ZigBee硬件平台课件

ZigBee硬件平台课件第一页，共68页。第10章ZigBee硬件平台CC2430/CC2431芯片主要特点CC2430/CC2431采用增强型8051MCU、32/64/128KB闪存、8KBSRAM等高性能模块，并内置了ZigBee协议栈。加上超低能耗，使得它可以用很低的费用构成ZigBee节点，具有很强的市场竞争力。CC2430/CC2431是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和工业级的8051控制器。第二页，共68页。第10章ZigBee硬件平台CC2430/CC2431芯片（如图10-1所示）延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（WatchdogTimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(BrownOutDetection)以及21个可编程I/O引脚。CC2430/CC2430区别在于：只有CC2431有定位跟踪引擎，CC2430无定位跟踪引擎。除了以上其它外，在外观上CC2430与CC2431完全一样的。CC2430/CC2431芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430/CC2431的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。第三页，共68页。第10章ZigBee硬件平台第四页，共68页。第10章ZigBee硬件平台CC2430/CC2431芯片的主要特点如下：■高性能、低功耗的8051微控制器内核；■适应2.4GHzIEEE802.15。4的RF收发器；■极高的接收灵敏度和抗干扰性能；■32/64/128KB闪存；■8KBsRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；■强大的DMA功能；■只需极少的外接元件；■只需一个晶体，即可满足组网需要；电流消耗小(当微控制器内核运行在32MHz时。Rx为27mA，Tx为25mA)；■掉电方式下，电流消耗只有O.9ｕA，外部中断或者实时钟(RTc)能唤醒系统；■挂起方式下，电流消耗小于O.6ｕA，外部中断能唤醒系统；■硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取(csMAcA)；第五页，共68页。第10章ZigBee硬件平台■电源电压范围宽(2.O～3.6V)；■支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示(RssI/LQI)；■电池监视器和温度传感器；■具有8路输入8～14位ADC；■高级加密标准(AEs)协处理器；■2个支持多种串行通信协议的usART；■看门狗；■1个IEEE802.5.4媒体存取控制(MAc)定时器；■1个通用的16位和2个8位定时器；■支持硬件调试；■21个通用I/0引脚，其中2个具有20mA的电流吸收或电流供给能力；■提供强大、灵活的开发工具；■小尺寸QLP48封装，7mm×7mm。第六页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.3CC2430/CC2431芯片功能结构CC2431片上系统(SoC)由CC2430加上Motorola的基于IEEE802.15.4标准的无线电定位引擎组成。CC2431和CC2430地最大区别在于CC2431具有包括Motorola的有许可证的定位检测硬件核心。图10-2为CC2430/CC2431芯片引脚示意图。其中，外露的芯片安装衬垫必须连接到PCB的接地层，芯片通过该处接地。CC2430/CC2431具有CC2420RF接收器以及增强性能的8051MCU、8KBRAM等，其增强的8051MCU核的性能是工业标准8051核性能的8倍。CC2430/CC2431还具备直接存储器定址(DMA)功能(能够被用于减轻8051微控制器内核对数据搬移，因此提高了芯片整体的性能)、可编程看门狗定时器、AES-128安全协处理器、多达8输入的8-14位ADC、USART、睡眠模式定时、上电复位、掉电检测电路(BrownOutDetection)、21个可编程I/O管脚等。两个可编程的USART用于主/从SPI或UART操作。带外部功放的CC2430/CC2431参考设计可提供+10dBm的输出功率。第七页，共68页。第10章ZigBee硬件平台采用该核心，可以实现0.25米的定位分辨率和3米左右的定位精度，这个精度已经大大高于卫星定位的精度，定位时间小于40微秒。采用CC2431组成定位系统，需要有最少3个参考节点组成一个无线定位网络。CC2430/CC2431芯片采用7mm×7mmQLP封装，共有48个引脚(如图10-2所示)。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。