基于CC2500的无线信息家电节点设计.doc

本文由radge贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 32 卷 1 期 第 2009 年 2 月 电 子 器 件 Chinese J our nal Of Elect ron Devices Vol . 32 No. 1 Feb. 2009 Abstract :Wit h t he t rend of informatio n appliance , t his paper discussed t he design of t he wireless no de which co mbines wit h t he embed technology and t he short range wireless co mmunicatio n technolo gy used to co nt rol t he informatio n appliance. 2. 4 GHz RF chip CC2500 and S TC series microchip were adopted in t his And so me key design point s based o n t he t heory analysis were showed. Wit h t he advantages of small size , low power and low co st ,t he no de has an bright p ractical p ro spect . EEACC :6210 Key words :wireless co mmunicatio n ;informatio n appliance ;CC2500 ;2. 4 GHz node as wireless co mmunicatio n module and CPU respectively. PCF8563 was used as an real2time clock. 短距离无线通信技术 , 设计了应用于信息家电无线控制的节点 。节 摘 : 针对信息化家电的发展趋势 ,结合嵌入式技术 、 要 点设计采用 CC2500 系列 2. 4 GHz 射频芯片为无线通信模块 ,扩展了 PCF8563 为实时时钟 ,并以低成本的 STC 单片机为控制 模块 。并且在理论分析的基础上给出了软硬件设计要点 。该节点体积小 、 功耗低 、 成本低 ,具有很好的应用前景 。 关键词 : 无线通信 ;信息家电 ;CC2500 ;2. 4 GHz 中图分类号 :TN925 文献标识码 :A 文章编号 :100529490( 2009) 0120153205 随着科技的进步与社会的发展 , 人们对生活品 质的追求也日益提高 , 传统家用电器已经逐渐无法 满足现代家庭的需要 , 家用电器会越来越趋向于信 息化 、 智能化 。各种家电通过 2. 4 GHz 无线网络连 接 ,形成家庭网络 ,这样家庭成员拿着控制终端在家 中的任何位置都可以控制和监视家中任何角落的电 器 。本 文 采 用 S TC 系 列 单 片 机 和 TI 公 司 的 CC2500 射频收发芯片 , 给出了一种低成本 , 低功耗 的、 可以用于室内环境的短距离 ( 8 15 m 每跳) 无 线传输转发控制以及状态信息的节点 。节点发射功 率一般小于 0 dB , 可以用 5 号干电池供电 , 节点布 置在房间内以及房间的门口 , 主要功能是向控制终 端转发家电的状态信息以及向家电转发由用户发来 的命令信息 。 Design of Wireless Inf ormation Appliance Node Based on CC2500 3 L I U Q uan ( W uhan Uni versit y of Technolog y , W uhan 430070 , Chi na) 收稿日期 :2008207218 基金项目 : 教育部重点科技攻关项目资助 ( 107130) 作者简介 : 刘 ,教授 ,博士生导师 ; 泉 李 ,硕士研究生 ,研究方向为嵌入式系统 ,foot ballLi2003 163. com 成 基于 CC2500 的无线信息家电节点设计 3 ( 武汉理工大学信息学院 ,武汉 430070) 刘 3 ,李 泉 成 3 , L I Chen g 1 节点总体设计方案 按功能划分 , 无线节点可以分为三个模块 ( 图 1) ,分别是控制处理模块 、 射频通信模块 、 实时时钟 模块 。控制处理部分监控整个系统的运行 , 并对收 发的数据按照一定的规则进行的封装和解封装处 理 。射频通信模块负责数据的收发 , 采用短距离无 线的方式 ,实现多节点通信数据的传输 。