基于CC2420的ZigBee通信节点的设计与实现

摘 要： 介绍了利用CC2420和LPC213X搭建的符合ZigBee标准的嵌入式节点，并设计了相应的接口软件。
关键词： ZigBee；IEEE802.15.4；CC2420

随着社会的发展，人们对通信技术的要求日益提高，无线通信技术在其中扮演着越来越重要的角色。ZigBee作为一种国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)，IEEE 802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层(PHY)和媒体接入控制子层。网络层、应用会聚层、应用层则由ZigBee联盟制订。
IEEE 802.15.4-2003有三个PHY层，包括单个分离的频率范围：868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。低频率PHY层包括868 MHz欧洲频段和915 MHz美国及澳大利亚频段，高频段PHY层为全球通用。
ZigBee协议标准具有如下特点：成本低、功耗低、时延短、网络容量大、可靠性高、安全和传输距离远。ZigBee技术主要应用在短距离范围内的低速率电子设备之间的数据传输，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输，其典型的传输数据类型包括周期性数据、间歇性数据和重复低反应时间数据等。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费类电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
1 CC2420射频芯片
CC2420是Chipcon公司(现被美国德州仪器公司收购)推出的，用来实现ZigBee应用的单片RF收发器，它具有高度集成、低成本、低电压、低功耗等特点，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议，内置数字直接序列扩频调制解调模块，其数据通信速率可达250 Kb/s。
CC2420射频芯片的特征如下：第一款真正的2.4 GHz符合IEEE 802.15.4标准的射频收发器，具备基带调制解调和MAC层支持功能：自动生成帧引导序列，插入和检测同步字，CRC-16计算和校验，空闲信道评估，接收信号强度指示(RSSI)和链路质量指示(LQI)以及三种模式的MAC安全保护；直接序列扩频(DSSS)基带调制解调，码片速率达2 MChip/s，有效数据速率达250 Kb/s；同时适用于RFD和FFD；超低电流消耗(RX：18.8 mA，TX：17.4 mA)；片上稳压器提供2.1~3.6 V的低电压，外部稳压器提供1.6~2.0 V的低电压；可编程输出功率；无需外接滤波器，只需要接入晶振和很少的无源元器件；同相信号和正交相位信号低中频接收器和直接升频转换发送；128 B发送数据缓存，128 B接收数据缓存；CTR加密/解密，CBC-MAC验证，CCM加密/解密+验证，单独的AES加密；电源监控；QLP-48封装，芯片大小为7 mm×7 mm。
CC2420射频收发器和少量无源元件(电阻、电容、电感和PCB天线)构成CC2420射频模块，形成标准接插件，减少了与微控制器(MCU)的接口，方便研发设计和批量生产。
TI公司和Microchip公司都免费为用户提供CC2420射频模块的设计原理图和PCB版图。此外，TI公司提供CC2420射频模块CC2420EM，Microchip公司提供CC2420射频模块2.4 GHz RF CARD。本文采用Microchip公司的2.4 GHz RF CARD作为射频收发器。
2.4 GHz RF CARD与MCU的接口如图1所示。

2 CC2420与LPC213X的硬件接口
LPC213X是NXP公司推出的支持实时仿真的ARM7TDMS-S 32位MCU。基于ARM7和CC2420的嵌入式ZigBee节点的总体硬件结构如图2所示。

射频部分选用CC2420作为IEEE 802.15.4RF芯片。MCU部分选用ARM7TDMI-S LPC213X。在设计ZigBee节点时预留了JTAG调试端口，利用JTAG接口来调试和下载程序；通过RS-232串口提供调试过程中的信息并与PC机交互ZigBee组网过程中的信息；通过SPI接口与CC2420射频模块相连，收发无线分组数据，且引出测试点以便用示波器观察各点的波形；并且预留了一些GPIO供灵活使用，例如，与开关、蜂鸣器、LED和八段数码管等的连接。
由于功能复杂，程序代码量较大，ZigBee组网中的协调器和路由器选用LPC2138(32 KB RAM/512 KB Flash)处理器。终端设备为RFD，因其功能单一，程序代码量较小，因此可以选用LPC2131(8 KB RAM/32 KB Flash)或者LPC2132(16 KB RAM/64 KB Flash)处理器，以节约成本。CC2420与MCU的接口如图3所示。