CC2430片上系统的功能模块集成了CC2420RF收发器、增强工业标准。第八页，共68页。第10章ZigBee硬件平台第九页，共68页。第10章ZigBee硬件平台1.I/O端口线引脚功能CC2430/CC2431有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。I/O口有下面的关键特性：■可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用。■在输入时有上拉和下拉能力。■全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。1～6脚（P1_2～P1_7）：具有4mA输出驱动能力。8～9脚（P1_0～P1_1）：具有20mA的驱动能力。11～18脚（P0_0～P0_7）：具有4mA输出驱动能力。43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4mA输出驱动能力。第十页，共68页。第10章ZigBee硬件平台2．电源线引脚功能7脚（DVDD）：为I/O提供2.0～3.6V工作电压。20脚（AVDD_SOC）：为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。23脚（AVDD_RREG）：为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。24脚（RREG_OUT）：为25，27～31，35～40引脚端口提供1.8V的稳定电压。25脚(AVDD_IF1)：为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供1.8V电压。27脚（AVDD_CHP）：为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8V电压。28脚（VCO_GUARD）：VCO屏蔽电路的报警连接端口。29脚（AVDD_VCO）：为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8V电压。30脚（AVDD_PRE）：为预定标器、Div2和LO缓冲器提供1.8V的电压。第十一页，共68页。第10章ZigBee硬件平台31脚（AVDD_RF1）：为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8V的电压。33脚（TXRX_SWITCH）：为PA提供调整电压。35脚（AVDD_SW）：为LNA/PA交换电路提供1.8V电压。36脚（AVDD_RF2）：为接收和发射混频器提供1.8V电压。37脚（AVDD_IF2）：为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8V电压。38脚（AVDD_ADC）：为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8V电压。39脚（DVDD_ADC）：为ADC的数字电路部分提供1.8V电压。40脚（AVDD_DGUARD）：为隔离数字噪声电路连接电压。41脚（AVDD_DREG）：向电压调节器核心提供2.0～3.6V电压。42脚（DCOUPL）：提供1.8V的去耦电压，此电压不为外电路所使用。47脚（DVDD）：为I/O端口提供2.0～3.6V的电压。第十二页，共68页。第10章ZigBee硬件平台3．控制线引脚功能10脚（RESET_N）：复位引脚，低电平有效。19脚（XOSC_Q2）：32MHz的晶振引脚2。21脚（XOSC_Q1）：32MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。22脚（RBIAS1）：为参考电流提供精确的偏置电阻。26脚（RBIAS2）：提供精确电阻，43kΩ，±1%。32脚（RF_P）：在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。34脚（RF_N）：在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。43脚(P2_4/XOSC_Q2)：32.768kHzXOSC的2.3端口。44脚(P2_4/XOSC_Q1)：32.768kHzXOSC的2.4端口。第十三页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.4SOC无线CC2430之8051的CPU介绍10.4.1简介CC2430/CC2431集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHzRC振荡器。CC2430/CC2431的8051内核的目标代码兼容标准8051的微处器。