毕业论文短距离无线通信模块开发

PAGE21分类号：TP408UDC：D10621-408-(2011)1019-0密级：公开编号：2007101191成都信息工程学院学位论文短距离无线通信模块开发论文作者姓名：申请学位专业：通信工程申请学位类别：工学学士论文提交日期：2011年06月3日短距离无线通信模块开发摘要目前移动通信发展很快。现有的GMS/NCDMA等技术正迅速地发展，第三代移动通信系统（3G）也已经提上了日程，并很快投入商用。也些技术可以实现远距离的通信。但是是人们也许没有注意到，在相距飓尺的地方同样也需要无线通信。因此，低价位、底功耗、可替代电缆的无线数据通信被越来越多的需要。本设计的目的主要实现较小区域内的无线通信，为选取最优技术本论文对目前使用较广泛的蓝牙、802.11(WiFi)、ZIGBEE和IrDA技术分别进行了阐述和比较,比较了他们技术上的异同点,讨论了在选择、使用这些技术时应注意的问题，通过方案对比，考虑到ZIGBEE具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、数据安全、工作频段灵活、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠等优点，最终选择ZIGBEE方式，本模块是以CC2430芯片为核心，经过实际验证，该无线模块实现了无线通信的功能，达到了预期的效果。关键词：短距离无线通信；ZIGBEE；CC2430；IEEE802.15.4标准Short-rangewirelesscommunicationmoduledevelopmentAbstractThecurrentmobilecommunicationdevelopsveryquickly.TheexistingGMS/NCDMAtechnologyarethriving,thirdgenerationmobilecommunicationsystem(3G)hasalsoputontheagenda,andsooncommerciallyavailable.Alsosometechnologycanachievelongdistancecommunication.Butpeoplemaynotnotice,inplaceofgenerallyfeetapartalsoneedtowirelesscommunications.Therefore,lowprice,bottompowerconsumptionandalternativecableswirelessdatacommunicationismoreandmoreneeds.Thepurposeofthisdesignwithinthesmallareamainlyrealizethewirelesscommunication,andtochoosetheoptimaltechnicalthispaperusedmorewidelypresentbluetooth,802.11(WiFi),zigbeeandIrDAtechnologyisdiscussedandcomparedrespectively,comparesthedifferencesandsimilaritiesintheirtechnology,discussedinselecting,usingthesetechniquesproblemsshouldbepaidattentionto,throughtheschemecontrast,consideringzigbeewithlowpowerconsumption,lowcost,networkcapacity,delayshort,datasecurity,flexible,networkworkingbandtheself-organizing,self-healingcapability,communicationandreliable,finallychoosingthismoduleiszigbeeway,CC2430chipsasthecore,throughactualverification,thewirelessmodulerealizedwirelesscommunicationfunction,achievetheexpectedeffect.Keywords:Short-rangewirelesscommunication;ZIGBEE;CC2430;IEEE802.15.4.第21页共31页 目录论文总页数：31页1. 引言 11.1. 本课题研究的意义 11.2. 本课题的研究方法 21.3. 论文安排 22. 短距离无线通信模块总体设计 22.1. 几种常用的无线技术标准及对比 22.1.1. 蓝牙简介 32.1.2. 802.11(Wi-Fi) 32.1.3. IrDA 42.1.4. ZIGBEE 52.2. 四种主要的ZIGBEE实现方案 62.2.1. MCU和RF收发器分离的双芯片方案 62.2.2. 集成RF和MCU的单芯片方案 62.2.3. 基于FPGA的方案 62.2.4. 自己设计收发电路方案 72.3. ZIGBEE协议体系结构 72.3.1. IEEE802.15.4标准 72.3.2. ZIGBEE协议栈 82.3.3. 网络层关键技术 82.4. 基于ZIGBEE的短距离通信模块的总体设计 93. 硬件部分设计 93.1. CC2430介绍 93.2. CC2430无线模块最小系统设计 133.2.1. 复位电路 133.2.2. 串口通信电路 133.2.3. 时钟电路 143.2.4. 电源管理电路 143.2.5. JTAG接口电路及I/0电路 154. 硬件测试部分设计 164.1. 串口电路测试 164.2. 两模块点对点通信测试 175. 本次设计的不足及改进方式 20结论 20参考文献 20致谢 21声明 22附录 23引言课题背景工业应用中，现阶段基本上都是以有线的方式进行连接，实现各种控制功能。各种总线技术，局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便利。有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际应用中也达到了比较满意的效果。但随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。