2.4GHz射頻芯片CC2420實現ZigBee無線通信設計

關鍵詞：IEEE802.15.4；多點對多點通信；ZigBee；CC2420

１　引言

ＺｉｇＢｅｅ是一種基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４規范的無線技術。它具有在８０２．１５．４規范上創建的安全和應用層接口、工作于免授權頻段、以年計算的超低電池壽命、低至３美金的超低成本、極大可伸縮的網格和星型網絡拓撲?每個主設備可支持４萬多個節點?等諸多優點?是家庭互聯、工廠自動化、醫療設備、傳感網絡和汽車應用等的理想解決方案。

ＣＣ２４２０是Ｃｈｉｐｃｏｎ ＡＳ公司推出的首款符合２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４標準的射頻收發器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ＺｉｇＢｅｅ產品的ＲＦ器件。它基于Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的ＳｍａｒｔＲＦ ０３技術，以０．１８ｕｍ ＣＭＯＳ工藝制成?只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。ＣＣ２４２０的選擇性和敏感性指數超過了ＩＥＥＥ ８０２．１５．４標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達２５０ｋｂｐｓ?可以實現多點對多點的快速組網。

圖1

２　芯片主要性能特點

ＣＣ２４２０的主要性能參數如下：

●工作頻帶范圍：２．４００～２．４８３５ＧＨｚ；

●采用ＩＥＥＥ ８０２．１５．４規范要求的直接序列擴頻方式；

●數據速率達２５０ｋｂｐｓ?碼片速率達２ＭＣｈｉｐ／ｓ；

●采用Ｏ－ＱＰＳＫ調制方式；

●超低電流消耗（ＲＸ:１９．７ｍＡ,ＴＸ:１７．４ｍＡ）?高接收靈敏度（－９４ｄＢｍ）；

●抗鄰頻道干擾能力強(３９ｄＢ)；

●內部集成有ＶＣＯ、ＬＮＡ、ＰＡ以及電源整流器?采用低電壓供電(２．１～３．６Ｖ)；

●輸出功率編程可控；

●ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ ＭＡＣ層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、１６ｂｉｔ ＣＲＣ校驗、電源檢測、完全自動ＭＡＣ層安全保護(ＣＴＲ,ＣＢＣ－ＭＡＣ,ＣＣＭ)；

圖2

●與控制微處理器的接口配置容易(４總線ＳＰＩ接口)；

●開發工具齊全?提供有開發套件和演示套件；

●采用ＱＬＰ－４８封裝，外形尺寸只有７７ｍｍ。

３ 芯片內部結構

ＣＣ２４２０芯片的內部結構如圖１所示。天線接收的射頻信號經過低噪聲放大器和Ｉ／Ｑ下變頻處理后，中頻信號只有２ＭＨｚ,此混合Ｉ／Ｑ信號經過濾波、放大、ＡＤ變換、自動增益控制、數字解調和解擴?最終恢復出傳輸的正確數據。

發射機部分基于直接上變頻。要發送的數據先被送入１２８字節的發送緩存器中,頭幀和起始幀是通過硬件自動產生的。根據ＩＥＥＥ ８０２．１５．４標準,所要發送的數據流的每４個比特被３２碼片的擴頻序列擴頻后送到ＤＡ變換器。然后，經過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調制到２．４ＧＨｚ，并經放大后送到天線發射出去。

４ 典型應用電路

ＣＣ２４２０只需要極少的外圍元器件，其典型應用電路如圖２所示。它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。

芯片本振信號既可由外部有源晶體提供， 也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。例如當采用１６ＭＨｚ晶振時?其電容值約為２２ｐＦ。

射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為５０Ω，同時為芯片內部的ＰＡ及ＬＮＡ提供直流偏置。

ＣＣ２４２０可以通過４線ＳＰＩ總線(ＳＩ、ＳＯ、ＳＣＬＫ、ＣＳｎ)設置芯片的工作模式?并實現讀／寫緩存數據?讀／寫狀態寄存器等。通過控制ＦＩＦＯ和ＦＩＦＯＰ管腳接口的狀態可設置發射／接收緩存器。注意：在ＳＰＩ總線接口上進行的地址和數據傳輸大多是ＭＳＢ優先的。ＣＣ２４２０片內有３３個１６比特狀態設置寄存器,在每個寄存器的讀／寫周期中,ＳＩ總線上共有２４比特數據,分別為:１比特ＲＡＭ／寄存器選擇位(０:寄存器，１:ＲＡＭ),１比特讀／寫控制位(０:寫，１:讀),６比特地址選擇位、１６比特數據位。在數據傳輸過程中ＣＳｎ必須始終保持低電平。

另外,通過ＣＣＡ管腳狀態的設置可以控制清除通道估計?通過ＳＦＤ管腳狀態的設置可以控制時鐘／定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應管腳相連來實現系統射頻功能的控制與管理。

５　配置IEEE 802.15.4工作模式

ＩＥＥＥ８０２．１５．４規范中規定使用ＤＳＳＳ調制方式，ＣＣ２４２０中的調制和擴頻功能框圖如圖３所示。

ＣＣ２４２０先將要傳輸的數據流進行變換,每個字節被分組為兩個符號,每個符號包括４個比特?ＬＳＢ優先傳輸。每個被分組的符號用３２碼片的偽隨機序列表示,共有１６個不同的３２碼片偽隨機序列。經過ＤＳＳＳ擴頻變換后,碼片速率達到２Ｍｃｈｉｐｓ／ｓ,此碼片序列再經過Ｏ－ＱＰＳＫ調制,每個碼片被調制為半個周期的正弦波。碼片流通過Ｉ／Ｑ通道交替傳輸,兩通道延時為半個碼片周期。

ＣＣ２４２０為ＩＥＥＥ ８０２．１５．４的數據幀格式提供硬件支持。其ＭＡＣ層的幀格式為?頭幀＋數據幀＋校驗幀；ＰＨＹ層的幀格式為,同步幀＋ＰＨＹ頭幀＋ＭＡＣ幀,幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變。可以采用１６ 位ＣＲＣ校驗來提高數據傳輸的可靠性。發送或接收的數據幀被送入ＲＡＭ中的１２８字節的緩存區進行相應的幀打包和拆包操作?其ＲＦ的狀態控制圖如圖４所示。

６　開發工具及網絡組織

Ｃｈｉｐｃｏｎ為用戶提供了評估軟件－ＳｍａｒｔＲＦ Ｓｔｕ-ｄｉｏ,它可以幫助開發者進行產品射頻性能的評估和功能測試。同時，Ｃｈｉｐｃｏｎ還提供了開發套件，用戶可在此基礎上評估和設計真正的ＺｉｇＢｅｅ網絡。此開發套件包括ＣＣ２４２０外圍硬件模塊和Ｚ－ＳｔａｃｋＴＭ Ｚｉｇ-Ｂｅｅ協議棧，其中包括各種高性能的ＺｉｇＢｅｅ軟件工具，如網絡設置器、協議追蹤調試工具等。在此基礎上建立的網格式網絡（網絡結構如圖５所示）自組織性強、抗毀性強，極大程度地拓展了網絡中的節點數和無線通信范圍。

７　結束語

ＣＣ２４２０是首款符合ＺｉｇＢｅｅ技術的高集成度工業用射頻收發器件,其ＭＡＣ層和ＰＨＹ層協議符合８０２．１５．４規范,工作于免授權的２．４ＧＨｚ頻段。利用此芯片開發的短距離射頻傳輸系統成本低、功耗小,適于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點，為家庭自動控制、工業監控、傳感網絡、消費電子、智能玩具等提供了理想的解決方案。