换句话说,CC2430/CC2431的8051目标码与标准8051完全兼容，可以使用标准8051的汇编器和编译器进行软件开发，所有的CC2430/CC2431的8051指令在目标码和功能上与同类的标准的8051产品完全等价。第十四页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.4.1简介CC2430/CC2431也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430/CC2431，以支持IEEE802.15.4MAC安全所需的（128位关键字）AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。CC2430/CC2431增强型8051内核使用标准8051指令集，具有8倍的标准8051内核的性能。这是因为：（1)每个时钟周期为一个机器周期而标准8051中是12个时钟周期为一个机器周期。（2)除去被浪费掉的总线状态的方式。CC2430/CC2431包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。32k、64k或128k字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。第十五页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.4.2存储器8051CPU有4个不同的存储空间：■代码（CODE）：16位只读存储空间，用于程序存储（如图10-3所示）。■数据（DATA）：8位可存取存储空间，可以直接或间接被单个的CPU指令访问。该空间的低128字节可以直接或间接访问，而高128字节只能够间接访问。■外部数据(XDATA)：l6位可存取存储空间，通常需要4～5个CPU指令周期来访问（如图10-4所示）。■特殊功能寄存器(SFR)：7位可存取寄存器存储空间，可以被单个的CPU指令访问。第十六页，共68页。第10章ZigBee硬件平台第十七页，共68页。第10章ZigBee硬件平台第十八页，共68页。第10章ZigBee硬件平台1．存储器映射图与标准8051存储器映射图不同之处有两个方面：（1）为了使得DMA控制器访问全部物理存储空间，全部物理存储器都映射到XDATA存储率间；（2）代码存储器空间可以选择，因此全部物理存储器可以通过使用代码存储器空间的统一映射，映射到代码空间。第十九页，共68页。第10章ZigBee硬件平台2．存储器空间（1）外部数据存储器空间对于大于32KB闪存的芯片，最低的55KB闪存程序存储器映射到地址0x0000~0xDEFF；而对于32KB闪存的芯片，32KB闪存映射到地址0x0000～0x7FFF。所有的芯片，其8KBSRAM都映射到地址0xE000～0xFFFF，而特殊功能寄存器的地址范围是0xDF00～0xDFFF。这样多就允许DMA控制器和CPU在一个统一的地址空间对所有物理存储器进行存取操作。（2）代码存储器空间对于物理存储器空间，代码(CODE)存储器空间既可以使用统一映射，又可以使用非统一映射。代码存储器空间的统一映射类似外部存储器空间的统一映射。对于大于32KB的闪存存储器，在采用统一映射时，其最低端的55KB闪存映射到代码存储器空间。这与外部存储器空间的映射类似。8KBSRAM包括在代码地址空间之内，从而允许程序的运行可以超出SRAM的范围。第二十页，共68页。第10章ZigBee硬件平台（3）数据存储器空间数据(DATA)存储器的8位地址，映射到8KBSRAM的高端256字节。在这个范围中，也可以对地址范围为0xFF00～0xFFFF的代码空间和外部数据空间进行存取。（4）特殊功能寄存器空间特殊功能寄存器(SFR)可以对具有128个入口的硬件寄存器进行存取，也可以对地址范围为0xDF80～0xDFFF的XDATA/DMA进行存取。第二十一页，共68页。第10章ZigBee硬件平台3．数据指针CC2430有2个数据指针(DPTRO和DPTRl)，主要用于代码和外部数据的存取。例如：MOVCA，@A+DPTRMOVA，@DPTR数据指针选择位是第O位。如表10-1所列，在数据指针中，通过设置寄存器DPS(0x92)就可以选择哪个指针在指令执行时有效。两个数据指针的宽度均为两个字节，存在于特殊功能寄存器之中，详细描述如表10-2所列。第二十二页，共68页。第10章ZigBee硬件平台位名称复位读/写描述7:1—0x00R0不使用0DPS0R/W数据指针选择，用来使选中的数据指针有效0：DPTR01:DPTR1位名称复位读/写描述DPH0(0x83)­­——DPTR0的高位字节7:0DPH0[7:0]0R/W数据指针0，高位字节DPL0(0x82)­­——DPTR0的低位字节7:0DPL0[7:0]0R/W数据指针0，低位字节DPH1(0x85)­­——DPTR1的高位字节7:0DPH1[7:0]0R/W数据指针1，高位字节DPL1(0x84)­­——DPTR1的低位字节7:0DPL1[7:0]0R/W数据指针1，低位字节第二十三页，共68页。