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基于CC2420射頻芯片和S3C2440芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計

電子設(shè)計 ? 來源:單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 ? 作者:王平, 吳怡 ,施文灶 ? 2021-05-05 11:32 ? 次閱讀
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作者:王平, 吳怡 ,施文灶, 程明傳, 江華麗

1 概 述

無線通信的方式有多樣,與藍牙、Wi-Fi、GSM移動通信方式相比,ZigBee聯(lián)盟制定的 ZigBee方式具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、兼容性好、實現(xiàn)成本低以及組網(wǎng)方便的優(yōu)點,非常適合低速率傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee聯(lián)盟成立于 2001年,2002年Invensys公司、三菱電氣公司、摩托羅拉公司以及飛利浦半導(dǎo)體公司加盟,現(xiàn)在正迅速發(fā)展壯大。該聯(lián)盟在基于IEEE 802.15.4的PHY層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層之上,研究開發(fā)適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他高層協(xié)議。

物理層的2個標準是2.4 GHz和868/915 MHz,都基于直接序列擴頻DSSS(Direct Sequence Spread Spec-trum)技術(shù),使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。2.4 GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段,有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。它的物理層通過采用16相高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250 kb/s的傳輸速率,有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期,從而更加省電。

ZigBee聯(lián)盟定義了兩種物理設(shè)備類型:全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡功能設(shè)備RFD(Re-duced Function Device)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的星型拓撲結(jié)構(gòu)通常由1個FFD和若干RFD組成。FFD充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能,其他設(shè)備只與協(xié)調(diào)器通信,由協(xié)調(diào)器決定處理要做的事情。如果某個終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個終端設(shè)備,它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器,然后由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標接收器終端設(shè)備。通過FFD接力傳送,網(wǎng)絡(luò)又可以擴展成其他拓撲結(jié)構(gòu),如圖1所示。

基于CC2420射頻芯片和S3C2440芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計

隨著ZigBee的研究發(fā)展,2005年,各大芯片制造商紛紛推出了符合ZigBee標準的收發(fā)模塊和通信套件,但是目前只有挪威Chip-con 公司 (CC2420/CC2430和CC2500/CC2550等)、美國Freescale Semiconductor公司(MC13192和MC13193)、美國CompXs公司(ML7065)和美國Ember公司(EM2420)四個原始設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)的ZigBee套件符合聯(lián)盟規(guī)定的標準。2007年德州儀器(TI)宣布推出ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)的免費下載版本。

2 設(shè)計與調(diào)試

2.1 研究目標

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的主要功能是協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò),其他功能還包括:傳輸網(wǎng)絡(luò)信標、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息,并且提供關(guān)聯(lián)節(jié)點之間的路由信息;此外,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要存儲一些基本信息,如節(jié)點數(shù)據(jù)設(shè)備、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表及設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。

問題是,目前ZigBee協(xié)議主要在低端8位或16位單片機上實現(xiàn)。對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點而言,其數(shù)據(jù)處理能力不強,且限于自身的硬件資源,很少能實現(xiàn)良好的人機交互界面。對功能要求較高的ZigBee協(xié)調(diào)器,這種構(gòu)架很難滿足應(yīng)用的需求。而基于PC機的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點,不但體積大、價格高而且功耗大,對于傳輸率不大的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說十分浪費資源,所以開發(fā)基于ARM系列嵌入式芯片為核心微處理器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是很有必要的。實驗基于星型結(jié)構(gòu),在實現(xiàn)RFD功能的基礎(chǔ)上,開發(fā)基于ARM9嵌入式的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,提供3.5英寸TFTLCD觸摸屏作為人機交互,顯示其他各節(jié)點的工作狀況、測試參數(shù)情況,為日后高級應(yīng)用提供平臺。

2.2 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計射頻芯片選用挪威Chipcon公司的CC2420(2.4 GHz,支持250 kb/s數(shù)據(jù)傳輸率)。微處理器采用S3C2440嵌入式工業(yè)級芯片。硬件框圖如圖2所示,ARM(左)+RFD(右)=ARM嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

2.3 協(xié)調(diào)器軟件結(jié)構(gòu)

采用嵌入式Linux操作系統(tǒng),在TI公司ZigBee協(xié)議?;A(chǔ)上,在原Bootloader、Kernel上修改文件系統(tǒng),添加GUI應(yīng)用程序,并修改系統(tǒng)啟動腳本使應(yīng)用程序在系統(tǒng)啟動時自運行。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的實現(xiàn)過程中使用多線程技術(shù),串口數(shù)據(jù)收發(fā)、GUI顯示與按鈕響應(yīng)、ZigBee節(jié)點掉線檢測3 個線程并發(fā),提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

MAC幀格式由以下基本部分組成:

①MAC層頭幀(MAC Header,MHR),包含幀控制域、序列號和地址信息;

②MAC凈載荷(長度可變),包含的信息指定了幀的類型;

③MAC層幀尾(MAC footer,MFR),包含了一個幀校驗序列。

其中,MHR有固定的順序,并不是所有的幀都包含地址域。一般的MAC幀格式如圖4所示。

2.5 系統(tǒng)ZigBee幀格式的定義與分析

在RFD的設(shè)計中,ZigBee設(shè)備采用16位短地址,負載來自光敏電阻的采樣電壓值,為2字節(jié),F(xiàn)CS由CC2420自動校驗。所以,本設(shè)計中使用的幀長度為15字節(jié)。定義ZigBee幀的數(shù)據(jù)格式如下:

將RFD節(jié)點和PC通過串口連接起來,通過串口調(diào)試助手可以觀察到類似下列格式的幀:

41 88 0A 01 OO 01 OO 00 OO 00 00 E2 03 F9 EB

前2字節(jié)(88 41)為幀控制域,第3字節(jié)(OA)為幀序列號,4~5字節(jié)(00 01)為目的地址的PAN ID,6~7字節(jié)為目的地址(00 01),8~9字節(jié)(00 00)為源地址的PAN ID,10~11字節(jié)(00 00)為源地址,12~13字節(jié)(03E2)為負載,14~15字節(jié)(F9 EB)為校驗位。

2.6 協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)流程和軟件流程

通過天線接收RFD傳輸過來的數(shù)據(jù)幀,經(jīng)過CC2420自動校驗。若無誤則經(jīng)過解碼、譯碼,然后經(jīng)過SPI接口送往ATmega128L,再經(jīng)過串口UART1送往S3C2440,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后顯示于相應(yīng)的LCD觸摸屏上。協(xié)調(diào)器軟件流程如圖5所示。

3 實驗結(jié)果

當有兩個RFD進入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的監(jiān)測范圍,LCD中便顯示兩個綠色小球,以及相應(yīng)的地址、數(shù)據(jù)等信息。同理,當移開或停止RFD工作,兩個綠色小球便同時從LCD中消失。

4 總 結(jié)

本設(shè)計參考TI公司的ZigBee協(xié)議棧,在完成RFD功能后加入ARM9芯片及外圍電路擴展成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。此協(xié)調(diào)器功能豐富:LED可指示工作狀態(tài),處理器可提高運算速度,LCD可人機交互,網(wǎng)口可連接Internet。所以不但可提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能,還為日后應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊,能夠廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理,以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究和廣泛應(yīng)用,傳感器網(wǎng)絡(luò)將逐漸深入到人類生活的各個領(lǐng)域。

責任編輯:gt

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