ZigBee硬件平臺課件

1、第10章 ZigBee硬件平臺10.1 ZigBee無線SOC片上系統(tǒng)CC2430/CC2431概述CC2430/CC2431是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議。根據(jù)芯片內(nèi)置閃存的不同容量，提供給用戶3個版本，即CC2430-F32/64/128，分別對應(yīng)內(nèi)置閃存32/64/128KB。第10章 ZigBee硬件平臺CC2430/CC2431芯片主要特點CC2430/CC2431 采用增強型8051MCU、32/64/128KB閃存、8KB SRAM等高性能模塊，并內(nèi)置了ZigBee協(xié)議棧。加上超

2、低能耗，使得它可以用很低的費用構(gòu)成ZigBee節(jié)點，具有很強的市場競爭力。CC2430/CC2431是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和工業(yè)級的8051控制器。第10章 ZigBee硬件平臺CC2430/CC2431芯片（如圖10-1所示）延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有32/64/128KB可編程閃存和8K

3、B的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog Timer）、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown Out Detection)以及21個可編程I/O引腳。CC2430/CC2430區(qū)別在于：只有CC2431有定位跟蹤引擎，CC2430無定位跟蹤引擎。除了以上其它外，在外觀上CC2430與CC2431完全一樣的。CC2430/CC2431芯片采用0.18m CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA 或

4、25mA。CC2430/CC2431的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。第10章 ZigBee硬件平臺第10章 ZigBee硬件平臺CC2430/CC2431芯片的主要特點如下：高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核；適應(yīng)2.4GHzIEEE 802.15。4的RF收發(fā)器；極高的接收靈敏度和抗干擾性能；32/64/128KB閃存；8KBsRAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；強大的DMA功能；只需極少的外接元件；只需一個晶體，即可滿足組網(wǎng)需要；電流消耗小(當(dāng)微控制器內(nèi)核運行在32MHz時。Rx為27mA，Tx為25mA)；掉電方式下，電流消耗只

5、有O.9A，外部中斷或者實時鐘(RTc)能喚醒系統(tǒng)；掛起方式下，電流消耗小于O.6A，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持避免沖突的載波偵聽多路存取(csMAcA)；第10章 ZigBee硬件平臺電源電壓范圍寬(2.O3.6 V)；支持?jǐn)?shù)字化的接收信號強度指示器/鏈路質(zhì)量指示(RssI/LQI)；電池監(jiān)視器和溫度傳感器；具有8路輸入814位ADC；高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AEs)協(xié)處理器；2個支持多種串行通信協(xié)議的usART；看門狗；1個IEEE 802.5.4媒體存取控制(MAc)定時器；1個通用的16位和2個8位定時器；支持硬件調(diào)試；21個通用I/0引腳，其中2個具有20mA的電流吸收或電流供給能力；提供強

6、大、靈活的開發(fā)工具；小尺寸QLP48封裝，7mm7mm。第10章 ZigBee硬件平臺10.3 CC2430/CC2431芯片功能結(jié)構(gòu)CC2431片上系統(tǒng)(SoC)由CC2430加上Motorola的基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線電定位引擎組成。CC2431和CC2430地最大區(qū)別在于CC2431具有包括Motorola的有許可證的定位檢測硬件核心。圖10-2為CC2430/CC2431芯片引腳示意圖。其中，外露的芯片安裝襯墊必須連接到PCB的接地層，芯片通過該處接地。CC2430/CC2431具有CC2420 RF接收器以及增強性能的8051 MCU、8KB RAM等，其增強的80

7、51 MCU核的性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051核性能的8倍。CC2430/CC2431還具備直接存儲器定址(DMA)功能(能夠被用于減輕8051微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)搬移，因此提高了芯片整體的性能)、可編程看門狗定時器、AES-128安全協(xié)處理器、多達8輸入的8-14位ADC、USART、睡眠模式定時、上電復(fù)位、掉電檢測電路(Brown Out Detection)、21個可編程I/O管腳等。兩個可編程的USART用于主/從SPI或UART操作。帶外部功放的CC2430/CC2431參考設(shè)計可提供+10dBm的輸出功率。第10章 ZigBee硬件平臺采用該核心，可以實現(xiàn)0.25米的定位分辨率和3米左右的定