第10章ZigBee硬件平台4．外部数据存储器存取CC2430提供一个附加的特殊功能寄存器MPAGE(0x93)，详细描述见表10-3。该寄存器在执行指令“MOVXA.，@Ri"和"MOVX@R，A"时使用。MPAGE给出高8位的地址，而寄存器Ri给出低8位的地址。位名称复位读/写描述7:0MPAGE[7:0]0x00R/W存储器页，执行MOVX指令时地址的高位字节第二十四页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.4.3特殊功能寄存器特殊功能寄存器(SFR)用于控制8051CPU核心和外部设备。一部分8051CPU核心寄存器与标准8051特殊功能寄存器的功能相同；另一部分寄存器不同于标准8051特殊寄存器。它们用来与外部设备单元接口，以及控制RF收发器。特殊功能寄存器控制CC2430/CC2431的8051内核以及外设的各种重要的功能。大部分的CC2430/CC2431特殊功能寄存器与标准的8051特殊功能寄存器功能相同，少部分与标准8051的不同。不同的特殊功能寄存器主要是用于控制外设以及射频发射。表10-4介绍所有的特殊功能寄存器的地址。大写字母的为CC2430/CC2431的特殊功能寄存器，小写字母为标准8051的特殊功能寄存器。第二十五页，共68页。第10章ZigBee硬件平台第二十六页，共68页。第10章ZigBee硬件平台分别介绍CC2430/CC2431的8051内核内在寄存器。1.R0-R72.程序状态字PSW3.ACC累加器4.B寄存器5.堆栈指针SP6.CPU寄存器和指令集第二十七页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.5CC2410/CC2431主要外部设备10.5.1I/O端口I/O每个引脚通过独立编程能作为数字输入或数字输出，还可以通过软件设置改变引脚的输入输出硬件状态配置和硬件功能配置。在应用I/O端口前需要通过不同的特殊功能寄存器对它进行配置。CC2430/CC2431包括三个8位输入输出端口，分别是P0，P1，P2。P0以及P1有8个引脚，P2有5个引脚，总共就是21个数字I/O引脚。这些引脚都可以用作于通过的I/O端口，同时，通过独立编程还可以作为特殊功能的输入/输出，通过软件设置还可以改变引脚的输入输出硬件状态配置。因此，这21个I/O引脚具有以下功能：①数字输入输出引脚；②通用I/O或外设I/O；③弱上拉输入或推拉输出；④外部中断源输入口。21个I/O引脚都可以用作于外部中断源输入口，因此如果需要外部设备可以产生中断。外部中断功能也可以映醒睡眼模式。第二十八页，共68页。第10章ZigBee硬件平台1．通用I/O当用作通用I/O时，引脚可以组成3个8位口(口O～2)，定义为PO、P1和P2。其中，P0和P1是完全的8位口，而P2仅有5位可用。所有的口均可以位寻址，或通过特殊功能寄存器由P0、P1和P2字节寻址。每个口都可以单独设置为通用I/O或外部设备I/O。除了两个高输出口P1_0和P1_1之外，所有的口用于输出，均具备4mA的驱动能力；而Pl_0和P1_1具备20mA的驱动能力。第二十九页，共68页。第10章ZigBee硬件平台2．通用I/O中断通用I/O引脚设置为输入后，可以用于产生中断。中断可以设置在外部信号的上升或下降沿触发。每个PO、P1或P2口的各位都可以中断使能，整个口中所有的位也可以中断使能。P0、P1、P2口对应的寄存器为IENl和IEN2：■IENIP0IE：P0中断使能；■IEN2PIIE：Pl中断使能；■IEN2P2IE：P2中断使能。除了所有的位中断使能之外，每个口的各位都可以通过位于I/O口的特殊功能寄存器实现中断使能。Pl中的每一位都可以单独使能，P0中的低4位或高4位可以各自使能，P2_0~P2_4可以共同使能。用于中断的I/O特殊功能寄存器，其中断功能如下：■PIIEN：P1中断使能；■P0FG：P0中断标志；■PICTL：P0/P2中断使能，P0~P2中断触发沿设置；■PIIFG：P1中断标志；■P2IFG：P2中断标志。第三十页，共68页。第10章ZigBee硬件平台3．通用I/0DMA当用作通用I/O引脚时，每个P0和P2口都关联一个DMA触发。对于PO中的任何一个引脚，当输入传送发生时，DMA的触发为IOC_O同样。，对于P1中的任何一个引脚，当输入传送发生时，DMA的触发为IOC_1。4．外部设备I/O数字I/O引脚可以配置为外部设备I/O。通常选择数字I/O引脚上的外部设备I/0功能，需要将对应的寄存器位PxSEL置1。注意，该外部设备具有两个可以选择的位置对应它们的I/O引脚。外部设备I/O引脚映射参见表1-12。USART0SFR寄存器位PERCFG。U0CFG选择计数器上I/O的位置，确定是位置1或者位置2个口将设置为模拟模式。第三十一页，共68页。第10章ZigBee硬件平台5．未使用的引脚未使用的引脚应当定义电平，而不能悬空。一种方法是：该引脚不连接任何元器件，将其配置为具有上拉电阻器的通用输入口。