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短距離無線通信標準，如802．11家族、藍牙、IrDA、超寬帶無線通信、ZigBee等無線網絡技術的基礎是IEEE 802．15．4無線通信協議，它是新興的無線通信協議，是IEEE確定的低速個人區域網絡(Personal Area Net-work)標準。本文主要采用TI公司的系統級芯片(SOC) CC2430來研發符合ZigBee協議和IEEE802．15．4標準的2．4G ISM頻段的移動自組網無線路由數傳模塊的設計方法。 1 ZigBee無線通信標準的特點 ZigBee無線通信標準相對于其他的無線通信標準具有比較明顯的特點和優勢，如極低成本、易實現、可靠的數據傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等等。現總結說明如下： ◇功耗低：ZigBee的傳輸速率低(10 KB／秒～250 KB／秒)，且發射功率僅為lmW，同時由于采用了低功耗模式，故其ZigBee設備非常省電； ◇成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，之后便很快降到了1．5～2．5美元，ZigBee的協議簡單而且占用空間小，也降低了開發成本； ◇時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活時延為15 ms，活動設備信道接入時延為15 ms。因此，ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合)等應用； ◇可靠性：由于采用碰撞避免策略，同時又為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，因而避開了發送數據的競爭和沖突。MlAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸出現問題，還可重發，因此，ZigBee技術十分可靠； ◇安全性：ZigBee提供有基于循環冗余碼校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，又采用了128位高等加密算法(AES：Advanced Enciyption Standard)，因此，各個應用可靈活確定其安全屬性。 以上特點中，最關鍵的是網絡的可靠性和低功耗。因為在工業、農業、車載電子系統、家用網絡、醫療傳感器和伺服執行機構等領域中，對于無線網絡的要求與人們日常使用的其他設備有很大區別。它通常要求是功耗非常低，而可靠性卻很高。針對功耗和高可靠性這兩方面的要求，ZigBee無線通信標準都有專門的設計。這也是ZigBee無線通信標準最突出和最優秀的地方。 2 數傳模塊的具體指標 根據數傳模塊的靈敏度、噪聲系數、選擇性、傳輸延時、安全等級等各項性能要求，ZigBee模塊的各項技術指標如下： ◇射頻頻率：2．4GHz； ◇通道數：具有16個射頻通道2．405～2．485； ◇通訊視距：可靠傳輸距離在100米以上； ◇發射功率：低功耗型為-25～0 dbm；可調遠距離型為18．5～26 dbm可調； ◇接收靈敏度：低功耗型為-90 dbm；遠距離型為-99 dbm； ◇網絡拓撲：星狀、樹狀、網狀； ◇每跳延時：不大于15 ms； ◇數據安全：采用128-Bit AES加密算法。 3 數傳模塊的系統架構與總體設計 根據對數傳模塊技術指標的要求，系統的總體設計可分為無線數傳模塊、測試底板、計算機測試配置軟件等三部分。圖1所示是其系統框圖。該測試系統總共由50個節點組成，其網絡拓撲結構為網狀網絡。50個節點之間可以互相發送數據，并可測試其數據通信功能、穩定性及通信距離。其中無線數傳模塊的設計方案如圖2所示。 4 無線數傳模塊的硬件設計 無線數傳模塊的硬件設計主要分為CPU部分、射頻部分和接插件三個部分。圖3所示是CPU部分的主要電路，它由CC2430及其輔助電路組成；射頻部分主要由功率放大器(PA)和低噪聲放大器(LNA)組成；作為通用產品，接插件的選擇也至關重要，為了方便模塊的替換，本文選擇可插拔、間距為1．27 mm的插針作為接插件。 該接插件使得模塊也可以像其他芯片一樣直接焊接在目標PCB上，同時，也可以上自動貼片機。 圖4所示是系統中的射頻部分電路原理圖。為了使傳輸距離更遠，就必須加大發射功率和提高接受靈敏度，所以，在射頻部分，本文的設計又增加了PA、LNA以及一些信號開關和開關控制信號的產生電路。LNA的增益可達13 dB左右，因而大大提高了傳輸距離和可靠性。 圖5所示是系統射頻功放電路圖，其中PA的發射功率可達20 dBm，故可大大提高傳輸距離。 經過實踐驗證，該模塊具有通信距離遠、運行穩定可靠等優點。圖6所示是用Agilent公司的頻譜分析儀測試的頻譜圖。 5 無線數傳模塊的軟件設計 本文是在TI的ZigBee協議棧和一些應用示例的基礎上編寫的應用層代碼。其中UART部分用的是芯片的DMA來實現的，這樣可使UART的數據收發更加及時，同時也使得CPU運行更快。其軟件流程圖如圖7所示。圖8所示是其系統初始化流程圖。 6 結束語 隨著現代網絡通信技術的發展，無線網絡通信標準得到了迅速發展和應用，本文主要針對ZigBee無線數傳模塊的實現，提出了自己的硬件解決方案。該無線傳感器網絡系統選擇TI的SOC芯片CC2430，該芯片的外圍接口不但可以降低設計的復雜程度，而且可以給調試工作帶來很大的方便。由于該ZigBee無線數傳模塊可以工作于2．4GHz的全球免費、免申請頻段，因此，十分便于推廣到各個應用領域。 |