8、位精度，這個精度已經(jīng)大大高于衛(wèi)星定位的精度，定位時間小于40微秒。采用CC2431組成定位系統(tǒng)，需要有最少3個參考節(jié)點組成一個無線定位網(wǎng)絡(luò)。CC2430/CC2431芯片采用7mm7mmQLP封裝，共有48個引腳(如圖10-2所示)。全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。CC2430片上系統(tǒng)的功能模塊集成了CC2420RF收發(fā)器、增強工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。第10章 ZigBee硬件平臺第10章 ZigBee硬件平臺1.I/O端口線引腳功能CC2430/CC2431有21個可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設(shè)定一組SFR寄存器的位和字節(jié)

9、，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計時器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。I/O口有下面的關(guān)鍵特性：可設(shè)置為通常的I/O口，也可設(shè)置為外圍I/O口使用。在輸入時有上拉和下拉能力。全部21個數(shù)字I/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。如果需要外部設(shè)備，可對I/O口引腳產(chǎn)生中斷，同時外部的中斷事件也能被用來喚醒休眠模式。16腳（P1_2P1_7）：具有4mA輸出驅(qū)動能力。89腳（P1_0P1_1）：具有20mA的驅(qū)動能力。1118腳（P0_0P0_7）：具有4mA輸出驅(qū)動能力。43，44，45，46，48腳（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4mA輸出驅(qū)動

10、能力。第10章 ZigBee硬件平臺2電源線引腳功能7腳（DVDD）：為I/O提供2.03.6V工作電壓。20腳（AVDD_SOC）：為模擬電路連接2.03.6V的電壓。23腳（AVDD_RREG）：為模擬電路連接2.03.6V的電壓。24腳（RREG_OUT）：為25，2731，3540引腳端口提供1.8V的穩(wěn)定電壓。25腳(AVDD_IF1)：為接收器波段濾波器、模擬測試模塊和VGA的第一部分電路提供1.8V電壓。27腳（AVDD_CHP）：為環(huán)狀濾波器的第一部分電路和充電泵提供1.8V電壓。28腳（VCO_GUARD）：VCO屏蔽電路的報警連接端口。29腳（AVDD_VCO）：為VCO和

11、PLL環(huán)濾波器最后部分電路提供1.8V電壓。30腳（AVDD_PRE）：為預(yù)定標(biāo)器、Div2和LO緩沖器提供1.8V的電壓。第10章 ZigBee硬件平臺31腳（AVDD_RF1）：為LNA、前置偏置電路和PA提供1.8V的電壓。33腳（TXRX_SWITCH）：為PA提供調(diào)整電壓。35腳（AVDD_SW）：為LNA/PA交換電路提供1.8V電壓。36腳（AVDD_RF2）：為接收和發(fā)射混頻器提供1.8V電壓。37腳（AVDD_IF2）：為低通濾波器和VGA的最后部分電路提供1.8V電壓。38腳（AVDD_ADC）：為ADC和DAC的模擬電路部分提供1.8V電壓。39腳（DVDD_ADC）：為

12、ADC的數(shù)字電路部分提供1.8V電壓。40腳（AVDD_DGUARD）：為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。41腳（AVDD_DREG）：向電壓調(diào)節(jié)器核心提供2.03.6V電壓。42腳（DCOUPL）：提供1.8V的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用。47腳（DVDD）：為I/O端口提供2.03.6V的電壓。第10章 ZigBee硬件平臺3控制線引腳功能10腳（RESET_N）：復(fù)位引腳，低電平有效。19腳（XOSC_Q2）：32MHz的晶振引腳2。21腳（XOSC_Q1）：32MHz的晶振引腳1，或外部時鐘輸入引腳。22腳（RBIAS1）：為參考電流提供精確的偏置電阻。26腳（RBIAS2）：提供精確

13、電阻，43k，1%。32腳（RF_P）：在RX期間向LNA輸入正向射頻信號；在TX期間接收來自PA的輸入正向射頻信號。34腳（RF_N）：在RX期間向LNA輸入負(fù)向射頻信號；在TX期間接收來自PA的輸入負(fù)向射頻信號。43腳(P2_4/XOSC_Q2)：32.768 kHz XOSC的2.3端口。44腳(P2_4/XOSC_Q1)：32.768 kHz XOSC的2.4端口。第10章 ZigBee硬件平臺10.4 SOC無線CC2430之8051的CPU介紹10.4.1 簡介CC2430/CC2431集成了4個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作：一個32MHz 晶體振蕩器，一個16MHz RC-振蕩器