CC2420的引脚SI、SO、SCLK和CSn分别与MCU的MOSI、MISO、SCLK和GIO2引脚相连，如果微控制器有硬件SPI接口则可以更方便地操作CC2420；引脚FIFO、FIFOP与MCU的GIO0引脚以及Interrupt引脚相连；CCA与MCU的GIO1引脚相连；帧开始定界符SFD与MCV的Timer Capture引脚相连。
在如图3所示的ZigBee嵌入式系统中，MCU通过以下方式来对CC2420进行控制和操作：MCU通过四线SPI总线(SI、SO、SCLK和CSn)来与CC2420进行双向通信，向其发送控制指令，并通过SPI总线回读CC2420的状态信息；MCU利用中断的方式来读写CC2420的先进先出寄存器(FIFO)，获取无线通信数据；通过读取CC2420的CCA引脚状态信息来进行空闲信道评估；MCU通过与CC2420的SFD引脚相连，向CC2420发送时序信息，表示一帧数据的开始(特别是对于信标网络)。
3 软件接口设计
CC2420 RF芯片在硬件上支持部分IEEE 802.15.4数据帧格式，如图4所示。

同步头包括前导序列和帧定界符(SFD)。在CC2420中，前导序列长度和帧定界符SFD是可以配置的，复位值是4 B和1 B，符合IEEE 802.15.4标准。物理头为1 B，其中帧长度域共7 bit，规定了PSDU的字节数。PSDU是一个可变长度域，承载着物理层的分组数据，包含MAC子层帧。
软件接口设计主要包括以下部分：
(1)LPC213X及板极设置。
对LPC213X的初始化包括：IRQ中断、串口、计时器以及SPI的初始化。
IRQ中断初始化包括设置：中断通道号、中断服务程序入口地址和中断使能。串口中初始化包括设置：引脚功能、字长、奇偶校验、波特率、串口中断通道号、中断服务程序入口地址和中断使能。计时器初始化包括设置：计时器的预分频，即32 bit TC每经过PR+1个pclk周期加1；设置计数器TC为0，同时对IR写入0xFF清除计时器的中断寄存器；设置串口中断通道号、中断服务程序入口地址和中断使能，并启动计时器。SPI初始化包括设置引脚功能和SPI时钟计数寄存器。寄存器的值表示构成一个SPI时钟的pclk周期的数据。该寄存器的值必须为偶数，且其值还必须≥8。如果寄存器的值不符合上述条件，可能导致产生不可预测的动作。SPI速率的计算：pclk速率/SPCCR值。pclk速率为CCLK/VPB的除数，由VPBDIV寄存器的内容决定。此外，还设置SPI控制寄存器SPCR(CPHA、CPOL、MSTR、LSBF和SPIE)。
板级初始化包括：对一些I/O口的功能选择设置、按键和LED发光二极管以及LED八段数码管的配置。设置按键的状态位，置位或者清零I/O口来设置按键的初始状态；设置LED发光二极管的状态位，置位或者清零I/O口来设置LED发光二极管的初始状态；设置LED八段数码管的状态位，对ZLG7289进行操作及设置LED八段数码管的初始状态。
(2)CC2420内部寄存器的设置
CC2420内部有33个配置和状态寄存器、15个命令寄存器以及2个8 bit FIFO寄存器RXFIFO和TXFIFO。设置CC2420模块为自动ACK状态，设置MDMCTRL0为0x0AF2；设置CORR_THR的值为20，即设置MDMCTRL1的值为0x0500；设置FIFOP_THR的值为127，当RXFIFO中的字节数超过FIFOP_THR时，FIFOP变为高电平(这是一个门限值)；设置FREQ为357，即设置FSCTRL为0x4165，选择2 405 MHz，第11信道。基准频率FC计算如下：
F_C=2 048+FREQ[9:0]MHz
设置PA_LEVEL的值为31，即TXCTRL的值为0xA0FF，表示输出功率为0 dBm。PA_LEVEL和输出功率以及典型的电流消耗如表1所示。

设置完LPC213X、并对CC2420寄存器进行配置后，可以自己编写程序实现节点之间的收发，也可以移植协议栈到该目标系统，实现基于ZigBee的组网技术。
本文采用NXP公司的LPC213X MCU和Chipcon公司的CC2420射频芯片，完成了符合ZigBee标准的嵌入式节点的硬件以及相应的接口软件的设计。该ZigBee嵌入式节点成本低、功耗小，可以用电池供电，具有功能强大、扩展灵活、结构简单、输出功率可编程、安全可靠等特点，对于实现无线传感器网络具有重要意义，特别适合于工业监控、消费类电子和无线传感器网络等领域。
参考文献
[1] ZigBee Alliance. ZigBee specification V1.0. USA， June 27， 2006.
[2] Texas Instruments. 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee-ready RF transceiver V1.3. USA， October 3， 2005.
[3] 金纯，罗租秋，罗凤，等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社，2008.