2.4GHz射頻芯片CC2420實(shí)現(xiàn)ZigBee通信

摘要：CC2420 是Chipcon公司推出的一款符合 IEEE 802.15.4規(guī)范的 2.4GHz 射頻芯片，用來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)無(wú)線傳感及家庭組網(wǎng)等 PAN 網(wǎng)絡(luò)的ZigBee 設(shè)備和產(chǎn)品。文中介紹了 CC2420的主要功能、結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用電路。

1 引言
ZigBeeZigBee 是一種基于 IEEE802.15.4 規(guī)范的無(wú)線技術(shù)。它具有在 802.15.4 規(guī)范上創(chuàng)建的安全和應(yīng)用層接口、工作于免授權(quán)頻段、以年計(jì)算的超低電池壽命、低至3美金的超低成本、極大可伸縮的網(wǎng)格和星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿總€(gè)主設(shè)備可支持 4萬(wàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)是家庭互聯(lián)、工廠自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、傳感網(wǎng)絡(luò)和汽車應(yīng)用等的理想解決方案。

CC2420是 Chipcon As 公司推出的首款符合 2.4GHz IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于 ZigBee產(chǎn)品的 RF 器件。它基于 Chipcon 公司的 SmartRF 03 技術(shù)，以0.18um CMOS 工藝制成　只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá) 250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。


2 芯片主要性能特點(diǎn)

CC2420的主要性能參數(shù)如下：

• 工作頻帶范圍：2.400～2.4835GHz；
• 采用 IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式；
• 數(shù)據(jù)速率達(dá) 250kbps 碼片速率達(dá) 2MChip/s；
• 采用 o-QPSK 調(diào)制方式；
• 超低電流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收靈敏度（-99dBm）；
• 抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB)；
• 內(nèi)部集成有 VCO、LNA、PA 以及電源整流器　采用低電壓供電(2.1～3.6V)；
• 輸出功率編程可控；
• IEEE802.15.4 MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bit CRC 校驗(yàn)、電源檢測(cè)、
• 完全自動(dòng) MAC 層安全保護(hù)(CTR,CBC－MAC,CCM)；
• 與控制微處理器的接口配置容易(4 總線SPI 接口)；
• 開(kāi)發(fā)工具齊全　提供有開(kāi)發(fā)套件和演示套件；
• 采用 QLP-48 封裝，外形尺寸只有7×7MM。

3 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CC2420芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和 I/Q 下變頻處理后，中頻信號(hào)只有 2MHz,此混合I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、AD變換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)　最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。


發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中,頭幀和起始幀是通過(guò)硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù) IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn),所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到2.4GHz，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。


4 典型應(yīng)用電路

CC2420只需要極少的外圍元器件，其典型應(yīng)用電路如圖2所示。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。


芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供， 也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。例如當(dāng)采用16MHz晶振時(shí)　其電容值約為22pF。

射頻輸入/輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。

CC2420可以通過(guò)4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式　并實(shí)現(xiàn)讀/寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)　讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內(nèi)有33個(gè)16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器,在每個(gè)寄存器的讀/寫(xiě)周期中,SI總線上共有24比特?cái)?shù)據(jù),分別為:1比特ＲAM/寄存器選擇位(0:寄存器，1:RAM),1比特讀/寫(xiě)控制位(0:寫(xiě)，1:讀),6比特地址選擇位、16比特?cái)?shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中CSn必須始終保持低電平。

另外,通過(guò)CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)　通過(guò)SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘/定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

5 配置 IEEE 802.15.4 工作模式

IEEE802.15.4 規(guī)范中規(guī)定使用DSSS調(diào)制方式，CC2420 中的調(diào)制和擴(kuò)頻功能框圖如圖3所示。

CC2420先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行變換,每個(gè)字節(jié)被分組為兩個(gè)符號(hào),每個(gè)符號(hào)包括4個(gè)比特LSB優(yōu)先傳輸。每個(gè)被分組的符號(hào)用32碼片的偽隨機(jī)序列表示,共有16個(gè)不同的32碼片偽隨機(jī)序列。經(jīng)過(guò)DSSS擴(kuò)頻變換后,碼片速率達(dá)到2MCHIPS/S,此碼片序列再經(jīng)過(guò)O－QPSK調(diào)制,每個(gè)碼
片被調(diào)制為半個(gè)周期的正弦波。碼片流通過(guò)I/Q通道交替?zhèn)鬏?兩通道延時(shí)為半個(gè)碼片周期。

CC2420為 IEEE802.15.4 的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為:頭幀＋數(shù)據(jù)幀＋校驗(yàn)幀；PHY層的幀格式為,同步幀＋PHY頭幀＋MAC幀,幀頭序列的長(zhǎng)度可以通過(guò)寄存器的設(shè)置來(lái)改變?？梢圆捎?6 位CRC校驗(yàn)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入ＲAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作　其RF的狀態(tài)控制圖如圖4所示。


6 開(kāi)發(fā)工具及網(wǎng)絡(luò)組織
CHIPCOn為用戶提供了評(píng)估軟件－SMArt RFStu-DIO,它可以幫助開(kāi)發(fā)者進(jìn)行產(chǎn)品射頻性能的評(píng)估和功能測(cè)試。同時(shí)，CHIPCOｎ還提供了開(kāi)發(fā)套件，用戶可在此基礎(chǔ)上評(píng)估和設(shè)計(jì)真正的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。此開(kāi)發(fā)套件包括 CC2420 外圍硬件模塊和z-STACKTM Zig-Bee 協(xié)議棧，其中包括各種高性能的 ZigBee 軟件工具，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)置器、協(xié)議追蹤調(diào)試工具等。在此基礎(chǔ)上建立的網(wǎng)格式網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示）自組織性強(qiáng)、抗毀性強(qiáng)，極大程度地拓展了網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)和無(wú)線通信范圍。


7 結(jié)束語(yǔ)
CC2420是首款符合zIGBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件,其 MAC層和 PHY 層協(xié)議符合802.15.4 規(guī)范,工作于免授權(quán)的 2.4GHz 頻段。利用此芯片開(kāi)發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小,適于電池長(zhǎng)期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，為家庭自動(dòng)控制、工業(yè)監(jiān)控、傳感網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、智能玩具等提供了理想的解決方案。