基于CC2530的短距離無線通信系統的實現

姜紹君，王忠健

（大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

隨著半導體技術、無線通信技術的迅猛發展，短距離無線通信需求不斷增加。目前，短距離無線通信的技術標準包括WiFi技術、藍牙技術、ZigBee技術。其中，ZigBee技術具有低速率、低功耗、靈活組網等特點，被廣泛應用于無線傳感器網絡領域。TI公司設計生產的CC2530是一個滿足ZigBee技術標準的系統級SoC芯片，TI公司還開發出基于CC2530芯片，符合ZigBee技術標準的軟件包Z-Stack協議棧[1-3]。Z-Stack協議棧是一個復雜的軟件包，僅為用戶提供應用函數接口，用戶無法靈活實現數據通信。因此，本文詳細說明了CC2530的無線射頻參數、數據傳輸的幀格式及數據收發的流程控制，用戶可以開發適合自己工程應用的無線通信系統。

1 硬件設計

1.1 CC2530處理器

CC2530內部主要包含增強型8051微控制器、無線數據收發器以及其他相關模塊，其具有高集成度、低電壓、低功耗等特點[4]。其中，無線數據收發器支持IEEE 802.15.4協議，通信頻率為2.4 GHz，傳輸速率為250 kbps，非常適用于短距離無線通信。由于無線通信采用直接序列擴頻技術，具有抗噪聲干擾等優點，因此，即使發射信號功率較低也能實現準確的數據通信。

1.2 外設電路

CC2530的電路系統如圖1所示。CC2530芯片的引腳包含P0端口、P1端口、P2端口、XOSC_Q1和XOSC_Q1晶振引腳、RESET_N復位引腳、RF_N和RF_P射頻信號引腳以及電源VDD和GND等[5-6]，外設由天線、時鐘、復位系統、電源等組成。

圖1 CC2530的電路系統

2 軟件設計

為了實現無線數據傳輸，需要對CC2530芯片進行編程控制，包含載波頻率的選擇、發射功率的控制、通信數據幀格式的設置、數據收發過程的控制等。

2.1 載波頻率和輸出功率

根據IEEE 802.15.4—2006協議規定[7]，CC2530芯片內部可選擇16個載波頻率進行數據傳輸，頻率范圍在2.405～2.480 GHz之間，中心頻率間步長為5 MHz，通道編號k為11～26。通道k的實際頻率表達見式（1）：

為了得到通道k的頻率，通過寄存器REQCTRL.FREQ[6：0]的7位數可以設置頻率，頻率設置見式（2）：

在滿足一定通信距離的條件下，為了降低功耗，應盡可能選擇較低的發射功率，由TXPOWER寄存器控制輸出不同的發射功率。發射功率設置見表1所列。

表1 發射功率設置

2.2 通信數據幀格式

CC2530芯片收發的數據支持IEEE 802.15.4—2006的幀格式[8]，IEEE 802.15.4—2006的幀格式如圖2所示。幀引導序列和幀開始定界符（SFD）構成的同步頭（SHR）是CC2530芯片硬件自動生成的無線通信同步信息，PHY頭（PHY）和PHY數據服務單元（PSDU）（MAC協議數據單元）是軟件編程的有效數據，開發人員參考IEEE 802.15.4—2006幀格式的內容說明來設置相應的參數。

圖2 IEEE 802.15.4—2006的幀格式

2.3 數據收發過程

數據發送過程如圖3所示[9]。

（1）按照幀長度、MAC頭和MAC負載的先后順序，使用RFD寄存器將它們寫入數據緩沖器TX_FIFO中，TX_FIFO最多可以存放128 B數據，且一次只能產生一幀；

（2）CPU向無線收發器發出STXON或STXONCCA選通指令，無線收發器將TX_FIFO中的數據全部輸出；

（3）在成功發送一個完整的數據幀后，產生TX_DONE中斷信號。

數據接收過程如圖4所示。

（1）CPU向無線收發器發出SRXON選通指令，無線收發器準備接收數據；

（2）在接收一幀數據的過程中，幀引導序列和幀開始定界符SFD不會寫入數據緩沖器RX_FIFO，只有幀長度、MAC頭和MAC負載的有效數據會寫入RX_FIFO中；

（3）在準確接收一幀數據后，產生RXOK中斷信號。

3 通信抗干擾性設計

在無線通信過程中，極易受各種各樣的電磁波干擾，例如自然界的雷電干擾、電器設備故障干擾、地面電磁環境干擾等，這些干擾嚴重影響通信質量。CC2530芯片采用直接序列擴頻（DSSS）技術和循環冗余校驗（CRC）算法，可以保證數據傳輸的可靠性。

圖3 數據發送過程

圖4 數據接收過程

直接序列擴頻技術是一種增加發射信號帶寬的通信技術[10]，發射后的擴頻信號與發射前原始信號的頻帶寬度之比范圍為10～100。接收數據時，經過解擴處理降低干擾信號的功率譜密度，可有效抑制干擾信號。同時也能夠有效抑制相鄰信道的干擾，阻塞假象頻率的信號。

循環冗余檢查（CRC）算法是數據通信領域中最常用的檢錯糾錯方法。CC2530芯片支持IEEE 802.15.4-2006幀格式，在幀結構中MAC協議數據單元的幀尾包含一個16位的幀校驗序列（FCS），FCS是基于ITU-T標準的16位循環冗余校驗（CRC）算法。在發送數據時，FCS由硬件自動生成，在接收數據時，FCS由硬件自動驗證。如果傳輸的數據受到干擾，FCS驗證出錯，接收的數據不會寫入RX_FIFO中。

4 結 語

綜上所述，本系統可以靈活設計無線射頻參數和無線通信數據幀，控制數據收發過程。實驗表明，整個系統具有功耗低、抗干擾性強、軟件設計靈活等特點，非常適用于智能家居監控、農業大棚的溫濕度監測、路燈照明的智能控制等領域。