实时时钟 模块负责给系统提供需要的同步时间以及定时触发 微控制器的外部中断以唤醒节点 。另外 , 每个部分 都需要电源来提供能量 ,作为整个系统工作的基础 , 电源部分也是必不可少的 。与家电连接的节点可以 通过 RS2232 与家电通信 , 所以部分节点还带有串 口通信模块 。 154 电 子 器 件 第 32 卷 节点主要由微控制器、 射频收发器 、 实时时钟 、 串 口几个部分构成 ,微控制器与射频模块通过 SPI 口通 信 ,与实时时钟通过模拟的 I2 C 通信。节点的各个模 块有机地结合在一起 ,在工作过程当中 ,负责系统监 控数据处理功能的控制处理模块是整个节点的核心 , 由它来协调各部分的协同工作。完成对信息的处理 打包并送到射频收发模块转发。待发送完成以后 ,射 频通信模块又可以将信息反馈给控制模块。 本文节点的应用 。CC2500 是 TI 公司推出的一款 低成本真正单片 2. 4 GHz 收发器 ,专门为低功耗无 线应用设计 。电路设定为 2 400 2 483. 5 M Hz 的 ISM ( 工业 ,科学和医学) 和 SRD ( 短距离设备 ) 频率 波段 。RF 收发器集成了一个数据传输率可达 500 kbit/ s 的高度可配置的调制解调器 2 。CC2500 的 主要操作参数和 64 位传输/ 接收 FIFO ( 先进先出堆 栈) 可通过 SPI 接口控制 。体积小 ( QL P4 4 mm 封装 ,20 脚) , 带有载波监听和休眠模式 , 非常适合 低功耗应用 。 PCF8563 是低功耗的 CMOS 实时时钟/ 日历芯 片 ,它提供一个可编程时钟输出 ,一个中断输出和掉 图1 节点总体结构图 在本节点设计中 ,需要涉及到以下几个方面 : 处 理器性能 、 所支持的开发工具 、 处理器的成本和功 耗 。综合以上几个方面考虑 , 微控制器选择一款高 性 价 比 的 8 位 微 控 制 器 S TC12L E5410AD 。 S TC12L E5410AD 采用 20 脚贴片封装 , 与传统 51 电检测器 ,所有的地址和数据通过 I2 C 总线接口串 行传递 。最大总线速度为 400 kbit s/ s , 每次读写数 据后 , 内 嵌 的 字 地 址 寄 存 器 会 自 动 产 生 增 量。 PCF8563 采用低工作电流 ( 0. 25 A ) 、 大电压范围 ( 1. 85. 5 V ) ,非常适合本文设计的节点 。 单片机 指令系统完全兼容 , 但速度是传统 51 单片 机的 8 倍以上 , 可以在线烧写程序 , 有 10 kbyte 的 片内 FL A S H 和 512 byte 的 RAM , 内 部 集 成 了 SPI 、 、 R T 等接口 , 芯片的供电电压范围为 AD UA 2. 23. 8 V , 并且可以进入休眠模式 , 比较适合采 2 节点硬件详细设计 2. 1 控制处理部分 微控制器部分主要由 S TC12L E5410AD 、 串口 芯片以及电源芯片组成 , 其中串口用于程序下载和 调试 ,加入电源芯片用于将 5 V 电压转换为 3. 3 V 电压 ,在电池供电系统中 ,电源芯片可以省略以减低 成本和功耗 。其单片机部分的基本构成原理图如图 2 所示 3 。 用电池供电的系统 。 考虑到功耗 、 接收灵敏度 、 传输速率和芯片成本 等 , TI公司的无线射频收发芯片 CC2500 比较适合 1 图2 控制处理部分原理图 S TC12L E5410AD 单片机通过 SPI 接口 ( P1. 4 P1. 7 ) 设置 CC2500 的工作参数并且与 CC2500 交换需要收发的数据 。其中 P1. 4 P1. 7 的上拉电 阻可 以 不 加 。外 部 中 断 1 ( IN T1 P3. 3 脚 ) 连 接 CC2500 的 GDO2 引脚 , 用于检测是否 CC2500 的 FIFO 状态信号 ,引脚空闲状态时为低电平 , 当有数 据到来时被 CC2500 拉为高电平 , 当数据接收或者 发送完毕以后有被 CC2500 拉为低电平 , 所以可以 第1期 刘 ,李 : 基于 CC2500 的无线信息家电节点设计 泉 成 Bo ud = Fo sc/ ( 256 - Re load) / 32 Error = (Bo ud - Bo ud0) / Bo ud0 100 % 155 ( 2) ( 3) 设置 MCU 相应下降沿外部中断 , 进而在外部中断 处理程序进行相应的处理 。 P3. 3 和 P3. 4 引脚利用软件模拟了 I2 C 的接口 与实时时钟 PCF8563 相连 ,用于设置实时时钟的工 作和报警方式 ,可以随时读取当前时间 ,并且可以利 用实时时钟产生周期性的中断 。在调试的时候要将 P1. 