14、，一個可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個可選的32.768kHz RC振蕩器。CC2430/CC2431的8051內(nèi)核的目標(biāo)代碼兼容標(biāo)準(zhǔn)8051的微處器。換句話說,CC2430/CC2431的8051目標(biāo)碼與標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)8051的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)，所有的CC2430/CC2431的8051指令在目標(biāo)碼和功能上與同類的標(biāo)準(zhǔn)的8051產(chǎn)品完全等價。第10章 ZigBee硬件平臺10.4.1 簡介CC2430/CC2431也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。一個AES協(xié)處理器被集成在CC2430/CC2431，以支持IEEE802.15.4 MAC安全所需的（12

15、8位關(guān)鍵字）AES的運行，以實現(xiàn)盡可能少的占用微控制器。CC2430/CC2431增強型8051內(nèi)核使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集，具有8倍的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的性能。這是因為：（1)每個時鐘周期為一個機器周期而標(biāo)準(zhǔn)8051中是12個時鐘周期為一個機器周期。（2)除去被浪費掉的總線狀態(tài)的方式。CC2430/CC2431包含一個DMA控制器。8K字節(jié)靜態(tài)RAM，其中的4K字節(jié)是超低功耗SRAM。32k、64k或128k字節(jié)的片內(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲器。第10章 ZigBee硬件平臺10.4.2 存儲器8051 CPU有4個不同的存儲空間：代碼（CODE）：16位只讀存儲空間，用于程序存

16、儲（如圖10-3所示）。數(shù)據(jù)（DATA）：8位可存取存儲空間，可以直接或間接被單個的CPU指令訪問。該空間的低128字節(jié)可以直接或間接訪問，而高128字節(jié)只能夠間接訪問。外部數(shù)據(jù)(XDATA)：l6位可存取存儲空間，通常需要45個CPU指令周期來訪問（如圖10-4所示）。特殊功能寄存器(SFR)：7位可存取寄存器存儲空間，可以被單個的CPU指令訪問。第10章 ZigBee硬件平臺第10章 ZigBee硬件平臺第10章 ZigBee硬件平臺1存儲器映射圖與標(biāo)準(zhǔn)8051存儲器映射圖不同之處有兩個方面：（1）為了使得DMA控制器訪問全部物理存儲空間，全部物理存儲器都映射到XDATA存儲率間；（2）代

17、碼存儲器空間可以選擇，因此全部物理存儲器可以通過使用代碼存儲器空間的統(tǒng)一映射，映射到代碼空間。第10章 ZigBee硬件平臺2存儲器空間（1）外部數(shù)據(jù)存儲器空間對于大于32KB閃存的芯片，最低的55KB閃存程序存儲器映射到地址0 x00000 xDEFF；而對于32KB閃存的芯片，32KB閃存映射到地址0 x00000 x7FFF。所有的芯片，其8KBSRAM都映射到地址0 xE0000 xFFFF，而特殊功能寄存器的地址范圍是0 xDF000 xDFFF。這樣多就允許DMA控制器和CPU在一個統(tǒng)一的地址空間對所有物理存儲器進行存取操作。（2）代碼存儲器空間對于物理存儲器空間，代碼(CODE)

18、存儲器空間既可以使用統(tǒng)一映射，又可以使用非統(tǒng)一映射。代碼存儲器空間的統(tǒng)一映射類似外部存儲器空間的統(tǒng)一映射。對于大于32KB的閃存存儲器，在采用統(tǒng)一映射時，其最低端的55KB閃存映射到代碼存儲器空間。這與外部存儲器空間的映射類似。8KB SRAM包括在代碼地址空間之內(nèi)，從而允許程序的運行可以超出SRAM的范圍。第10章 ZigBee硬件平臺（3）數(shù)據(jù)存儲器空間數(shù)據(jù)(DATA)存儲器的8位地址，映射到8KB SRAM的高端256字節(jié)。在這個范圍中，也可以對地址范圍為0 xFF000 xFFFF的代碼空間和外部數(shù)據(jù)空間進行存取。（4）特殊功能寄存器空間特殊功能寄存器(SFR)可以對具有128個入口的

