引言

通信是多機(jī)器人之間進(jìn)行信息交互并實(shí)現(xiàn)協(xié)作的基礎(chǔ)。ZigBee 作為一種新興的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的公共頻率2.4GHz，具有低復(fù)雜度、低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合多機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人之間的無(wú)線通信，本文基于ZigBee 技術(shù), 使用射頻芯片CC2520 實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)測(cè)通信距離達(dá)到500米以上的模塊設(shè)計(jì)。

1 ZigBee 技術(shù)簡(jiǎn)介

為滿(mǎn)足小型低成本設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種適于固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)———ZigBee技術(shù)。 ZigBee一詞來(lái)源于蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)傳遞花粉所在的方位信息，即依靠這種方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備。

如圖1 所示，ZigBee技術(shù)的物理層、MAC 層和鏈路層采用了IEEE802.15.4(無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層，用戶(hù)根據(jù)自己的需要對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，形成靈活、機(jī)動(dòng)的組網(wǎng)方式。根據(jù)IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，ZigBee 的工作頻段分為3個(gè)頻段，分別是2.4GHz 和868/915MHz。Zig－Bee 在2.4GHz 頻段有16個(gè)信道，能夠提供250kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調(diào)制；868MHz和916MHz分別是美國(guó)和歐洲的ISM頻段，避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。在868MHz 頻段有一個(gè)信道，傳輸速率為20kb/s，在916MHz 頻段有10個(gè)信道, 傳輸速率為40kb/s，這兩個(gè)頻段都采用BPSK調(diào)制。

圖1 ZigBee 協(xié)議棧構(gòu)架

2 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成

2.1 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的硬件框圖

圖2 ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件框圖

整個(gè)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：一部分是以處理器為核心的母板，主要功能是數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)及控制流程等；另一部分是以射頻收發(fā)芯片為中心的RF收發(fā)器，主要功能是以射頻方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。兩個(gè)部分中，母板與RF 收發(fā)器采用SPI通訊方式，母板充當(dāng)SPI 主器件而RF收發(fā)器充當(dāng)從器件。具體實(shí)現(xiàn)如下：母板采用STR712F系列ARM 微控制器，它基于高性能的ARM7TDMI內(nèi)核，擁有豐富的外設(shè)和2個(gè)帶緩沖的同步串口(BSPI)。射頻收發(fā)芯片選用德州儀器(TI)最新推出的針對(duì)2.4GHz免授權(quán)ISM 頻帶的第二代ZigBee/IEEE802.15.4射頻收發(fā)芯片CC2520，該器件可實(shí)現(xiàn)業(yè)界最佳的連接性/共存性與優(yōu)異的鏈路運(yùn)算，為各種應(yīng)用提供了廣泛的硬件支持，其中包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認(rèn)證、空閑通道評(píng)估、鏈接質(zhì)量指示以及數(shù)據(jù)包計(jì)時(shí)信息等，從而降低了主機(jī)控制器上的負(fù)載。射頻前端也選用德州儀器(TI)推出的面向低功耗與低電壓無(wú)線應(yīng)用業(yè)界集成度最高的CC2591，該產(chǎn)品集成了可將輸出功率提高+22dBm的功率放大器以及可將接收機(jī)靈敏度提高+6dB 的低噪聲放大器，平衡轉(zhuǎn)換器(balun)、交換機(jī)、電感器和RF 匹配網(wǎng)絡(luò)等,顯著簡(jiǎn)化了高性能設(shè)計(jì)工作,能用極少的外部組件開(kāi)發(fā)出高輸出功率的無(wú)線解決方案。以CC2520為中心附加CC2591射頻前端和晶振天線等外圍電路便構(gòu)成了RF 收發(fā)器。

2.2 ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件電路的實(shí)現(xiàn)

