带定位引擎的射频芯片CC2431

CC2431是TI公司推出的带硬件定位引擎的片上系统（SoC）解决方案，能够满足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4无线传感器网络的应用需要。CC2431定位引擎基于RSSI技术，根据接收信号强度与已知参考节点位置准确计算出有关节点位置，然后将位置信息发送给接收端。相比于集中型定位系统，RSSI功能减小了网络流量与通信延迟，在典型应用中可实现3～5 m定位精度和0.25 m的分辨率。

1 CC2431的主要特点

　　CC2431片上系统（SoC）由CC2430加上Motorola公司基于IEEE 802.15.4标准的无线定位引擎组成，具有2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和高效的8051控制器。其中，MCU包括存储器及其外围，其他模块提供电源管理、时钟分配和测试等重要功能。

　　CC2431的设计结合了8 KB的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本。它们根据不同的闪存空间32 KB、64 KB和128 KB来优化复杂度与成本。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48脚封装，采用具有内嵌闪存的0.18 μm CMOS标准技术。针对协议栈、网络和应用软件执行时对MCU处理能力的要求，CC2431包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟为32 MHz。CC2431还包含一个DMA控制器，可以减少8051微控制器内核对数据的传送操作，因此提高了芯片整体的性能。

　　在CC2431 8 KB静态RAM中的4 KB是超低功耗SRAM。32 KB、64 KB或128 KB的片内Flash块提供在线可编程非易失性存储器。CC2431集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作，以及用于用户自定义应用的外设；具有4个定时器，此外，还集成了实时时钟、上电复位、8通道8～14位ADC等其他外设，并带有语音和定位跟踪引擎。CC2431的主要特点如下：

　　◇ 定位引擎能精确计算网络中节点位置；
　　◇ 具有高性能、低功耗的8051控制器核；
　　◇ 集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz RF无线收发机（具有工业领先的CC2420射频内核）；
　　◇ 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力；
　　◇ 128 KB可编程闪存，8 KB RAM，4 KB带全部功耗模式数据保持功能；
　　◇ 强大的DMA功能；
　　◇ 极少的外部元器件；
　　◇ 低电流损耗（微控制器运行于32 MHz时，接收和发射分别为27 mA和25 mA）；
　　◇ 休眠模式时仅0.9 μA电流损耗，外部中断或RTC能唤醒系统；
　　◇ 待机模式下小于0.6 μA电流损耗，外部中断能唤醒系统；
　　◇ 低功耗模式与主动模式之间的快速切换；
　　◇ 硬件支持CSMA/CA功能；
　　◇ 较宽的电压范围（2.0~3.6 V）；
　　◇ 数字化的RSSI/LQI支持；
　　◇ 具有电池监测和温度传感器；
　　◇ 多达8路输入的8～14位模/数转换；
　　◇ 集成AES128安全协处理器；
　　◇ 带有2个功能强大的支持多组协议的USART；
　　◇ 集成看门狗定时器；
　　◇ 具有1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；
　　◇ 21个普通I/O引脚，其中2个具有20 mA的驱动能力；
　　◇ 支持硬件调试，具有强大灵活的开发工具。

2 CC2431的定位引擎操作

　　CC2431和CC2430是引脚兼容的，除定位引擎之外，CC2430的MCU和RF部分与CC2431完全相同。为避免重复，本文重点介绍CC2431的定位引擎。

　　定位引擎用于估算无线网络中节点的位置。通常参考节点坐标已知，其他需要估计坐标的节点为“盲节点”。进行定位估计时，定位引擎需要获得3～8 个参考节点的坐标值以及其他测量参数，定位引擎计算后的输出是一个节点的估计坐标。在定位引擎运行之前，必须使能定位引擎寄存器LOCENG的第4位 LOCENG.EN。当要停止定位引擎运行时，应往LOCENG.EN写入0关断引擎的时钟信号，从而降低CC2431的功耗。对定位引擎的操作主要就是对与定位引擎有关的寄存器的操作。下面详细说明各部分的操作。

2.1 参考坐标

　　定位引擎运行时需要3～8个参考坐标输入。参考坐标以m为单位表示各个参考节点的位置，其数值位于0～63.75，最高精度为0.25 m，以最低2位为小数部分，剩余6位为整数部分。参考坐标存放于RF寄存器REFCOORD中。在写入REFCOORD之前，寄存器LOCENG的第1位 LOCENG.REFLD必须写入1，用于指示一组参考坐标将要被写入。一旦坐标写入过程开始（LOCENG.REFLD=1），8对坐标必须一次性写入。当定位引擎使用少于8个参考坐标时，要将未用的参考坐标写入0.0。