19、硬件寄存器進行存取，也可以對地址范圍為0 xDF800 xDFFF的XDATA/DMA進行存取。第10章 ZigBee硬件平臺3數(shù)據(jù)指針CC2430有2個數(shù)據(jù)指針(DPTRO和DPTRl)，主要用于代碼和外部數(shù)據(jù)的存取。例如：MOVC A，A+DPTRMOV A，DPTR數(shù)據(jù)指針選擇位是第O位。如表10-1所列，在數(shù)據(jù)指針中，通過設(shè)置寄存器DPS(0 x92)就可以選擇哪個指針在指令執(zhí)行時有效。兩個數(shù)據(jù)指針的寬度均為兩個字節(jié)，存在于特殊功能寄存器之中，詳細(xì)描述如表10-2所列。第10章 ZigBee硬件平臺位位名稱名稱復(fù)位復(fù)位讀讀/寫寫描述描述7:10 x00R0不使用0DPS0R/W數(shù)據(jù)指針

20、選擇，用來使選中的數(shù)據(jù)指針有效 0：DPTR0 1: DPTR1位位名稱名稱復(fù)位復(fù)位讀讀/寫寫描述描述DPH0(0 x83)DPTR0的高位字節(jié)7:0DPH07:00R/W數(shù)據(jù)指針0，高位字節(jié)DPL0(0 x82)DPTR0的低位字節(jié)7:0DPL07:00R/W數(shù)據(jù)指針0，低位字節(jié)DPH1(0 x85)DPTR1的高位字節(jié)7:0DPH17:00R/W數(shù)據(jù)指針1，高位字節(jié)DPL1(0 x84)DPTR1的低位字節(jié)7:0DPL17:00R/W數(shù)據(jù)指針1，低位字節(jié)第10章 ZigBee硬件平臺4外部數(shù)據(jù)存儲器存取CC2430提供一個附加的特殊功能寄存器MPAGE(0 x93)，詳細(xì)描述見表10-3。

21、該寄存器在執(zhí)行指令“MOVX A.，Ri和MOVXR，A時使用。MPAGE給出高8位的地址，而寄存器Ri給出低8位的地址。位位名稱名稱復(fù)位復(fù)位讀讀/寫寫描述描述7:0MPAGE7:00 x00R/W存儲器頁，執(zhí)行MOVX指令時地址的高位字節(jié)第10章 ZigBee硬件平臺10.4.3 特殊功能寄存器特殊功能寄存器(SFR)用于控制8051CPU核心和外部設(shè)備。一部分8051CPU核心寄存器與標(biāo)準(zhǔn)8051特殊功能寄存器的功能相同；另一部分寄存器不同于標(biāo)準(zhǔn)8051特殊寄存器。它們用來與外部設(shè)備單元接口，以及控制RF收發(fā)器。特殊功能寄存器控制CC2430/CC2431的8051內(nèi)核以及外設(shè)的各種重要的

22、功能。大部分的CC2430/CC2431特殊功能寄存器與標(biāo)準(zhǔn)的8051特殊功能寄存器功能相同，少部分與標(biāo)準(zhǔn)8051的不同。不同的特殊功能寄存器主要是用于控制外設(shè)以及射頻發(fā)射。表10-4介紹所有的特殊功能寄存器的地址。大寫字母的為CC2430/CC2431的特殊功能寄存器，小寫字母為標(biāo)準(zhǔn)8051的特殊功能寄存器。 第10章 ZigBee硬件平臺第10章 ZigBee硬件平臺分別介紹CC2430/CC2431的8051內(nèi)核內(nèi)在寄存器。1.R0-R72.程序狀態(tài)字PSW3.ACC 累加器4.B 寄存器5.堆棧指針SP6.CPU寄存器和指令集第10章 ZigBee硬件平臺10.5 CC2410/CC2

23、431主要外部設(shè)備10.5.1 I/O端口I/O每個引腳通過獨立編程能作為數(shù)字輸入或數(shù)字輸出，還可以通過軟件設(shè)置改變引腳的輸入輸出硬件狀態(tài)配置和硬件功能配置。在應(yīng)用I/O端口前需要通過不同的特殊功能寄存器對它進行配置。CC2430/CC2431包括三個8位輸入輸出端口，分別是P0，P1，P2。P0以及P1有8個引腳，P2有5個引腳，總共就是21個數(shù)字I/O引腳。這些引腳都可以用作于通過的I/O端口，同時，通過獨立編程還可以作為特殊功能的輸入/輸出，通過軟件設(shè)置還可以改變引腳的輸入輸出硬件狀態(tài)配置。因此，這21個I/O引腳具有以下功能：數(shù)字輸入輸出引腳；通用I/O或外設(shè)I/O；弱上拉輸入或推拉輸