由于使用了CC2591 作為射頻前端，CC2520只需要極少的外圍元器件, 其外圍電路包括射頻輸入/輸出匹配電路、射頻前端連接電路、晶振時(shí)鐘電路和微控制器接口電路。電路連接如圖3 所示，其中輸入/輸出匹配電路即CC2591與天線之間的阻抗網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)使得CC2520與50Ω的阻抗相匹配，同時(shí)電容C112隔斷直流；CC2520與CC2591之間的射頻匹配只需要一個(gè)電容C24即可；CC2520需要有32MHz的參考時(shí)鐘用于250kbps數(shù)據(jù)的收發(fā)，如果使用外部時(shí)鐘，直接從XOSC32M_Q1引腳引入，XOSC32M_Q2引腳保持懸空，如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶體接在XOSC32M_Q1和XOSC32M_Q2引腳之間，負(fù)載電容C121 和C131的大小取決于總的輸入容抗。

CC2520 使用FIFO和FIFOP 引腳標(biāo)識(shí)接收FIFO緩沖區(qū)的狀態(tài)。如果接收FIFO 緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，FIFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO 緩沖區(qū)下溢，FIFO引腳輸出低電平。FIFOP 引腳在接收FIFO緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)超過(guò)某個(gè)臨界值或者在CC2520 接收到一個(gè)完整的幀以后輸出高電平，當(dāng)接收FIFO緩沖區(qū)下溢時(shí)也輸出高電平。微控制器通過(guò)SPI 接口訪問(wèn)CC2520內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)區(qū)，CC2520是從設(shè)備，接收來(lái)自微控制器的時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)，并在其控制下執(zhí)行輸入輸出操作。P1.1 和P1.4配置為輸出引腳，分別連接CC2520 的片選腳CSn和復(fù)位腳REST。

圖3 ZigBee 節(jié)點(diǎn)硬件電路實(shí)現(xiàn)

3 匹配電路的設(shè)計(jì)及仿真

匹配電路的設(shè)計(jì)如圖4 所示,射頻信號(hào)經(jīng)L112 濾除低頻部分，經(jīng)L111和C113 組成的濾波網(wǎng)絡(luò)，再由C111濾除超高頻部分，最后經(jīng)過(guò)C112 到達(dá)射頻收發(fā)模塊CC2591。為了減小反射損耗，獲得最大功率傳輸從而提高通信距離，射頻收發(fā)模塊和天線之間必須達(dá)到很好的阻抗匹配。使用Agilent 公司的仿真軟件ADS2005A對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，頻率掃描起點(diǎn)為2.0GHz，終點(diǎn)為3.0GHz，掃描間隔為10MHz。仿真結(jié)果見(jiàn)于圖5。輸入反射系數(shù)S11 代表輸入端口反射波與入射波之比，輸出反射系數(shù)S22 代表輸出端口反射波與入射波之比。S11和S22越大則輸入或輸出損耗越嚴(yán)重，因此一般要求工作頻域內(nèi)S11 和S22 小于-10dB，并且越小越好。在Smith圓圖中可以讀出2.4GHz 處S11 和S22 的值滿(mǎn)足要求。阻抗值以特性阻抗Z0的形式給出。2.4GHz 處輸入阻抗和輸出阻抗均接近Z0，達(dá)到了匹配的要求。

圖4 匹配電路的設(shè)計(jì)

圖5 仿真結(jié)果的Smith圓圖

4 結(jié)論

ZigBee 是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文使用STR712F 系列ARM 微控制器和CC2520為RF收發(fā)器，從ZigBee 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)介紹了ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的組成，實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)測(cè)通信距離達(dá)到500米的設(shè)計(jì)方案，并使用ADS仿真軟件使得射頻模塊和天線之間達(dá)到了最佳阻抗匹配。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：使用德州儀器最新推出的CC2520 為RF 收發(fā)器及CC2591作為射頻前端，將最新的ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信，大大簡(jiǎn)化了復(fù)雜的外圍組件并提高了電路穩(wěn)定性。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于射频CC2520 实现的ZigBee 通信设计的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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