这也是所有的引脚在复位期间的状态。这些引脚也可以配置为通用输出口。为了避免额外的能耗，无论引脚配置为输入口还是输出口，都不可以直接与VDD或者GND连接。6．I/O寄存器I/O寄存器有19个，分别是：P0(口O)、P1(口1)、P2(口2)、PERCFG(外部设备控制寄存器)、ADCCFG(ADC输入配置寄存器)、POSEI。(口O功能选择寄存器)、.PISEt。(口1功能选择寄存器)、P2SEI。(口2功能选择寄存器)、PODIR(口O方向寄存器)、PIDIR。(口1方向寄存器)、P2DIR(口2方向寄存器)、POINP(口O输入模式寄存器)、PIINP(口l输入模式寄存器)、P2INP(口2输入模式寄存器)、POIFG-(口O中断状态标志寄存器)、PIlFG(口1中断状态标志寄存器)、P2IFG(口2中断状态标志寄存器)、P=l[CTL(口中断控制寄存器)，以及PI!EN(口1中断屏蔽寄存器)。第三十二页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.5.2DMA控制器CC2430内置一个存储器直接存取(DMA)控制器。该控制器可以用来减轻8051CPU核传送数据时的负担，实现CC2430在高效利用电源的条件下的高性能。只需要CPU极少的干预，DMA控制器就可以将数据从ADC或RF收发器传送到存储器。DMA控制器匹配所有的DMA传送，确保DMA请求和CPU存取之间按照优先等级协调、合理地进行。DMA控制器含有若干可编程设置的DMA信道，用来实现存储器一存储器的数据传送。DMA控制器控制数据传送超过整个外部数据存储器空间。由于SFR寄存器映射到DMA存储器空间，使得DMA信道的操作能够减轻CPU的负担。例如，从存储器传送数据到USART，按照定下来的周期在ADC和存储器之间传送数据；通过从存储器中传送一组参数到I/O口的输出寄存器，产生需要得到的I/O波形。使用DMA可以保持CUP在休眠(即低能耗模式下)与外部设备之闻传送数据，这就降低了整个系统的能耗。第三十三页，共68页。第10章ZigBee硬件平台DMA控制器的主要性能如下：■5个独立的DMA信道■3个可以配置的DMA信道优先级；■31个可以配置的传送触发事件；■源地址和目标地址的独立控制；■3种传送模式：单独传送、数据块传送和重复传送；■支持数据从可变长域传送到固定长度域；■既可以工作在字(word-size)模式，又可以工作在字节(byte-size)模式。第三十四页，共68页。第10章ZigBee硬件平台1．DMA操作DMA控制器有5个信道，即DMA信道0～4。每个DMA信道能够从DMA.存储器空间传送数据到外部数据(XDATA)空间。DMA操作流程如图10-5所示。当DMA信道配置完毕后，在允许任何传送初始化之前，必须进入工作状态。DMA信道通过将DMA信道工作状态寄存器中指定位(即DMAARM)置1，就可以进入工作状态。一旦DMA.信道进入工作状态，当设定的DMA.触发事件发生时，传送就开始了。可能的DMA.触发事件有31个，例如UARS、传送、计数器溢出等。为了通过DMA触发事件开始DMA传送，用户软件可以设置对应的DMAREQ位，使DMA传送开始。第三十五页，共68页。第10章ZigBee硬件平台2．MAC定时/计数器CC2430/CC2431包括四个定时器：一个一般的16位(Timer1)和两个8位(Timer3,4)定时器，支持典型的定时/计数功能，例如测量时间间隔，对外部事件计数，产生周期性中断请求，输入捕捉、比较输出和PWM功能。一个16位MAC定时器(Timer2)，用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4的MAC层提供定时。由于三个一般定时器与普通的8051定时器相差不大，下面我们来重点看看MAC定时器(Timer2)。MAC定时器主要用于为802.15.4的CSMA-CA算法提供定时/计数和802.15.4的MAC层的普通定时。如果MAC定时器与睡眼定时器一起使用，当系统进入低功耗模块时，而MAC定时器将提供定时功能。当系统进入和退出低功耗模式之间，使用睡眼定时器设置周期。第三十六页，共68页。第10章ZigBee硬件平台MAC定时器的主要特征：■16位定时/计数器提供的符码/帧周期为：16μs/320μs。■可变周期可精确到31.25ns。■8位计时比较功能。■20位溢出计数。■20位溢出计数比较功能。■帧首定界符捕捉功能。■定时器启动/停止同步于外部32.768MHz时钟以及由睡眼定时器提供定时。■比较和溢出产生中断。■具有DMA功能。第三十七页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.5.3AES(高级加密标准)协处理器CC2430数据加密是由支持高级加密标准的协处理器完成的。正是由于有了.AES协处理器的加密/解密操作，极大地减轻了CC2430内置CPU的负担。AES协处理器具有下列特性：■支持IEEE802.15.4的全部安全机制。