24、出；外部中斷源輸入口。21個I/O引腳都可以用作于外部中斷源輸入口，因此如果需要外部設(shè)備可以產(chǎn)生中斷。外部中斷功能也可以映醒睡眼模式。第10章 ZigBee硬件平臺1通用I/O當(dāng)用作通用I/O時，引腳可以組成3個8位口(口O2)，定義為PO、P1和P2。其中，P0和P1是完全的8位口，而P2僅有5位可用。所有的口均可以位尋址，或通過特殊功能寄存器由P0、P1和P2字節(jié)尋址。每個口都可以單獨設(shè)置為通用I/O或外部設(shè)備I/O。除了兩個高輸出口P1_0和P1_1之外，所有的口用于輸出，均具備4mA的驅(qū)動能力；而Pl_0和P1_1具備20mA的驅(qū)動能力。第10章 ZigBee硬件平臺2通用I/O中斷通

25、用I/O引腳設(shè)置為輸入后，可以用于產(chǎn)生中斷。中斷可以設(shè)置在外部信號的上升或下降沿觸發(fā)。每個PO、P1或P2口的各位都可以中斷使能，整個口中所有的位也可以中斷使能。P0、P1、P2口對應(yīng)的寄存器為IENl和IEN2：IENI P0 IE：P0中斷使能；IEN2 PI IE：Pl中斷使能；IEN2 P2IE：P2中斷使能。除了所有的位中斷使能之外，每個口的各位都可以通過位于I/O口的特殊功能寄存器實現(xiàn)中斷使能。Pl中的每一位都可以單獨使能，P0中的低4位或高4位可以各自使能，P2_0P2_4可以共同使能。用于中斷的I/O特殊功能寄存器，其中斷功能如下：PI IEN：P1中斷使能； P0FG：P0中

26、斷標(biāo)志；PICTL：P0/P2中斷使能，P0P2中斷觸發(fā)沿設(shè)置；PI IFG：P1中斷標(biāo)志； P2IFG：P2中斷標(biāo)志。第10章 ZigBee硬件平臺3通用I/0 DMA當(dāng)用作通用I/O引腳時，每個P0和P2口都關(guān)聯(lián)一個DMA觸發(fā)。對于PO中的任何一個引腳，當(dāng)輸入傳送發(fā)生時，DMA的觸發(fā)為IOC_O同樣。，對于P1中的任何一個引腳，當(dāng)輸入傳送發(fā)生時，DMA的觸發(fā)為IOC_1。4外部設(shè)備I/O數(shù)字I/O引腳可以配置為外部設(shè)備I/O。通常選擇數(shù)字I/O引腳上的外部設(shè)備I/0功能，需要將對應(yīng)的寄存器位PxSEL置1。注意，該外部設(shè)備具有兩個可以選擇的位置對應(yīng)它們的I/O引腳。外部設(shè)備I/O引腳映射參

27、見表1-12。USART0SFR寄存器位PERCFG。U0CFG選擇計數(shù)器上I/O的位置，確定是位置1或者位置2個口將設(shè)置為模擬模式。第10章 ZigBee硬件平臺5未使用的引腳未使用的引腳應(yīng)當(dāng)定義電平，而不能懸空。一種方法是：該引腳不連接任何元器件，將其配置為具有上拉電阻器的通用輸入口。這也是所有的引腳在復(fù)位期間的狀態(tài)。這些引腳也可以配置為通用輸出口。為了避免額外的能耗，無論引腳配置為輸入口還是輸出口，都不可以直接與VDD或者GND連接。6I/O寄存器I/O寄存器有19個，分別是：P0(口O)、P1(口1)、P2(口2)、PERCFG(外部設(shè)備控制寄存器)、ADCCFG(ADC輸入配置寄存器