而同时有线网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移动等缺点越发突出。在向往自由和希望随时随地进行通信的今天，人们把目光转向了无线通信方式。本课题研究的意义随着Internet的飞速发展，从WAN到MAN，再到LAN，PAN，这些技术已逐渐成熟。目前，各类网络中最具增长潜力的是无线网络，许多机构会选择采用无线局域网（WLAN）来拓展他们的现有网络，获得在机构区域内部移动接入网络的能力。怎样不通过电缆，摆脱物理连接上的限制，使设备互联起来呢？为了找到这个问题的答案，现研究短距离无线通信的一个方面，通过对比各种技术，采取当前发展潜力较大的zigbee作为研究方向，能使短距离无线通信技术更大部分的应用在生活中。同时，对身边层出不穷的无线通信产品也有相应的了解。相信通过这次的课题设计可以获得更多的专业知识，也希望能将自己了解的短距离无线通信技术合理利用在生产生活的各个方面。本课题的研究方法首先，对短距离无线通信知识有总体的了解，知道短距离无线通信技术包括蓝牙、WiFi、zigbee、IrDA等方面。其次，逐步了解四种技术的优缺点，哪方面具优势，从而挑选出合适的进行研究。然后进行方案可行性分析，方案总体设计，方案模块化设计，硬件设计，硬件测试，软件设计，软件测试，分析实验效果。论文安排根据对短距离无线通信的认知研究过程进行论文的安排。首先对比四种基本的短距离无线通信的方式选择ZIGBEE方式进行研究。针对ZIGBEE标准，得出四种可行方案，最终选择集成RFIC和MCU单芯片方案，芯片选择CC2430。。其次，对短距离无线通信模块做总体设计。为了实现无线数据模块的硬件基础架构，将硬件设计分为CC2430无线模块最小系统及外围电路，最小系统电路包括复位电路、串口通信电路、时钟电路、电源管理电路、JTAG接口电路及I/O引脚电路，外围电路设计包括键盘电路和数码管显示电路。硬件测试部分选择较简单的测试程序，需进行对电源、串口电路、晶振电路及两模块点对点通信的测试。最后，经过制版、调试和对硬件电路测试，通过效果显示找出硬件设计不足，从而加以改进。短距离无线通信模块总体设计几种常用的无线技术标准及对比表1几种无线通信标准介绍：市场名标准GPRS/GSM1xRTT/CDMAWi-Fi802.11bBluetooth802.15.1ZigBee802.15.4应用重点广范围声音&数据Web，Email，图像电缆替代品监测&控制系统资源16MB+1MB+250KB+4KB-32KB电池寿命（天）1至70.5至51至7100-1000+网络大小1327255/65,000带宽（KB/s）64-128+11,000+72020-250传输距离1,000+1-1001-10+1-100+成功尺寸覆盖面大，质量速度，灵活性价格便宜，方便可靠，低功耗，价格便宜表格对几种常见无线标准进行了对比，可以看出每种无线标准有自己的特点，通过对比，可以选择功耗较低，可靠稳定性较好的芯片进行研究。蓝牙简介蓝牙技术主要是面向家庭或企业网络环境中各种电子产品，针对话音和数据的短距离射频连接技术。蓝牙无线电运行在2.4GHZISM频段。无需申请许可证，能在全球通用。蓝牙技术是一种低成本、短距离无线连接技术，收发器很小，可以方便嵌入到设备中[1]。蓝牙系统可以实现点对点连接也可以实现一点对多点连接。在一点对多点连接的情况下，信道由几个蓝牙单元分享。蓝牙的设备功耗相对较高，且网络节点只有七个，相对zigbee的65535个节点少很多，蓝牙的传输距离最远可达10m，传输距离很短。蓝牙的实现成本也比较高，只能实现语音、图像传输。蓝牙技术的应用主要有以下3类：（1）语音／数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的联接。（2）外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。（3）个人局域网（PAN）如图1所示，主要用于个人网络与信息的共享与交换。蓝牙在个人局域网中获得了很大的成功，应用包括无绳电话，PDA与计算机的互联，笔记本电脑与手机的互联，以及无线RS232，RS485接口等。采用蓝牙技术的设备使用方便，可自由移动。与无线局域网相比，蓝牙无线系统更小、更轻薄，成本及功耗更低，信号的抗干扰能力强。IBM、索尼和东芝等公司已经推出同时支持蓝牙和802．11b的笔记本电脑。微软也表示，一旦支持蓝牙的外围设备开始问世，出现了足够多的设备驱动程序，他将在WindowsXP中增加对蓝牙的支持。韩国和台湾的许多公司也利用其在手机、电脑开发制造上的优势，积极介入蓝牙技术的研发，并不断有产。802.11(Wi-Fi)Wi-Fi(WirelessFidelity,无线高保真）也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802．11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术.Wi-Fi速率最高可达11Mb／s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大楼也可使用。802．11a标准还没有被工业界广泛接受。他工作在5GHz频率范围，传输速率54Mb／s，使用正交频分多路复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）调制技术，比802．11b采用的补码键控（ComplementaryCodeKeying，CCK）调制方案快，但他不向后兼容802．11b。Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mb／s的速度接入Web。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享,Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。Wi-Fi技术的最具诱惑力的方面在于将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来之后，可以大幅度减少企业的IT成本。例如，许多企业选择在每一层楼或每一个部门配备802．11b的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO（SmallOfficeHomeOffice，在家办公）、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。