0 以及 P1. 1 引脚接地 , 待调试完成可以用这两 个引脚做 A/ D 转换 。外部中断 0 ( P3. 2 ) 可以用于 单 片 机 睡 眠 状 态 时 的 唤 醒。另 外 , 由 于 S TC12L E5410AD 为 1 T 单片机 , 所以在计算波特 率的时候与传统的 51 单片机有所区别 4 , 公式 ( 1 ) 中的 IN T () 表示取整运算 ,加 0. 5 可以达到四舍五 入的目的 。 ( 1) Re load = 256 - IN T ( Fo sc/ Bo ud0/ 32 + 0 . 5 ) 公式 ( 2) 和 ( 3) 中 Fo sc 为晶振频率 , Boad0 为标 准波特率 。 如果误差大于 4 . 5 % , 就需要更换波特率 或者晶振频率 3 。 设计要点 由于 CC2500 的 GDO2 FIFO 状态 引脚空闲时为低电平 , MCU 在上电时此引脚高电 平 ,而由于 CC2500 初始化完成以后又将 GDO2 拉 为低电平 ,这样就产生了一个外部中断 ,但是此时并 没有 FIFO 状态送到 MCU ,所以建议将此引脚下拉 电阻 。另外需要将 MCU 寄存器配置为下降沿产生 中断有效信号 ,因为连接外部中断的引脚 GDO2 在 空闲时为低电平 , 如果配置为低电平有效则将在 MCU 处不停的产生外部中断 。 2. 2 射频通信部分 射频通信部分主要由 CC2500 和 2. 4 GHz 天线 组成 ,为了达到更好的收发效果 ,笔者并没有采用手 册上推荐的板载天线 , 而是直接采用了外置天线 。 另外 , 与 V DD 相连的还有 5 欧姆的磁珠 ( 图中未标 出) 。其基本构成原理图如图 3 所示 2 ,5 。 图3 射频通信部分原理图 CC2500 通过 SPI ( SI , SO , SCL K 和 CSn ) 接口 与 MCU 相连 , CC2500 为从设备 。CC2500 这个接 口同时用作写和读缓存数据 。SPI 接口上所有的地 址和数据转换被最先在重要的位上处理 。SPI 接口 上所有的处理都同一个包含一个读/ 写位 ,一个突发 访问位和一个 6 位地址的头字节一起作用 。在地 址和数据转换期间 , CSn 脚 ( 芯片选择 , 低电平有 效) 必须保持为低电平 。如果在过程中 CSn 变为高 电平 ,则转换取消 。 CSn 变低 ,在开始转换头字节 当 之前 ,MCU 必须等待 , 直到 SO 脚变低 。这表明电 压调制器已经稳定 , 晶体正在运作中 。除非芯片处 在 SL EEP 或 XO FF 状态 ,SO 脚在 CSn 变低之后总 会立即变低 。当头字节在 SPI 接口上被写入时 , 芯 片状态字节在 SO 脚上被 CC2500 写入 。状态字节 包含关键状态信号 ,对 MCU 是有用的 。第一位 s7 , 是 C H IP_ RD Yn 信号 。在 SCL K 的在第一个正边 缘之前 ,这个信号必须变低 。C H IP_ RD Yn 信号表 明晶体正处于工作中 ,调节数字供给电压是稳定的 , 如图 4 。 GDO2 脚连接 MCU 外部中断用于通知单片机 FIFO 的状态信号 。当数据开始传送时 , GDO2 脚拉 高 ,当传送结束时 , GDO2 脚回复低电平状态 。例 156 电 子 器 件 第 32 卷 设计要点 CC2500 芯片以及其外围元件电路 组成了发送接收模块 。这部分重要的是 PCB 板的 设计 6 ,使用两层的 PCB 板 ,尽量多打一些通孔 ,使 顶层和底层的地能够充分接触 , 空余部分大面积连 续接地 。电源滤波电容尽量靠近 V DD 引脚 , 注意调 整电阻 、 电容和电感的位置 。这样能够获得好的射 7 频性能 。如果收发效果不好 ,可以将 C32 的参数值 调小一点 ,作者采用了 1. 5 p F 的容值达到了比较好 的效果 。这样做的原因是由于芯片之间的个体之间 的差别 ,还有就是制版和其它元件以及焊接带来的 误差 ,影响了匹配 。 2. 3 实时时钟部分 实时时钟部分主要由 PCF8563 构成 , 其中连接 控制器的为 I2 C 接口 , 所以在设计中上拉了 10 k 的电阻 ,在主控制器一端通过 I/ O 口模拟的 I2 C 接 口 ,所以通信速率不是很高 ,不过足够满足设计的要 求 。PCF8563 的外部中断引脚 3 连接单片机的外 部中断 0 ,用以产生定时的外部中断 ,可以用于设定 时间报警功能以及唤醒节点的功能 。所有 16 个寄 存器设计成可寻址的 8 位并行寄存器 , 但不是所有 位都有用 。前两个寄存器 ( 内存地址 00 H ,01 H ) 用 于控制寄存器和状态寄存器 ,内存地址 02 H08 H 用于时钟计数器 ( 秒 年计数器 ) , 地址 09 H 0 C H 用 于 报 警 寄 存 器 ( 定 义 报 警 条 件 ) 。