■ECB(电子编码加密)、CBC(密码防护链)、CBF(密码反馈)、OFB(输出反馈加密)、CTR(计数模式加密)_和CBC～MAC(密码防护链消息验证代码)模式。■硬件支持CCM(CTR+CBC-MAC)模式。■128位密钥和初始化向量(IV)/当前时间(Nonce)。■DMA传送触发能力。第三十八页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.5.3AES(高级加密标准)协处理器CC2430数据加密是由支持高级加密标准的协处理器完成的。正是由于有了.AES协处理器的加密/解密操作，极大地减轻了CC2430内置CPU的负担。AES协处理器具有下列特性：■支持IEEE802.15.4的全部安全机制。■ECB(电子编码加密)、CBC(密码防护链)、CBF(密码反馈)、OFB(输出反馈加密)、CTR(计数模式加密)_和CBC～MAC(密码防护链消息验证代码)模式。■硬件支持CCM(CTR+CBC-MAC)模式。■128位密钥和初始化向量(IV)/当前时间(Nonce)。■DMA传送触发能力。1．AES操作2．密钥和初始化向量3．填充输入数据4．CPU接口5．操作模式第三十九页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.6无线模块一个基于802.15.4的CC2430/CC2431无线收发模块如图10-10所示。无线核心部分是一个CC2420射频收发器。第四十页，共68页。第10章ZigBee硬件平台CC2430/CC2431的无线接收器是一个低中频的接收器。接收到的射频信号通过低噪声放大器放大而正交降频转换到中频。在中频2MHz中，当ADC模数转换时，输入/正义调相信号被过滤和放大。CC2430/CC2431的数据缓冲区通过先进先出(FIFO)的方式来接收128位数据。使用先进先出读取数据需要通过特殊功能寄存器接口。内存与先进先出缓冲区数据移动使用DMA方式来实现。CRC校验使用硬件实现。接收信号强度指标(RSSI)和相关值添加到帧中。在接收模式中可以用中断来使用清除通道评估(CCA)。CC2430/CC2431的发送器是基于上变频器。接收数据存放在一个接收先进先出(区别于发送先进先出)的数据缓冲区内。发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。通过数模转换把数字信号转换成模拟信号发送出去。第四十一页，共68页。第10章ZigBee硬件平台CC2430/CC2431无线部分主要参数以下：■工作频带范围：2.400-2.4835GHz；■采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；■数据速率达250kbps，碎片速率达2Mchip/s；■采用O-QPSK调制方式；■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以及电源稳压器；■采用低电压供电(2.1-3.6V)；■输出功率编程可控；■IEEE802.15.4MAC硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、10bit的CRC校验、电源检测、完全自动MAC层保护(CTR，CBC-MAC，CCM)。第四十二页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.6.1IEEE802.15.4调制方式IEEE802.15.4的数字高频调制使用2.4G直接序列扩频（DSSS）技术。扩展调制功能如图10-11所示。在调制前需要将数据信号进行转换处理，每个字节分为两组符号，4位一组，低位符号首先传送。对于多字节域，是低位字节首先传送。每个符号映射到一个超过l6位的伪随机序列，即32位片码序列。片码序列以2Mchip/s的速率传送。对于每个符号首先传送低位片码C。图10-11调制和扩展功能调制方式为偏移正交相移键控(O-QPSK)，具有半正弦片的形状，相当于最小相位频移键控(MSK)。每片的形状如同半个正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道传送。每个信道占用半个片码偏移周期，参见图10-12。第四十三页，共68页。第10章ZigBee硬件平台第四十四页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.6.2接收模式在接收模式中，当帧开始定界符SFD全部收到之后，中断标志RFIF。IRQ_SFD置1，而且发出RF中断请求。如果地址识别已经禁止或者已经获得成功，则RFSTATUS。SFD位清。当RXF!FO中有数据时，RFSTATUS.FIFO置l。存放在RXFIFO审的第一小字节是收到的帧长度所在域。也就是说，当长度域写入RXFIFO时，RFSTATUS.FIFo置1.在RXFIFO变空之前，RFSTATUS。FIFO一直置高。