28、)、PO SEI。(口O功能選擇寄存器)、.PI SEt。(口1功能選擇寄存器)、P2 SEI。(口2功能選擇寄存器)、PODIR(口O方向寄存器)、PI DIR。(口1方向寄存器)、P2 DIR(口2方向寄存器)、POINP(口O輸入模式寄存器)、PI INP(口l輸入模式寄存器)、P2INP(口2輸入模式寄存器)、POIFG-(口O中斷狀態(tài)標(biāo)志寄存器)、PIlFG(口1中斷狀態(tài)標(biāo)志寄存器)、P2 IFG(口2中斷狀態(tài)標(biāo)志寄存器)、P=lCTL(口中斷控制寄存器)，以及PI!EN(口1中斷屏蔽寄存器)。第10章 ZigBee硬件平臺10.5.2 DMA控制器CC2430內(nèi)置一個存儲器直接存取

29、(DMA)控制器。該控制器可以用來減輕8051CPU核傳送數(shù)據(jù)時的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)CC2430在高效利用電源的條件下的高性能。只需要CPU極少的干預(yù)，DMA控制器就可以將數(shù)據(jù)從ADC或RF收發(fā)器傳送到存儲器。DMA控制器匹配所有的DMA傳送，確保DMA請求和CPU存取之間按照優(yōu)先等級協(xié)調(diào)、合理地進行。DMA控制器含有若干可編程設(shè)置的DMA信道，用來實現(xiàn)存儲器一存儲器的數(shù)據(jù)傳送。DMA控制器控制數(shù)據(jù)傳送超過整個外部數(shù)據(jù)存儲器空間。由于SFR寄存器映射到DMA存儲器空間，使得DMA信道的操作能夠減輕CPU的負(fù)擔(dān)。例如，從存儲器傳送數(shù)據(jù)到USART，按照定下來的周期在ADC和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)；通過從存儲

30、器中傳送一組參數(shù)到I/O口的輸出寄存器，產(chǎn)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)與外部設(shè)備之聞傳送數(shù)據(jù)，這就降低了整個系統(tǒng)的能耗。第10章 ZigBee硬件平臺DMA控制器的主要性能如下：5個獨立的DMA信道3個可以配置的DMA信道優(yōu)先級；31個可以配置的傳送觸發(fā)事件；源地址和目標(biāo)地址的獨立控制；3種傳送模式：單獨傳送、數(shù)據(jù)塊傳送和重復(fù)傳送；支持?jǐn)?shù)據(jù)從可變長域傳送到固定長度域；既可以工作在字(word-size)模式，又可以工作在字節(jié)(byte-size)模式。 第10章 ZigBee硬件平臺1DMA操作DMA控制器有5個信道，即DMA信道04。每個DMA信道

31、能夠從DMA.存儲器空間傳送數(shù)據(jù)到外部數(shù)據(jù)(XDATA)空間。DMA操作流程如圖10-5所示。當(dāng)DMA信道配置完畢后，在允許任何傳送初始化之前，必須進入工作狀態(tài)。DMA信道通過將DMA信道工作狀態(tài)寄存器中指定位(即DMAARM)置1，就可以進入工作狀態(tài)。一旦DMA.信道進入工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定的DMA.觸發(fā)事件發(fā)生時，傳送就開始了?？赡艿腄MA.觸發(fā)事件有31個，例如UARS、傳送、計數(shù)器溢出等。為了通過DMA觸發(fā)事件開始DMA傳送，用戶軟件可以設(shè)置對應(yīng)的DMAREQ位，使DMA傳送開始。第10章 ZigBee硬件平臺2MAC定時/計數(shù)器CC2430/CC2431包括四個定時器：一個一般的16位(

32、Timer1)和兩個8位(Timer3,4)定時器，支持典型的定時/計數(shù)功能，例如測量時間間隔，對外部事件計數(shù)，產(chǎn)生周期性中斷請求，輸入捕捉、比較輸出和PWM功能。一個16位MAC定時器(Timer2)，用以為IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定時以及為IEEE802.15.4的MAC層提供定時。由于三個一般定時器與普通的8051定時器相差不大，下面我們來重點看看MAC定時器(Timer2)。MAC定時器主要用于為802.15.4的CSMA-CA算法提供定時/計數(shù)和802.15.4的MAC層的普通定時。如果MAC定時器與睡眼定時器一起使用，當(dāng)系統(tǒng)進入低功耗模塊時，而MAC定時器將