由于投资802．11b的费用降低，许多厂商介入这一领域。Intel推出了集成WLAN技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网。国内的联想、清华同方、方正等公司都推出无线网卡等无线网络解决方案。更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。速度更快的802．11g使用与802．11b相同的正交频分多路复用调制技术。他工作在2．4GHz频段，速率达54Mb／s。比目前通用的802．11b快了5倍。802．11g标准本质上扩展了802．11b在2．4GHz频段的性能，通过使用OFDM技术，获得了54Mb／s的高速，并且完全向后08兼容802．11b，他将最终取代802．11a。802．11g虽然还在草稿阶段，但是根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，802．11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准[1]。IrDAIrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，他也许是第一个实现无线个人局域网（PersonalAreaNetwork，PAN）的技术。目前他的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。他还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。IrDA的不足在于他是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率[1]。ZIGBEEZIGBEE是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术；ZIGBEE采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZIGBEE增加了逻辑网络、网络安全和应用层；ZIGBEE的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合；ZIGBEE无线可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。ZIGBEE无线的传输带宽在20-250KB/s范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输；ZIGBEE无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有非常强大的组网优势。ZIGBEE可靠链接：ZIGBEE技术RF物理层上的设计保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性；ZIGBEE技术在通信协议上的可靠设计，保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。表2ZIGBEE和蓝牙性能比较ZIGBEE蓝牙设备功耗低功耗，远远蓝牙功耗比较高网络节点65535个7个传输距离1-2000m+1-10m设备成本低成本，高可靠成本高应用范围采集、控制数据传输语音、图象传输表3ZIGBEE和FSK电台性能比较ZIGBEEFSK电台无线频段2.4G免费频段国家非开放频段调制方式DSSS扩频通信FSK频移键控方式抗干扰能力很好不如ZIGBEE频点串扰频点间距大，无串扰不同频段间可能串扰ZIGBEE与WLAN共存：ZIGBEE和WLAN共同工作在2.4G的频段，利用ZIGBEE的15、20、25和26信道，可有效避免与802.11b的信1、6、11信道的相互干扰。通过以上的对比，ZIGBEE具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、数据安全、工作频段灵活、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠等优点，所以选择zigbee方式作为本设计的最终方案。四种主要的ZIGBEE实现方案MCU和RF收发器分离的双芯片方案ZIGBEE协议栈在MCU上运行，MCU负责控制、数据处理等任务。RF收发器负责对信号的处理等功能。但是此方案功耗相对较高。例如：MCU可以选择51系列单片机，MSP430等。RF收发器可以选择NRF905、NRF2401等芯片。无线数据传输模块无线数据传输模块无线传输RFICMCU外部数据设备无线传输RFICMCU外部数据设备

无线数据传输模块RFICMCU外部数据设备无线数据传输模块RFICMCU外部数据设备图1MCU和RF收发器分离的双芯片方案系统框图集成RF和MCU的单芯片方案单芯片解决方案占用空间最小且开发容易，功耗较低。该芯片集成了RF和MCU。TI的单芯片方案CC2431/CC2430在单个芯片上集成了ZIGBEE射频前端、内存和微控制器，CC2431还带硬件定位引擎。框图如图3所示。基于FPGA的方案FPGA负责信号调制解调等任务，由于FPGA是可编程逻辑器件，灵活性较大，但是功耗很高。FPGAFPGAFPGA数据存储DAC数字解调器数据存储DAC数字解调器信号输入端ADC数字调制器信号输入端ADC数字调制器图2FPGA方案系统框图自己设计收发电路方案此方案需要自己设计模数转换电路、数模转换电路、控制电路、调制解调电路、信道滤波电路等电路。此方案设计非常麻烦，灵活性很差，功耗较大。综上所述，由于低功耗是ZIGBEE系统的关键，所以减少工作电流消耗、具有超低耗电睡眠模式并缩短模式切换时间对每一种方案而言都非常重要。所以选择TI的单芯片方案CC2430在单个芯片上集成了ZIGBEE射频前端、内存和微控制器。ZIGBEE协议体系结构IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准[1]于2003年5月制定完成，它满足国际标准化组(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型，主要包括物理层、数据链路层。IEEE802.15.4协议与其他无线网络相比,突出的优点是:组网能力强,适应面广,可靠性高,节能性好。