RF寄存器RXFIFOCNT存放当前；RXFIFO中的字节的数量。当RXFIFO中未读过的字节超过编程设置在IOCFG0。FIFOP_THR中的阈值时，RFSTATUS.FIFOP置l；而当地址识别使能时，除非收到的帧通过地址识别，否则，即使RXFIFO中的字节超过编程设置的阈值，RFSTATUS。FIFOP也；不会置1.第四十五页，共68页。第10章ZigBee硬件平台当收到新的包中最后一个字节时，即使RXFIFO中的字节没有超过阈值，RFSTATUS。FIFOP也会置1。一旦读出RXFIFO一个字节，RFSTATUS。FIFOP就立即清0。当地址识别使能时，如果地址没有全部收到，则数据不能够从RXFIFO读出。这是由于如果地址识别失败，接收帧就会被CC2430自动清除。由于RFSTATUS。FIFOP只有接收帧通过地址识别才会置1，可以利用这项功能来控制数据的读出。图为一个实例。该实例表明从RXFIFO中读一个包时状态位的活动情况。包的尺寸是8字节，IOCFGO。FIFOP_THR=3，MODEMCTRL0。AUTOCRC置1，数据长度是8字节。图中，在接收包期间，RSSI存放RSSI电平的平均值；FCS/Corr存放FCS信息的校验结果及相互关系。第四十六页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.6.3发送测试模式为了实现性能评估，CC243O可以设置成为不同的发送测试模式。测试模式首先需要芯片复位，使用选通命令SXOSCON使能晶体振荡器，让其稳定运行。1.未调制的载波2.己调制的频谱第四十七页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.6.4CSMA-CA/选通处理器在CC2430中，CSMA-CA/命令选通处理器(CSP)提供CPU。和无线模块之间的控制接口。CSP通过SFR寄存器RFST、以及RF寄存器CSPX、CSPY、CSPZ、CSP7、和CSPCTRL与CPU接口。CSP向CPU发出中断请求。除此之外，CSP与MAC计数器接口，接收MAC计数器溢出事件。CSP允许CPU对无线模块发布选通命令，从而控制无线模块的运行。CSP具体描述参考有关文献。CSP有两种操作模式：■直接选通命令执行模式：直接将命令写给CSP，CSP立即下达给无线模块。该模式中的直接选通命令仅用于控制CSP。■程序执行模式：CSP执行用户定义的短程序。该短程序存储在程序存储器(即指令储器)之中。CC2430运行时，该短程序首先由CPU装入CSP，然后CPU‘指示CSP开始执行。■程序执行模式与MAC计数器允许CSP自动进行CSMA-CA.运算。这样，CSP就成为CPU的一个协处理器。下面介绍CSP操作的详细情况。1．指令存储器2．数据寄存器3．程序运行4．中断请求5．随机数指令6．运行CSP程序7.程序实例第四十八页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.7CC2430/CC2431所涉及无线通信技术10.7.1清洁信道评估CCA10.7.2无线直接频谱技术DSSS10.7.3载波侦听多点接入/冲突检测CSMA/CA第四十九页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.7.1清洁信道评估CCA在ZigBee物理层中可通过如下3种方法来进行清洁信道评估(CCA)：（1）超出阈值的能量：当CCA检测到一个超出能量检测的阈值能量时，给出一个忙的信息。（2）载波判断：当CCA检测到一个具有IEEE802.15.4标准特性的扩展调制信号时，给出一个忙的信息。（3）带有超出阈值能量的载波判断，当CCA检测到一个具有IEEE802.15.4标准特性，并超出阈值能量的扩展调制信号时，给出一个忙的信息。对于上述模式中的任何一种CCA模式，如果物理层正在接收一个物理层协议数据单元时，收到PLME-CCA请求时，CCA也给出一个忙的信息。在ZigBee设备中，在帧定界符检测后，才考虑接物理层协议数据单元。对于帧定界符的检测时间为检测到物理层包头的8比特(bit)组数据为止。第五十页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.7.2无线直接频谱技术DSSS1．直接序列扩频通讯的优点2．直接序列扩频通信技术特点（1）抗干扰性强（2）隐蔽性好（3）易于实现码分多址（CDMA）（4）抗多径干扰（5）直扩通信速率高3．直接序列扩频系统的处理增益4．直接序列扩频技术和多径问题5．直接序列扩频与窄带相比的优点第五十一页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.7.2无线直接频谱技术DSSSCC2430/CC2431数字高频部分，采用了直接序列扩频（DSSS）技术，不仅能够非常方便的实现802.15.4短距离无线通讯标准兼容，而且大大提高了无线通讯的可靠性。下面，就简单介绍直接序列扩频（DSSS）的原理。