P0_2 TXDD）、16（P0_3 RXDD）通信。在設(shè)計外接模塊時，首先要根據(jù)應(yīng)用需求選擇參數(shù)、性能合適的傳感器，并設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動電路及信號處理電路(如放大、濾波、轉(zhuǎn)換等)。由于大部分傳感器是電流輸出型，針對這個特點(diǎn)，設(shè)計了電流電壓轉(zhuǎn)換電路。圖12 I/V轉(zhuǎn)換電路在設(shè)計過程中要考慮信號的輸入、輸出特性，接觸時對被測物體的影響，防滴滑、防爆、抗干擾、接地處理等。采用模擬信號輸出的傳感器一般采用模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)進(jìn)行信號采集；采用的數(shù)字輸出方式的傳感器主要包括脈寬調(diào)制信號輸出、壓頻轉(zhuǎn)換信號輸出以及串行數(shù)字信號輸出等。圖13 A/D轉(zhuǎn)換電路ALE設(shè)置為高電平，對地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后選通對應(yīng)通道，被選中通道的模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，ST為啟動轉(zhuǎn)換信號。ST啟動過程中，ALE信號與其保持一致。OE輸出允許信號。CLK 0809工作時鐘。 LED指示燈模塊設(shè)計在數(shù)據(jù)傳輸指令中，正確的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的工作正常是否是通過讀LED指示燈的通斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，為了防止模塊假狀態(tài)，使用光電器件將CC2530的輸入、輸出隔離開。圖14 LED指示燈模塊電路圖LED模塊可以直觀的反映模塊工作狀態(tài)，是無線數(shù)據(jù)傳輸模塊不可缺少的一部分。 RF天線電路設(shè)計天線作為無線通信不可缺少的一部分，其基本功能是輻射和接收無線電波。圖15為RF射頻天線安裝的電路圖。在為基于CC2530無線數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇天線時，應(yīng)注意到性能的好壞。具體說有兩個方面，第一選擇天線類型；第二選擇天線的電氣性能。增益是天線的主要指標(biāo)之一，它是方向系數(shù)與效率的乘積，是天線輻射或接收電波大小的表現(xiàn)。天線輸入阻抗和饋線的特性阻抗不一致時，產(chǎn)生的反射波和入射波在饋線上疊加形成的磁波，其相鄰電壓的最大值和最小值之比是電壓駐波比，它是檢驗(yàn)饋線傳輸效率的依據(jù)，電壓駐波比過大，將縮短通信距離，而且反射功率將返回發(fā)射機(jī)功放部分，容易燒壞功放管，影響通信系統(tǒng)正常工作?；贑C2530無線數(shù)據(jù)傳輸模塊電路包含了CC2530主芯片、電源轉(zhuǎn)變模塊電路、濾波模塊電路、外接模塊電路、天線模塊電路、仿真跳線模塊電路、晶振模塊電路、LED模塊電路、復(fù)位電路、PC串口模塊電路以及PP2接口。圖16 硬件總體設(shè)計電路圖4 Zigbee技術(shù)概況和網(wǎng)路配置IEEE 。旨在為個人或者家庭種不同設(shè)備之間的低速率無線互聯(lián)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。很多研究機(jī)構(gòu)把它作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee直接使用了這兩層，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）架構(gòu)。 物理層（PHY）物理層定義了物理無線信道和與MAC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)。（1）無線信道的分配IEEE ：868MHz（歐洲）、915北美）和2400 MHz（全球范圍）。915 MHz、868 MHZ分別為40 kbit/s和20 kbit/s。不同的頻段所對應(yīng)的寬度不同，868 MHz頻段定義了1個信道（0號信道）；915 MHz定義了10個信道（1～10號信道）2400 MHz定義了16個信道（11～26信道）。一個簡單的PHY模型圖如圖17所示。物理層主要完成：激活/休眠無線收發(fā)設(shè)備，對當(dāng)前頻道進(jìn)行能量檢測，鏈接質(zhì)量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（CSMA—CA）進(jìn)行空閑頻道評估，頻道選擇，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。（3）IEEE ，每個數(shù)據(jù)符號又被映射成32位偽隨機(jī)噪聲數(shù)據(jù)碼片。每片的形狀如同半個正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道傳送。（4）PPDU格式PPDU 報文數(shù)據(jù)是用于數(shù)據(jù)流同步的同步頭、含有幀長度信息的物理層報頭以及承載有MAC幀數(shù)據(jù)的凈荷組成。表4 PPDU格式字 節(jié)11可變前同步碼（preamble）幀定界符（SFD）幀長度(7 bit)保留(1 bit)物理層數(shù)據(jù)(PSDU)同步頭(SHR)物理層報頭(PHR)物理層凈荷(PHY payload)同步報頭由前同步碼和幀定界符組成，用于獲取符號同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步。當(dāng)數(shù)據(jù)包的長度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)時，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）就會攜帶著MAC層的幀信息（即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元） 媒體訪問控制層（MAC）規(guī)范MAC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)。和物理層類