2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计

关键词：IEEE802.15.4；多点对多点通信；ZigBee；CC2420

１　引言

ＺｉｇＢｅｅ是一种基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４规范的无线技术。它具有在８０２．１５．４规范上创建的安全和应用层接口、工作于免授权频段、以年计算的超低电池寿命、低至３美金的超低成本、极大可伸缩的网格和星型网络拓扑?每个主设备可支持４万多个节点?等诸多优点?是家庭互联、工厂自动化、医疗设备、传感网络和汽车应用等的理想解决方案。

ＣＣ２４２０是Ｃｈｉｐｃｏｎ ＡＳ公司推出的首款符合２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ＺｉｇＢｅｅ产品的ＲＦ器件。它基于Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的ＳｍａｒｔＲＦ ０３技术，以０．１８ｕｍ ＣＭＯＳ工艺制成?只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。ＣＣ２４２０的选择性和敏感性指数超过了ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达２５０ｋｂｐｓ?可以实现多点对多点的快速组网。

图1

２　芯片主要性能特点

ＣＣ２４２０的主要性能参数如下：

●工作频带范围：２．４００～２．４８３５ＧＨｚ；

●采用ＩＥＥＥ ８０２．１５．４规范要求的直接序列扩频方式；

●数据速率达２５０ｋｂｐｓ?码片速率达２ＭＣｈｉｐ／ｓ；

●采用Ｏ－ＱＰＳＫ调制方式；

●超低电流消耗（ＲＸ:１９．７ｍＡ,ＴＸ:１７．４ｍＡ）?高接收灵敏度（－９４ｄＢｍ）；

●抗邻频道干扰能力强(３９ｄＢ)；

●内部集成有ＶＣＯ、ＬＮＡ、ＰＡ以及电源整流器?采用低电压供电(２．１～３．６Ｖ)；

●输出功率编程可控；

●ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ ＭＡＣ层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、１６ｂｉｔ ＣＲＣ校验、电源检测、完全自动ＭＡＣ层安全保护(ＣＴＲ,ＣＢＣ－ＭＡＣ,ＣＣＭ)；

图2

●与控制微处理器的接口配置容易(４总线ＳＰＩ接口)；

●开发工具齐全?提供有开发套件和演示套件；

●采用ＱＬＰ－４８封装，外形尺寸只有７７ｍｍ。

３ 芯片内部结构

ＣＣ２４２０芯片的内部结构如图１所示。天线接收的射频信号经过低噪声放大器和Ｉ／Ｑ下变频处理后，中频信号只有２ＭＨｚ,此混合Ｉ／Ｑ信号经过滤波、放大、ＡＤ变换、自动增益控制、数字解调和解扩?最终恢复出传输的正确数据。

发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入１２８字节的发送缓存器中,头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准,所要发送的数据流的每４个比特被３２码片的扩频序列扩频后送到ＤＡ变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到２．４ＧＨｚ，并经放大后送到天线发射出去。

４ 典型应用电路

ＣＣ２４２０只需要极少的外围元器件，其典型应用电路如图２所示。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。

芯片本振信号既可由外部有源晶体提供， 也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当采用１６ＭＨｚ晶振时?其电容值约为２２ｐＦ。

射频输入／输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为５０Ω，同时为芯片内部的ＰＡ及ＬＮＡ提供直流偏置。

ＣＣ２４２０可以通过４线ＳＰＩ总线(ＳＩ、ＳＯ、ＳＣＬＫ、ＣＳｎ)设置芯片的工作模式?并实现读／写缓存数据?读／写状态寄存器等。通过控制ＦＩＦＯ和ＦＩＦＯＰ管脚接口的状态可设置发射／接收缓存器。注意：在ＳＰＩ总线接口上进行的地址和数据传输大多是ＭＳＢ优先的。ＣＣ２４２０片内有３３个１６比特状态设置寄存器,在每个寄存器的读／写周期中,ＳＩ总线上共有２４比特数据,分别为:１比特ＲＡＭ／寄存器选择位(０:寄存器，１:ＲＡＭ),１比特读／写控制位(０:写，１:读),６比特地址选择位、１６比特数据位。在数据传输过程中ＣＳｎ必须始终保持低电平。

另外,通过ＣＣＡ管脚状态的设置可以控制清除通道估计?通过ＳＦＤ管脚状态的设置可以控制时钟／定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相连来实现系统射频功能的控制与管理。

５　配置IEEE 802.15.4工作模式

ＩＥＥＥ８０２．１５．４规范中规定使用ＤＳＳＳ调制方式，ＣＣ２４２０中的调制和扩频功能框图如图３所示。

ＣＣ２４２０先将要传输的数据流进行变换,每个字节被分组为两个符号,每个符号包括４个比特?ＬＳＢ优先传输。每个被分组的符号用３２码片的伪随机序列表示,共有１６个不同的３２码片伪随机序列。经过ＤＳＳＳ扩频变换后,码片速率达到２Ｍｃｈｉｐｓ／ｓ,此码片序列再经过Ｏ－ＱＰＳＫ调制,每个码片被调制为半个周期的正弦波。码片流通过Ｉ／Ｑ通道交替传输,两通道延时为半个码片周期。

ＣＣ２４２０为ＩＥＥＥ ８０２．１５．４的数据帧格式提供硬件支持。其ＭＡＣ层的帧格式为?头帧＋数据帧＋校验帧；ＰＨＹ层的帧格式为,同步帧＋ＰＨＹ头帧＋ＭＡＣ帧,帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用１６ 位ＣＲＣ校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入ＲＡＭ中的１２８字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作?其ＲＦ的状态控制图如图４所示。

６　开发工具及网络组织

Ｃｈｉｐｃｏｎ为用户提供了评估软件－ＳｍａｒｔＲＦ Ｓｔｕ-ｄｉｏ,它可以帮助开发者进行产品射频性能的评估和功能测试。同时，Ｃｈｉｐｃｏｎ还提供了开发套件，用户可在此基础上评估和设计真正的ＺｉｇＢｅｅ网络。此开发套件包括ＣＣ２４２０外围硬件模块和Ｚ－ＳｔａｃｋＴＭ Ｚｉｇ-Ｂｅｅ协议栈，其中包括各种高性能的ＺｉｇＢｅｅ软件工具，如网络设置器、协议追踪调试工具等。在此基础上建立的网格式网络（网络结构如图５所示）自组织性强、抗毁性强，极大程度地拓展了网络中的节点数和无线通信范围。

７　结束语

ＣＣ２４２０是首款符合ＺｉｇＢｅｅ技术的高集成度工业用射频收发器件,其ＭＡＣ层和ＰＨＹ层协议符合８０２．１５．４规范,工作于免授权的２．４ＧＨｚ频段。利用此芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小,适于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为家庭自动控制、工业监控、传感网络、消费电子、智能玩具等提供了理想的解决方案。