ZIGBEE协议栈完整的Zigbee[2,3]协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成。ZIGBEE协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZIGBEE联盟制定。其中安全层（Security）主要实现密钥管理、存取等功能。应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持（ApplicationSub-laygerSupport，APS）、ZIGBEE设备对象（ZIGBEEDeviceObject，ZDO）等，实现应用层对设备的管理[2]。网络层关键技术ZIGBEE协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-Tree＋AODVjr等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构。Cluster-Tree（簇－树）是一种由网络协调器展开生成树状网络的拓扑结构,适合于节点静止或者移动较少的场合,属于静态路由,不需要存储路由表。AODVjr算法是针对AODV[5,6]（Adhoc按需距离矢量路由协议）算法的改进,考虑到节能、应用方便性等因素,简化了AODV的一些特点,但是仍然保持AODV的原始功能。Cluster-Tree＋AODVjr路由算法汇聚了Cluster-Tree和AODVjr的优点。网络中的每个节点被分成四种类型:Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN:RoutingNode,路由节点；RFD:ReducedFunctionDevice）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同,Coordinator、RN+和RN－都是全功能节点（FFD:FullFunctionDevice）,能给其他节点充当路由节点；RFD只能充当Cluster-Tree的叶子（LeafNode）。如果待发送数据的目标节点是自己的邻居,直接通信即可；反之,如果不是自己的邻居时,三种类型的节点处理数据包各不相同:RN+可以启AODVjr，主动查找到目标节点的最佳路由,且它可以扮演路由代理（RoutingAgent）的角色,帮助其他节点查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法,它可以通过计算，判断该交给数据包请自己的父节点还是某个子节点转发；而RFD只能把数据交给父节点,请其转发[3]。基于ZIGBEE的短距离通信模块的总体设计ZIGBEE无线数据传输模块的硬件设计框图如图3所示，为了实现无线数据传输模块的硬件基础架构，将硬件设计分为四部分：无线收发电路、电源电路、JTAG电路和串口转换电路。在这里，设计了串口转换电路，可以实现串口数据转换。因此，可以实现无线模块与PC机之间的串口数据通信。无线收发电路是本次硬件设计的核心，而JTAG电路主要实现对CC2430的编程和测试。PC串行接口PC串行接口ZIGBEE射频模块JTAG接口电路ZIGBEE射频模块JTAG接口电路串口转换电路无线收发模块串口转换电路无线收发模块电源模块电源模块图3短距离通信模块的总体设计框图硬件部分设计CC2430介绍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2.4GHz射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430/CC2431芯片延用了以往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、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚[1]。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；●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；●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。SOC无线CC2430之8051的CPU介绍：针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430/CC2431包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。由于更快的执行时间和通过除去被浪费掉的总线状态的方式，使得使用标准8051指令集的CC2430/CC2431增强型8051内核，具有8倍的标准8051内核的性能。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。 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。中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制[5]。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。大部分单指令的执行时间为1个系统时钟周期。除了速度的提高，CC2430/CC2431增加内核还增加了二个部分：另一个数据指针以及扩展18个中断源。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。不管怎样讲，由于CC2430/CC2431的8051内核使用不同于标准的指令时钟，因此在编程时候与标准的8051代码略有不同，也是因为外设如定时器等不同于标准的8051。无线模块：一个基于802.15.4的CC2430/CC2431无线收发模块。无线核心部分是一个CC2420射频收发器。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。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[6]；CC2430通过硬件校验CRC，将接收信号强度指示器(RSSI)的相关数值附加到数据帧之中；在接收模式下，通过中断提供空闲信道评估(CCA)。