33、提供定時功能。當(dāng)系統(tǒng)進入和退出低功耗模式之間，使用睡眼定時器設(shè)置周期。第10章 ZigBee硬件平臺MAC定時器的主要特征：16位定時/計數(shù)器提供的符碼/幀周期為：16s/320s。可變周期可精確到31.25ns。8位計時比較功能。20位溢出計數(shù)。20位溢出計數(shù)比較功能。幀首定界符捕捉功能。定時器啟動/停止同步于外部32.768MHz時鐘以及由睡眼定時器提供定時。比較和溢出產(chǎn)生中斷。具有DMA功能。第10章 ZigBee硬件平臺10.5.3 AES(高級加密標(biāo)準(zhǔn))協(xié)處理器CC2430數(shù)據(jù)加密是由支持高級加密標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)處理器完成的。正是由于有了.AES協(xié)處理器的加密/解密操作，極大地減輕了CC24

34、30內(nèi)置CPU的負(fù)擔(dān)。AES協(xié)處理器具有下列特性：支持IEEE802.15.4的全部安全機制。ECB(電子編碼加密)、CBC(密碼防護鏈)、CBF(密碼反饋)、OFB(輸出反饋加密)、CTR(計數(shù)模式加密)_和CBCMAC(密碼防護鏈消息驗證代碼)模式。硬件支持CCM(CTR+CBC-MAC)模式。128位密鑰和初始化向量(IV)/當(dāng)前時間(Nonce)。DMA傳送觸發(fā)能力。第10章 ZigBee硬件平臺10.5.3 AES(高級加密標(biāo)準(zhǔn))協(xié)處理器CC2430數(shù)據(jù)加密是由支持高級加密標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)處理器完成的。正是由于有了.AES協(xié)處理器的加密/解密操作，極大地減輕了CC2430內(nèi)置CPU的負(fù)擔(dān)。A

35、ES協(xié)處理器具有下列特性：支持IEEE802.15.4的全部安全機制。ECB(電子編碼加密)、CBC(密碼防護鏈)、CBF(密碼反饋)、OFB(輸出反饋加密)、CTR(計數(shù)模式加密)_和CBCMAC(密碼防護鏈消息驗證代碼)模式。硬件支持CCM(CTR+CBC-MAC)模式。128位密鑰和初始化向量(IV)/當(dāng)前時間(Nonce)。DMA傳送觸發(fā)能力。1AES操作 2密鑰和初始化向量3填充輸入數(shù)據(jù) 4CPU接口5操作模式第10章 ZigBee硬件平臺10.6 無線模塊一個基于802.15.4的CC2430/CC2431無線收發(fā)模塊如圖10-10所示。無線核心部分是一個CC2420射頻收發(fā)器。第

36、10章 ZigBee硬件平臺CC2430/CC2431的無線接收器是一個低中頻的接收器。接收到的射頻信號通過低噪聲放大器放大而正交降頻轉(zhuǎn)換到中頻。在中頻2MHz中，當(dāng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換時，輸入/正義調(diào)相信號被過濾和放大。CC2430/CC2431的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)通過先進先出(FIFO)的方式來接收128位數(shù)據(jù)。使用先進先出讀取數(shù)據(jù)需要通過特殊功能寄存器接口。內(nèi)存與先進先出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移動使用DMA方式來實現(xiàn)。CRC校驗使用硬件實現(xiàn)。接收信號強度指標(biāo)(RSSI)和相關(guān)值添加到幀中。在接收模式中可以用中斷來使用清除通道評估(CCA)。CC2430/CC2431的發(fā)送器是基于上變頻器。接收數(shù)據(jù)存放在一個接收先

37、進先出(區(qū)別于發(fā)送先進先出)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)符和開始符由硬件生成。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號發(fā)送出去。第10章 ZigBee硬件平臺CC2430/CC2431無線部分主要參數(shù)以下：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頻方式；數(shù)據(jù)速率達250kbps，碎片速率達2Mchip/s；采用O-QPSK調(diào)制方式；高接收靈敏度(-94dBm)；抗鄰頻道干擾能力強(39dB)；內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及電源穩(wěn)壓器；采用低電壓供電(2.1-3.6V)；輸出功率編程可控；IEEE802.15.4MAC硬件可支持自動幀格

38、式生成、同步插入與檢測、10bit的CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層保護(CTR，CBC-MAC，CCM)。第10章 ZigBee硬件平臺10.6.1 IEEE 802.15.4調(diào)制方式IEEE 802.15.4的數(shù)字高頻調(diào)制使用2.4G直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)。擴展調(diào)制功能如圖10-11所示。在調(diào)制前需要將數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換處理，每個字節(jié)分為兩組符號，4位一組，低位符號首先傳送。對于多字節(jié)域，是低位字節(jié)首先傳送。每個符號映射到一個超過l6位的偽隨機序列，即32位片碼序列。片碼序列以2Mchip/s的速率傳送。對于每個符號首先傳送低位片碼C。圖10-11 調(diào)制和擴展功能調(diào)制方式為偏移正