直接序列扩频DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum）是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种数字调制方法，具体说，就是将信源与一定的PN码（伪噪声码）进行模二加。直接序列扩频技术通过将射频载波和伪噪声（PN）数字信号有效地相乘来执行数据处理。首先，它通过相应的调制手段（如：BPSK、QPSK、QAM等）将PN码调制到信息信号上。然后，用一个双重平衡混频器将射频载波和经PN码调制的信息信号相乘。第五十二页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.7.3载波侦听多点接入/冲突检测CSMA/CA总线型局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD，即载波侦听多点接入/冲突检测（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此802.15全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA（withCollisionAvoidance）。一方面，载波侦听查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。不仅如此，为了系统更加稳固，802.15还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。第五十三页，共68页。第10章ZigBee硬件平台在IEEE802.15.4CSMA/CA算法中,CSMA/CA算法是用于节点问数据传输时的信道争用机制，此算法中有三个重要的参数由每个要传送数据的设备去维护：Nb、CW和BE。Nb(后退次数，NumberOfBack)：Nb的初始值为0，当设备有数据要传送时，经过一段后退时间后，发送CCA检测，若检测到信道忙，则会再一次产生倒退时间，此时Nb值会加1，在IEEE802.15.4中，Nb值最大定义为4，当信道在经过4次的后退延迟时间后仍为忙，刚放弃此次的传送，以避免过大开销。CW(碰撞窗口的长度，contentwindowlength)：也就是后退延迟时间的长度，单位是Backoff，一个后退周期的定义在MACPIB中由参数aUnitBackofPeriod给出，为20symbol的时间。CW的初始值为2，最大值为31。BE(后退指数，Backoffexponent)：取值范围为0～5，15.4推荐的默认值为3，最大值为5。当BE设为0时，则只进行一次碰撞检测。在IEEE802.15.4中，失败的次数(重传)最多3次。图10-17是CSMA／CA算法流程；其中在步骤(3)是完成CCA的部分。第五十四页，共68页。第10章ZigBee硬件平台第五十五页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.8CC2431无线定位引擎介绍CC2431与CC2430的最重要其它在于CC2431具有一个无线定位跟踪引擎，而CC2430没有。除了这个定位引擎外，CC2430与CC2431功能完全一样。CC2431的定位引擎用于计算无线网络中定位节点的位置。在CC2431组成的无线定位网络中，包括参考节点、定位节点以及网关三大部分。其中网关作用相当于ZigBee的协调器，负责整个定位无线网络服务、协调。参考节点为已知位置的节点，并且其物理位置是固定不变的。定位节点为移动节点，其位置是随时变化的，具体位置由CC2431的定位引擎通过接受参考节点的RSSI值经过定位算法计算而得到。在CC2431无线网络定位系统中，定位精度与参考节点数量有关，一般而言，参考节点越多，定位精度越高。第五十六页，共68页。第10章ZigBee硬件平台CC2431无线定位引擎有如下主要特点：■3-8个参考节点参与定位计算；■最高定位精度可达0.5米；■定位节点响应时间少于40μs；■定位区域为64X64米；■定位误差小于3米；■硬件定位计算，消耗非常少CPU资源。第五十七页，共68页。第10章ZigBee硬件平台CC2431定位引擎定位操作过程，从图中可以看定位节点(移动节点)会首先读取所有参考节点的坐标(X、Y)值，然后再读取其它标准参数(A值，N值，RSSI值)。其中A值为距离发射机(CC2430/CC2431)1米远的RSSI绝对值，N值为距离发射机每增加1米衰减的RSSI绝对值，RSSI为CC2430/CC2431信号强度，单位为dBm。当CC2431把所有必要的参考读取后，就开始定位计算，然后输出定位节点的定位坐标。第五十八页，共68页。第10章ZigBee硬件平台第五十九页，共68页。第10章ZigBee硬件平台10.9基于CC2430/2431的ZigBee硬件平台10.9.1扩展表演板硬件描述图10-19展示了CC2430扩展表演板的主要部分。在开发系统中扩展表演板提供了一个开发平台完成CC2430功能测