CC2430的发送基于直接升频转换。数据存放在128字节的TXFIFO之中(与RXFIFO彼此分隔)。要发送的帧引导序列和帧开始定界符由硬件产生。每个符号(4位)使用IEEE802.15.4扩展序列扩展为32位码片序列，输出到DAC之中。经过DAC变换的信号，通过模拟低通滤波器送到90。I/Q相移升频转换混频器口无线射频(RF)信号通过功率放大器(PA)馈送到天线。由于采用了内部发送/接收(T/R)开关电路，天线的接口以及匹配很容易实现，RF为差动连接。单极天线可以使用不平衡变压器。通过外接直流通路，连接引脚TXRX_SWITCH到引脚RF_P和引脚RF_N，实现功率放大器和低噪声放大器的偏置。频率合成器包括一套完整的片上电感器电容器(LC)、电压控制振荡器(VCO)和一个90度分相器，用来产生同相信号、正交相位信号(I/Q)和本地振荡器(LO)信号。在接收模式下争这些信号到达降频转换混频器；而在发送模式下，这些信号到达升频转换混频器。电压控制振荡器(VCO)工作频率范围是4800～4966MHz。分相I/Q时，频率一分为二。数字基带包括支持帧操作、地址识别、数据缓冲、CSMA-CA选通处理器和MAC安全等。片上稳压器提供校准的1.8V供电。CC2430无线模块最小系统设计复位电路 图4复位电路C19=0.1μF，用于去除一些杂波干扰，防止单片机错误复位。串口通信电路图5串口通信电路由于模块采用RS232与上位机相连，因此，需要用MAX232将RS232电平转换为TTL电平。串口转换电路采用MAX3232双通道转换芯片，工作电压范围3V-5.5V。时钟电路图6时钟电路C1，C2为22pF的电容，连接32MHz的晶振电路，此石英晶振用于正常工作使用。C14，C15为15pF的电容，连接32.768kHz的晶振电路，此石英晶振用于休眠时工作，从而降低功耗。 电源管理电路图7电源管理电路本模块采用2种供电模式，第一种供电方式是用两节1.5V的干电池供电，第二种供电方式外接5V电源，经过电源转换芯片将5V电压转换成3.3V。电容的作用是滤波。 JTAG接口电路及I/0电路图8I/O电路将CC2430所有的21个IO引脚以及电源引脚、复位引脚全部引出，以供用户在应用中根据实际情况进行相应的IO功能定义，增加无线模块的通用性，方便二次开发。图9JTAG电路图10LED电路D1是电源指示灯，D3是发射指示灯，D4是接收指示灯。图11CC2430外围相关电路硬件测试部分设计 串口电路测试无线模块采集到的温度通过串口传到上位机，我们通过上位机可以看到上位机上无线模块采集到得温度值。图12串口电路测试效果图两模块点对点通信测试开始开始初始化MCU/RF初始化MCU/RF选择通信通道选择通信通道进入低功耗状态准备接收信号进入低功耗状态准备接收信号NN接收请求接收请求应用层获得信号应用层获得信号NYNY底层收到信号请求合法底层收到信号请求合法YY初始化ADC，开始采集发送初始化ADC，开始采集发送NN采集发送完毕采集发送完毕YY图13系统软件流程图 一模块监测温度，另一模块接收数据并且通过串口在电脑上显示数据。当无线模块处于发射状态时，黄灯闪烁；当无线模块处于接收状态时，红灯闪烁。图14点对点通信测试效果图本次设计的不足及改进方式外围电路过于简单化，可以进一步扩展外围电路无线模块有时运行不是很稳定，改进布线方式。 结论在短距离无线通信技术呈现出百家争鸣之势的今天，ZIGBEE凭借其架构简单、价格低廉、功耗低、寿命长等特点，即使传输速率不高，但针对监测与控制领域的应用，仍有很大的发展潜力。随着正式版本协议的公布以及ZIGBEE技术的进展，更多的注意力和研发力量将转移到应用的设计和实现、市场推广等方面，人们又理由相信：不久将会有越来越多的内置ZIGBEE功能的装置进入人们的生活，真正实现五所不在的网络，这无疑将极大改善人们的生活方式。参考文献

[1]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版 社,2007.[2]梁光胜,刘丹娟,郝福珍.基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程, 2010,18(2):15-18.

[3]菅填平,刘小东,王晋华.基于ZigBee技术的树状无线传感器监测系统[J].计算机与 现代化,2010(7):9-11.[4]李培江,吾文明,沈建位,等.基于ZigBee的开关设备远程温度监控系统[J].低压电器,2010(4):26-29.[5]徐敬东,赵文耀,李淼,等.基于ZigBee的无线传感器网络设计[J].计算机工程,2010,36(10):110-112..[6]李劲,程绍艳,李佳林,等.基于ZigBee技术的无线数据采集网络[J].测控技术,2007,26(8):63-65.

致谢本文是在王天宝老师的热情关心和指导下完成的，他渊博的知识和严谨的治学态度使我受益匪浅，对顺利完成本课题起到了极大的作用。在此向他表示我最衷心的感谢！在论文完成过程中，本人还得到了孙捷老师和张利同学的热心帮助，本人向他们表示深深的谢意！最后向在百忙之中评审本文的各位专家、老师表示衷心的感谢！作者简介：姓名：汤莹莹性别：女出生年月：19890721民族：汉E-mail:542759033@PAGEPAGE57声明本论文的工作是2011年3月至2011年6月在成都信息工程学院通信工程学院完成的。文中除了特别加以标注地方外，不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其他教学机构的学位或证书而使用过的材料。除非另有说明，本文的工作是原始性工作。关于学位论文使用权和研究成果知识产权的说明：本人完全了解成都信息工程学院有关保管使用学位论文的规定，其中包括：（1）学校有权保管并向有关部门递交学位论文的原件与复印件。（2）学校可以采用影印、缩印或其他复制方式保存学位论文。（3）学校可以学术交流为目的复制、赠送和交换学位论文。（4）学校可允许学位论文被查阅或借阅。（5）学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。除非另有科研合同和其他法律文书的制约，本论文的科研成果属于成都信息工程学院。特此声明！