2.2 测量参数

　　定位引擎除了需要参考坐标外，还需要一组测量参数。这组参数由2个射频参数和8个RSSI值组成。射频参数是数值A和n，用于描述网络操作环境。在全向模式下，射频参数A被定义为用dBm表示的距发射器1 m接收到的平均能量绝对值。若平均接收能量为-40 dBm，那么参数A被定为40。定位引擎期望参数A为30.0～50.0，精度为0.5。参数A用无符号定点数值给出，最低位为小数位，而其余各位为整数位，一个典型值为40.0。

　　射频参数n被定义为路径损失指数，它指出了信号能量随着到收发器距离的增加而衰减的速率。衰减与d-n成比例，这里,d是发射器和接收器之间的距离。实际写入定位引擎的参数n是一个可通过查表得到的整数索引值，如表1所列。

例如，通过测量得到n=2.98，查表得到最接近的有效值为3.000，相应的索引值是13。因此，整数13作为参数n写入到定位引擎中。参数 n以[0，31]之间的整数索引写入定位引擎，索引用整数表示。如n=7，即写入000000111。n的典型值是13。RSSI值是相应于一组参考坐标的RSSI测量值。

　　RSSI值为[-40 dBm，-95 dBm]，精度为0.5 dBm，写入值中应去掉负号。如RSSI的值为-50.35 dB，则写入到定位引擎中为50.5。注意，未用的参考坐标必须用0.0作为RSSI值写入。如果仅有部分参数写入，则定位引擎不能正确工作。

　　所有的测量参数应写入RF寄存器MEASPARM中，在写入MEASPARM之前寄存器LOCENG的第2位LOCENG.PARLD必须写入 1，表示一组测量参数将被写入。一旦参数写入开始（LOCENG.PARLD=1），所有10个参数必须一次性全部写入。测量参数必须按[A,n, rssi0,rssi1,…，rssi7]顺序写入MEASPARM寄存器，任何未使用的位必须写0。10个参数全部写完之后，LOCENG.PARLD 必须写入0。

2.3 定位估计

　　参数坐标和测量参数写入之后，通过将寄存器LOCENG第0位LOCENG.RUN写入1，启动定位估计计算。通常，LOCENG.RUN被置 1后的1 200个系统周期之后，LOCENG的第3位LOCENG.DONE被置1。此时，估计坐标可从LOCX和LOCY寄存器读出。定位引擎不产生任何中断请求。在新的结果被计算出来或下一次重新启动之前，估计坐标值在LOCX和LOCY中保持有效。CC2431定位引擎操作流程如图1所示。

图1 定位引擎操作流程

2.4 软件编程

　　下面介绍定位引擎操作的源代码。

void CalcultePostition(LOC_REF_NODE refNodes[LOC_ENGINE_NODE_CAPA],uint a_val,uint n_index,uint *locX,uint *locY) {
　　uint i;
　　//启动定位引擎
　　LOC_DISABLE();
　　LOC_ENABLE();
　　//使能LOC_REFERENCE_LOAD，准备写入参考坐标
　　LOC_REFERENCE_LOAD(TRUE);
　　//写入参考坐标
　　for(i=0;iLOC_ENGINE_NODE_CAPACITY;i++) {
　　　　REFCOORD=refNodes[i].x;
　　　　RERCOORD=refNodes[i].y;
　　}
　　//参考坐标写入完成
　　LOC_REFERENCE_LOAD(FALSE);//使能LOC_PARAMETER_LOAD，准备写入测量参数
　　LOC_PARAMETER_LOAD(TRUE);
　　MEASPARM=a_val;
　　MEASPARM=n_index;
　　for(i=0;iLOC_ENGINE_NODE_CAPACITY;i++) {
　　　　MEASPARM=refNodes[i].rssi;
　　}
　　//测量参数写入完成
　　LOC_PARAMETER_LOAD(FALSE);
　　//启动定位估计计算
　　LOC_RUN();
　　//等待完成后读出坐标值
　　while(！LOC_DONE());
　　*locX=LOCX;
　　*locY=LOCY;
　　//关闭定位引擎
　　LOC_DISABLE();
}

结语

　　本文主要介绍了带定位引擎的射频芯片CC2431，重点介绍了其定位引擎的使用方法。CC2431是一款真正的片上系统（SoC）解决方案，它针对无线传感器网络ZigBee/IEEE 802.15.4，具有定位检测引擎，可以实现3 m左右或更高的定位精度，有效降低了ZigBee节点成本；并且结合了市场领先的ZStack ZigBee协议软件，提供了市场上最具竞争力的ZigBee解决方案。在未来几年内，其应用必将扩展到更多领域。