当 一 个 R TC 寄存器被读时 , 所有计数器的内容被锁存 , 因 图4 状态稳定图 如 ,传送 1 byte ( 长度) + 7 byte ( 有效载荷) + 2 byte ( CRC) 共 10 byte 的内容 , 可以通过配置寄存器的 值 ,得到 250 kbit/ s 的速率 ,然后根据公式 ( 4) ,得到 传送这样一帧内容 , GDO2 脚将维持大约 320 s 的 高电平 ( 计算方法如式 4 和式 5 ) , 但是实际测量中 的时间可能会比理论值略高 , 这是因为在信号通路 上存在内部延迟 。 ( 256 + DRA TE_ M) 2DRA TE_ E ( 4) Rdata = f XOSC 228 ( 5) time = ( lengt h bit s ) ( 1/ R data ) CC2500 射频芯片的设计对于外部元件的要求 比较高 ,如果外部电感电容设计得不合理 ,会极大地 影响收发的效果 。图 2 中各个元件的参数是比较标 准的设计参数 。偏阻器 R7 用来设置一个精确的偏 电流 。平衡转换器和 RF 匹配 C1 、 31 、 2 和 L 3 形 C L 成一个平衡转换器 , 用以将 CC2500 上的微分 RF 端口转换成单端 RF 信号 ( C23 和 C24 也用在直流模 块上) 。 另外 ,在 26 28 M Hz 频率范围的晶体必须连 接在 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2 脚之间 。振荡器为在 晶体的平行模式操作而设计 。晶体负载电容 ( C25 和 C26 ) 是必需的 。载电容值由总负载点容量 CL 决 定 ,由晶体指定 。在指定频率下 , 为使晶体振荡 , 晶 体两端的总负载电容值应该等于 CL 。寄生电容由 引脚输入电容和 PCB 漂移电容所组成 。总寄生电 容典型值为 2. 5 p F 。根据公式 ( 6 ) 计算出 C25 = C26 = 27 p F , 其中 Cparasitic = 16 p F , 寄生电容取典型值 2. 5 p F 。 1 ( 6) CL = + Cparasitic 1 1 C25 + C26 此 ,在传送条件下 , 可以禁止对时钟/ 日历芯片的错 读 。其基本构成原理图如图 5 所示 。 图5 实时时钟部分原理图 3 节点软件设计 系统程序采用 C 语言编写 ,采用比较经典的前 后台系统方式实现本系统 8 。主要包括 MCU 和 CC2500 初始化 ,无线数据收发和处理 , 以及对实时 时钟的读写等几个部分 。考虑到节点的应用在家居 环境 ,经常更换电池带来诸多不便 ,所以在系统上电 完成其初始化以后就进入掉电模式 , 系统的重要状 态转换和处理均在中断中完成 。 晶体振荡器是振幅调节的 。这意味着 , 要用一 个高电流来开启振荡 。当建立振荡后 , 电流减少到 仅需维持 0. 4 Vpp 信号摆动的大小 。这保证了快 速的启动和驱动等级到最小 。为了保证可靠的启 动 ,晶体的 ESR 必须在规范之内 。 第1期 刘 ,李 : 基于 CC2500 的无线信息家电节点设计 泉 成 157 实时时钟中断 1 s 中断一次 CPU , 作为系 每 统时钟对时间进行处理 ,并且检查供电系统 ,电量不 足则发出警告 。所有工作做完以后系统进入掉电状 态。 无线通信中断 一般状态下 MCU 处于掉电模 式 ,待有正确无线信号到来时 ,则 CC2500 通过外部 中断激活 MCU ,MCU 再对数据进行处理或者进一 步转发到其它节点 。无线通信帧格式和软件流程分 别见如表 2 和图 6 。 中心等高档家用电器当中 ( 节点实物如图 7 ) , 使用 效果良好 ,0 dB 发射功率可以传输至少 15 m 的距 离 ,布置 4 到 5 个节点即可实现一般家庭内的电器 控制和监测 ,再加入 MAC 层的功率控制协议 ,使节 点闲时休眠 ,使用两节 5 号干电池供电的节点可以 使用数月以上 ,即可实现家庭内部组建小型的无线 网络 9 。文中介绍的无线节点方便了人们的家居生 活 ,并且价格低廉 、 易于布置 ,有很大实用价值 。 图6 软件流程图 表2 数据帧格式 前导码 8 n 同步字 32 数据长度 8 地址 8 数据 8 n 单位 :bit 校验 16 图7 节点实物图 参考文献 : 1 申长军 ,吴庆宏 . 低功耗无线数字传输模块的设计与应用 J . 设计要点 对于包字节数小于 64 个的情况 ,应 该等整个包都接收完以后在从缓冲区当中读取 , 也 就是在 GDO2 的下降沿出现以后在读缓冲区的数 据 ,可以在 MCU 处用下降沿产生外部中断来判断 , 也可以利用前文提到的计算方法