作者签名：2011年06月3日附录测试程序如下：#include"msstate_lrwpan.h"#include"wllocate.h"voidevbInit(void){sw_state.val=0;P0SEL&=~0xf3;P1SEL&=~0xff;IO_DIR_PORT_PIN(0,0,IO_OUT);IO_DIR_PORT_PIN(0,1,IO_OUT);IO_DIR_PORT_PIN(0,4,IO_IN);IO_DIR_PORT_PIN(0,5,IO_IN);IO_DIR_PORT_PIN(0,6,IO_IN);IO_DIR_PORT_PIN(0,7,IO_IN);IO_DIR_PORT_PIN(1,0,IO_OUT);IO_DIR_PORT_PIN(1,1,IO_OUT);IO_DIR_PORT_PIN(1,2,IO_IN);IO_DIR_PORT_PIN(1,3,IO_OUT);IO_DIR_PORT_PIN(1,4,IO_OUT);IO_DIR_PORT_PIN(1,5,IO_OUT);IO_DIR_PORT_PIN(1,6,IO_IN);IO_DIR_PORT_PIN(1,7,IO_IN);}voidphyInit(void){phyState=PHY_STATE_IDLE;phy_pib.flags.val=0;phy_pib.flags.bits.txFinished=1;}voidhalInit(void)//设置时钟源{local_radio_flags.val=0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);halInitUart();halSetBaud(LRWPAN_DEFAULT_BAUDRATE);halInitMACTimer();}voidmain(void){ halInit(); evbInit(); debug_level=10;phyInit();macInit(); conPrintConfig(); ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//enableinterrupts EVB_LED1_OFF(); EVB_LED2_OFF();macInitRadio(); macSetPANID(LRWPAN_DEFAULT_PANID); macSetChannel(LRWPAN_DEFAULT_START_CHANNEL); macSetShortAddr(0); //conPrintROMString("Mainloop...\n"); #if1 MainLoop(); #else while(1){ macFSM(); } #endif}温度测试程序：#include<string.h>#include"msstate_lrwpan.h"#include"MAC.h"#include<stdlib.h>#include"SensorComm.h"#defineAPP_TAG_STARTUP(0)#defineAPP_TAG_INITED(1)#defineAPP_TAG_JOINREQUESTED(2)#defineAPP_TAG_JOINEDGROUP(3)#defineAPP_TAG_ADDITIONALlISTEN(4)#defineAPP_CAPTAIN_STARTUP(5)#define APP_CAPTAIN_INITED(6)#define APP_CAPTAIN_CALLING(7)#define APP_CAPTAIN_REPLACECAPTAIN(8)#defineSTARTUP_MSG"ZigBeeDemoRFDApplicationv1.0"#defineMAC_RESPONSE_WAITFOR_DURATION(50)#defineMAC_ACK_WAITFOR_DURATION(50)#defineQUERY_INT_DURATION(200)#defineMAC_QUERY_WAIT_DURATION(25)#defineMAC_WAITFOR_QUERY_DURATION(250)#definePHYSetChannel(x) macSetChannel(x)#definePHYGetPhyChannel()macGetChannel()#definePHYSetTxPower(x)halSetTxPower(x)#defineGRADIENT_C0.01496#defineOFFSET_C-300//偏移量，此参数需要标定#defineADC14_TO_CELSIUS(ADC_VALUE)\((float)ADC_VALUE*(float)GRADIENT_C+OFFSET_C)#defineGRADIENT_F(9.0/5.0*GRADIENT_C)#defineOFFSET_F(9.0/5.0*OFFSET_C)+32#defineADC14_TO_FARENHEIT(ADC_VALUE)\((float)ADC_VALUE*(float)GRADIENT_F+OFFSET_F)/*参考电压:1,25V,分辨率:14bit,温度传感器*/#defineSAMPLE_TEMP_SENSOR(v)//温度采集函数do{ADCCON2=0x3E;ADCCON1=0x73;while(!(ADCCON1&0x80));v=ADCL;\v|=(((unsignedint)ADCH)<<8);}while(0)REPDATTOSENSORRECRepDatToSensorRec[MAXREPRECNUM];BYTEChannelIdx=0;BYTENewChannelIdx,GroupChannelIdx,NormalChannelIdx,NewGroupChannel;NODE_STUTASThisNode;TICKLedChangeTime;TICKTAGLastConnectTime;TICKTAGAddtionalListenTime;TICKTAGOnlineStartTime;TICKCAPTAINBroadcastStartTime;TICKCAPTAINLastCallingTime;TICKSENSORLastBroadcastTime;TICKCAPTAINSingleCallingTime;TICKSENSORLastReportTime;BYTEWatchDogReset=0;TICKCAPTAINLastSleepTime;TICKChannelStatiTime;BYTEAPPSTATE;BYTESensorInfo=0;BYTEJoinReqCount=0;BYTEDebugCode=0;BYTEmainLoop=0;BYTEUART0rcvBuf[200];BYTEUART0rcvBuf2[200];BYTEdatalen=0,datalen2=0;BYTEwlsendbuf[8];floattemperture;externvoidWirelessSendData(BYTEframe);externvoidDelay(WORDi);//获取温度值函数floatgetTemp(void){unsignedintvalue;SAMPLE_TEMP_SENSOR(value);//采样温度//returnvalue;returnADC14_TO_CELSIUS(value);//返回AD采样值//returnADC14_TO_FARENHEIT(value);}void_changetochannel(BYTEidx)//切换信道{ ISRFOFF;//晶振关闭 PHYSetChannel(idx);//切换信道物理层函数 ISRXON;//晶振打开 ChannelIdx=idx;}voidChangeToNormalChannel(void)//切换到公用信道函数{ConsolePutROMString("切换到公用信道:");ConsolePutInitData(0,NormalChannelIdx);//输出调试信息_changetochannel(NormalChannelIdx);//切换信道}voidChangeToChannel(BYTEchlidx)//切换到指定信道函数{ConsolePutROMString("切换到信道(11~26):");ConsolePutInitData(0,chlidx);_changetochannel(chlidx);}voidSleepSomeTime(inttime)//休眠函数{ConsolePutROMString("休眠:");ConsolePutInitData(0,time); ISRFOFF;//晶振关闭 halSleep(time+100);//休眠 ISRXON;//晶振打开 ConsolePutROMString("唤醒\r\n");}BYTEDebugParam[20];BYTEDebugParamLen;voidWirelesDebugOut(BYTEcode)//无线发送调试信息函数{BYTEOldChlIdx; OldChlIdx=ChannelIdx; DebugCode=code; ChangeToChannel(DEBUGCHANNEL); WirelessSendData(MSG_DEBUG_OUT); DebugParamLen=0; ChangeToChannel(OldChlIdx); }intTickGetDiff(TICKnow,TICKstart)//返回值单位:50ms{returnhalMACTimerDelta(now,start)*50/LRWPAN_SYMBOLS_PER_SECOND;}voidDelay(WORDi){while(i--);}voidDelayx(WORDi){while(i--)while(i--);}voidMainLoop(void)//主循环函数{BYTETxPower;BYTErst;unsignedintxyz=0;NormalChannelIdx=COMMCHANNEL;//公用信道26 ChangeToNormalChannel();//切换信道到公用信道#ifdefined(IAMTAG)TxPower=TAG_TXPOWER;#elseTxPower=SENSOR_TXPOWER;//设置发射功率 #endif PHYSetTxPower(TxPower);//设置发射功率//0~7;0-min;7-max//节点信息ThisNode.NODEID[0]=macInfo.longAddr.v[0];ThisNode.NODEID[1]=macInfo.longAddr.v[1];ThisNode.MEMBERNUM=0;JoinReqCount=0;ThisNode.NODESTATE=GROUP_MEMBER;APPSTATE=APP_TAG_STARTUP;#ifdefined(IAMSENSOR) for(i=0;i<MAX_GROUPINSENSOR_NUM;i++) { GroupList[i].USED=0; } #endif srand(ThisNode.NODEID[0]*256+ThisNode.NODEID[1]);CAPTAINLastSleepTime=TickGet();SENSORLastReportTime=0;DebugParamLen=0;rst=(SLEEP>>0x03)&0x03; #ifdefined(IAMTAG)WirelesDebugOut(DEBUG_HARDWARE_RESET); if(rst==0x02)//看门狗复位 {ConsolePutROMString("watchdogreset\r\n"); WirelesDebugOut(DEBUG_WATCHDOG_RESET); WatchDogReset=0; } if(rst==0x00)//看门狗复位 {ConsolePutROMString("Power-onreset\r\n"); WatchDogReset=0; } if(rst==0x01)//看门狗复位 {//ConsolePutROMString("Externalreset\r\n"); WatchDogReset=0; } #endif//WDT_SET_TIMEOUT_PERIOD(M_SEC_250);//设置看门狗时间值//WDT_ENABLE();//使能看门狗Delay(4000); mainLoop=1;macFSM();while(1){//WDT_RESET();//看门狗喂狗//SleepSomeTime(100);//休眠macFSM();//mac层通讯处理if(submacCurrentFrame.sub_type.Val==0x20)//若收到数据{P0_0=~P0_0;//改变红灯状态ConsolePutROMString("当前温度：\r\n");//串口输出当前温度字符ConsolePutInitData(0,submacCurrentFrame.data[0]);//串口输出当前温度值}if(xyz==0)//定时时间到 { P0_1=~P0_1;//改变绿灯状态temperture=getTemp();//获取当前温度值WirelessSendData(MSG_TAG_ISANYCAPTAINHERE);//将温度值无线广播发送出去}xyz++;if(xyz>8000)xyz=0;continue;}} voidResetsubmacCurrentFrame(void){submacCurrentFrame.sub_type.Val=0xff;}参考：毕业论文（设计）工作记录及成绩评定册题目：学生姓名：学号：专业：班级：指导教师：职称：助理指导教师：职称：年月日实验中心制使用说明一、此册中各项内容为对学生毕业论文（设计）的工作和成绩评定记录，请各环节记录人用黑色或蓝色钢笔（签字笔）认真填写（建议填写前先写出相应草稿，以避免填错），并妥善保存。