基于 CC2530芯片的ZIGBEE無線數據傳輸模塊設計

汪振中

（上海信息技術學校，上海 200331）

基于 CC2530芯片的ZIGBEE無線數據傳輸模塊設計

汪振中

（上海信息技術學校，上海 200331）

針對有線數據傳輸方式布線復雜、成本高、移動性差、維修不便等缺陷，在目前短距離無線通信技術 Zigbee的基礎上，將 ZigBee無線技術與數據傳輸技術相結合，設計并實現了一套基于 CC2530的高傳輸速率、近距離、低功耗、低成本的無線數據傳輸模塊電路，并完成相關的硬件和軟件設計。

CC2530；Zigbee；模塊；無線傳輸；數據采集

1 硬件電路設計

1.1 CC2530芯片

CC2530是 ZigBee無 線 數 據 傳 輸 中 的 一 個 核心芯片， 該芯片有四種不同的閃存版本：分別具有32/64/128/256KB 的閃存。CC2530芯片能適應系統的超低功耗要求，因為 CC2530芯片有多種不同的工作運行模式，用戶可以根據實際情況選擇不同的運行模式來降低功耗要求，而且運行模式切換時間短，耗電少。CC2530結合了德州儀器業界領先的 ZigBee 協議棧，強大和完整的 ZigBee 解決方案，具有行業領先的 RF收發性能，標準的增強型 8051CPU，8KB的 RAM 和可編程閃存。

1.2 晶體振蕩器電路設計

該電路有兩個晶振，一個是系統時鐘晶振，一個是實時時鐘晶振。

系統時鐘晶振用于向 CC2530芯片和其他電路(RTC電路 )提供工作時鐘。根據 CC2530的最高工作頻率和系統工作頻率需要，以及 PLL電路的工作方式，選擇頻率 25MHz的無源晶體振蕩器，其頻率經過微處理器內部 PLL電路倍頻后，最高頻率可達 96MHz。

實時時鐘RTC的基本功能是跟蹤時間和日期等信息，當然許多RTC還提供有看門狗定時器、看門系統復位、序列號、非易失存儲器、涓流充電、方波輸出等多種附加功能。所以在電路設計時，不僅要考慮其時間跟蹤功能，而且還應該針對其具體應用綜合考慮RTC的功能、尺寸、成本等要求。這里選擇 32.768kHz無源晶振，由于芯片內部的 PLL電路兼有信號提取整形和頻率倍頻放大的功能，因而系統能夠通過較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，從而滿足系統頻率要求。

1.3 復位電路設計

復位電路主要包括系統的上電復位和系統運行時用戶的按鍵復位。系統上電時復位電路提供復位信號直到系統電源穩定后撤銷復位信號；用戶的按鍵復位主要用來進行調試程序。這里采用RC串聯組合電路，因該芯片復位低電平有效，故電阻 R接電源 VCC，電容 C接地，串聯部分接芯片復位腳。電容在通電瞬間可以看作短路，芯片復位腳為低電平。電容充電充滿后， 芯片復位腳變為高電平。這樣，芯片復位腳保持一段時間低電平后，最后穩定在高電平。低電平的持續時間長短由RC時間常數決定。

1.4 天線電路設計

天線的基本功能是發射和接收無線電波。在發射時，天線把高頻電流轉換為電磁波發射出去；在接收時，天線把電滋波轉換為高頻電流接收過來。在為基于CC2530無線數據傳輸模塊選擇天線時，應注意到性能的好壞。天線作為無線通信系統中的一個重要組成部分，其性能的好壞優劣直接影響著通信系統的指標，因而在選擇天線時必須注意天線的頻率帶寬、增益、額定功率等電氣指標。

1.5 硬件電路圖

由于 CC2530內部已經集成了大量必要的電路，因此只需較少的外圍電路即可完成電路硬件設計。

2 軟件設計

2.1 Zigbee技術

Zigbee 是一種高穩定可靠的工業級無線數傳網絡，它的通訊距離從標準的 75m 到幾百米、幾公里，并且可以進行無限擴展。Zigbee 是一個由可多到 65000 個無線數傳模塊組成的無線網絡平臺，在整個網絡平臺范圍內，每一個 Zigbee 網絡數傳模塊之間都可以相互通信，而且每個網絡節點間的距離可以從標準的 75m到更遠距離進行無限擴展。ZigBee 采用的自組織網技術，通過彼此自動相互尋找，可以很快形成一個互聯互通的ZigBee 無線網絡。為避免由于網絡節點的移動而引發的通訊中斷，模塊會不斷對原有網絡進行刷新，重新尋找通信對象，從而確定彼此間的聯絡進行自組織網。自組織網絡有很多優點，模塊能夠自主尋找網絡節點，自主尋找網絡道路，從而實現多通道通信，保證每一個無線通道都能夠始終暢通，哪怕其中幾個網絡節點出現故障，模塊仍能夠通過其他幾個通道進行通訊，保證網絡的穩定性和可靠性。這一點在工業現場控制中非常重要。因此 Zigbee具有數據傳輸可靠，網絡容量大，時延短，兼容性好，安全性高，自組和自愈功能強等特點，比藍牙可靠性強，傳輸距離遠，不易斷網；同時也比 WIFI功耗要低，安全性好。

2.2 ZIGBEE協議框架和分層

ZIGBEE網絡協議是分成一層一層的，某一層都分配了一定的任務，它必須完成，完成之后作為上一層完成任務的基礎，否則上一層沒有辦法實現應有的功能。IEEE 802.15.4是 IEEE針對低速率無線個人局域網指定的無線通信標準。IEEE 802.15.4標準中定義了協議棧里的最下面兩層：物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）。ZigBee直接使用了這兩層，并在此基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）架構。IEEE 802.15.4標準定義的 LR-WPAN網絡可以在不同的載波頻率（20kbps、40kbps和 250kbps）下實現傳輸速率并且支持星型和點對點的網絡拓撲結構。

星型網絡首先要建立網絡協調器，以網絡協調器為中心，所有設備只能通過與網絡協調器才能進行通信。哪個節點作為網絡協調器由上層協議決定。

點對點網絡中任意兩個設備可以進行直接通信，不需要其他設備的轉發。

2.3 程序編寫

無線數據傳輸系統需要把發射和接收到的數據用單片機進行處理，將各個功能節點硬件設備串聯在一起，實現數據的交換，對采集到的數據安全發送。

設計模塊的收發信息工作程序流程如圖1所示。

設計中的系統軟件以系統各功能節點為基礎，設計了軟件系統包括基于 ZigBee傳感器數據采集、系統組網、數據上傳以及無線數據通信四個模塊，完成環境參數從采集到監測處理的整個過程。由于模塊完成的功能多，每個功能都離不開無線模塊的接受數據與發送數據，要提高模塊的傳輸速率，就要寫出最簡單最實效的程序。

3 軟硬件調試

3.1 觀察

檢查之初先不急于通電，因為整個電路板的布線多且復雜、線條較細，各元器件和芯片的引腳密集，很容易出現虛焊錯焊漏焊等現象。仔細檢查線路、器件的安裝和焊接情況，器件引腳是否接錯焊錯，極性是否接錯等。

圖1 模塊的收發信息工作程序流程圖

3.2 測試

通電前用萬用表檢查電源是否短路。確認檢查無誤后通電測試，根據要求測出電壓、電流、波形、信號傳輸速率、信號強度等相關參數，做好記錄。如果現象有誤，要根據測試參數進行電路分析，排除故障。如果是程序問題，也要對程序中的邏輯關系、語法結構進行調試。

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