二、此册于学院组织对各专业题目审查完成后，各教研室汇编选题指南，经学生自由选题后，由实验中心组织发给学生。三、学生如实填好本册封面上的各项内容和选题审批表的相应内容，经指导教师和学院领导小组批准后，交指导教师；指导老师填好《毕业论文（设计）任务书》的各项内容，经教研室审核后交学生签名确认其毕业论文（设计）工作任务。四、学生在指导老师的指导下填好《毕业论文（设计）开题报告》各项内容，由指导教师和教研室审核通过后，确定其开题，并将此册交指导老师保存。五、指导老师原则上每周至少保证一次对学生的指导，如实按时填好《毕业论文（设计）指导教师工作记录》，并请学生签字确认。六、中期检查时，指导老师将此册交学生填写前期工作小结，指导教师对其任务完成情况进行评价，学院中期检查领导小组对师生中期工作进行核查，并对未完成者提出整改意见，后将此册交指导老师保存。七、毕业论文（设计）定稿后，根据学院工作安排，学生把论文（打印件）交指导老师评阅。指导老师应认真按《毕业论文（设计）指导教师成绩评审表》对学生的论文进行评审并写出评语，然后把论文和此册一同交教研室。八、教研室将学生的论文和此册分别交两位评阅人评阅后交回教研室保存。九、学院答辩委员会审核学生答辩资格，确定答辩学生名单，把具有答辩资格学生的论文连同此册交各答辩小组。十、学生答辩后由答辩小组记录人填好《毕业论文（设计）答辩记录表》中各项内容，然后把学生的论文和此册一同交所在答辩小组，答辩小组对其答辩进行评审并填写评语后交教研室。十一、学院答辩委员会进行成绩总评定，填好《毕业论文（设计）成绩评定表》中各项内容，然后把论文（印刷版和电子版（另传））和此册等资料装入专用档案袋中，教教研室后由实验中心统一保存。目录1．毕业论文（设计）选题审批表2.毕业论文（设计）任务书3．毕业论文（设计）开题报告4.学生毕业论文（设计）题目更改申请表5．毕业论文（设计）指导老师工作记录6．毕业论文（设计）中期检查记录7．毕业论文（设计）指导教师成绩评审表8．毕业论文（设计）评阅人成绩评审表9.毕业论文（设计）答辩申请表10．毕业论文（设计）答辩记录表11．毕业论文（设计）答辩成绩评审表12．毕业论文（设计）成绩评定表毕业设计（论文）选题审批表题目名称基于单片机的超声波测距题目性质□工程设计□理论研究□实验研究□计算机软件□综合论文□其它题目来源□科研题目□生产现场□教学□其它□自拟题目选题理由：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，精度也能达到使用要求，超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触电接触不良造成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。指导教师意见：签名：年月日院（系）领导小组意见：签名：年月日注：此表由学生填写毕业论文（设计）任务书1、毕业论文（设计）应达到的目的：（1）能对学生在学期间所学知识的检验与总结，培养和提高学生独立分析问题和解决问题的能力，使学生受到科学研究、工程设计和撰写技术报告等方面的基本训练。（2）提高学生对工作认真负责、一丝不苟，对事物能潜心观察、用于开拓、用于实践的基本素质；（3）培养学生综合运用所学知识，结合实际独立完成课题的工作能力。（4）对学生的知识面、掌握知识的深度、运用理论结合实际去处理问题的能力、实践能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力进行考核。2、毕业论文（设计）的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：以单片机为核心设计了基于激光测距的防撞预警系统，采用TDC-GP2芯片作为激光飞行计时单元,给出激光发射及回波接收放大电路，基于模块化思想设计、完成系统软件设计流程；最后通过实验测试，系统要能很好测出前方车辆距离及运行状态，并能及时发出报警，利用Matlab对其测试结果进行验证，修正。3、对毕业论文（设计）成果的要求〔包括图表、实物等硬件要求〕：设计完成后，要提供电路图，实验电路版，控制原始程序，实验要保存大量的原始数据。完成设计论文。4、毕业论文（设计）工作进度计划：序号论文（设计）工作进度日期（起止周数）1根据所出题目，结合自身所学知识，选择合适课题，确定毕业设计论文题目。13-14-1第16周止2根据所定题目，全面搜集素材，列出各种设计方案，并一一比较，选择出最好的设计方案。13-14-1第18周止3联系指导老师，将自己的设计方案与老师沟通、交流，得到指导老师的认同与指点，开始设计。13-14-1第19周止4根据方案，确定所要用的器材。设计总体框架结构，分出各大的模块，并将其展开，以得到比较细的设计模式。13-14-2第1周止5根据所列框图，结合自己所学知识，开始各分支电路模块的设计。13-14-2第2周止6完成初稿，将所做的模块给指导老师查阅，看是否有不当之处，再进行改进。并将大电路的设计方案告之老师，得到老师更好的建议。13-14-2第3周止7大胆进行设计，将每一个小的电路，大的模块，都精心设计好，完成整个硬件和软件部分的设计过程。13-14-2第6周止8将所有设计整理结合，形成设计论文，交与指导老师检查，并经老师指点，做进一步的改进工作。13-14-2第7周止9改进毕业设计论文，得到自己及老师认为满意的论文。13-14-2第10周止指导教师日期年月日教研室审查意见：签字：年月日学院负责人意见：签字：年月日学生签字：接受任务时间：年月日注：任务书由指导教师填写。毕业论文（设计）开题报告题目基于单片机的超声波测距1、本课题的研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经