39、交相移鍵控(O-QPSK)，具有半正弦片的形狀，相當(dāng)于最小相位頻移鍵控(MSK)。每片的形狀如同半個正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道傳送。每個信道占用半個片碼偏移周期，參見圖10-12。第10章 ZigBee硬件平臺第10章 ZigBee硬件平臺10.6.2 接收模式在接收模式中，當(dāng)幀開始定界符SFD全部收到之后，中斷標(biāo)志RFIF。IRQ_SFD置1，而且發(fā)出RF中斷請求。如果地址識別已經(jīng)禁止或者已經(jīng)獲得成功，則RFSTATUS。SFD位清。當(dāng)RXF!FO中有數(shù)據(jù)時，RFSTATUS.FIFO置l。存放在RXFIFO審的第一小字節(jié)是收到的幀長度所在域。也就是說，當(dāng)長度域?qū)懭隦X

40、FIFO時，RFSTATUS.FIFo置1.在RXFIFO變空之前，RFSTATUS。FIFO一直置高。RF寄存器RXFIFOCNT存放當(dāng)前；RXFIFO中的字節(jié)的數(shù)量。當(dāng)RXFIFO中未讀過的字節(jié)超過編程設(shè)置在IOCFG0。FIFOP_THR中的閾值時，RFSTATUS.FIFOP置l；而當(dāng)?shù)刂纷R別使能時，除非收到的幀通過地址識別，否則，即使RXFIFO中的字節(jié)超過編程設(shè)置的閾值，RFSTATUS。FIFOP也；不會置1.第10章 ZigBee硬件平臺當(dāng)收到新的包中最后一個字節(jié)時，即使RXFIFO中的字節(jié)沒有超過閾值，RFSTATUS。FIFOP也會置1。一旦讀出RXFIFO一個字節(jié)，RFS

41、TATUS。FIFOP就立即清0。當(dāng)?shù)刂纷R別使能時，如果地址沒有全部收到，則數(shù)據(jù)不能夠從RXFIFO讀出。這是由于如果地址識別失敗，接收幀就會被CC2430自動清除。由于RFSTATUS。FIFOP只有接收幀通過地址識別才會置1，可以利用這項功能來控制數(shù)據(jù)的讀出。 圖為一個實例。該實例表明從RXFIFO中讀一個包時狀態(tài)位的活動情況。包的尺寸是8字節(jié)，IOCFGO。FIFOP_THR=3，MODEMCTRL0。AUTOCRC置1，數(shù)據(jù)長度是8字節(jié)。圖中，在接收包期間，RSSI存放RSSI電平的平均值；FCS/Corr存放FCS信息的校驗結(jié)果及相互關(guān)系。第10章 ZigBee硬件平臺10.6.3

42、發(fā)送測試模式為了實現(xiàn)性能評估，CC243O可以設(shè)置成為不同的發(fā)送測試模式。測試模式首先需要芯片復(fù)位，使用選通命令SXOSCON使能晶體振蕩器，讓其穩(wěn)定運行。1.未調(diào)制的載波2.己調(diào)制的頻譜第10章 ZigBee硬件平臺10.6.4 CSMA-CA/選通處理器在CC2430中，CSMA-CA/命令選通處理器(CSP)提供CPU。和無線模塊之間的控制接口。CSP通過SFR寄存器RFST、以及RF寄存器CSPX、CSPY、CSPZ、CSP7、和CSPCTRL與CPU接口。CSP向CPU發(fā)出中斷請求。除此之外，CSP與MAC計數(shù)器接口，接收MAC計數(shù)器溢出事件。CSP允許CPU對無線模塊發(fā)布選通命令，

43、從而控制無線模塊的運行。CSP具體描述參考有關(guān)文獻。CSP 有兩種操作模式：直接選通命令執(zhí)行模式：直接將命令寫給CSP，CSP立即下達給無線模塊。該模式中的直接選通命令僅用于控制CSP。程序執(zhí)行模式：CSP執(zhí)行用戶定義的短程序。該短程序存儲在程序存儲器(即指令儲器)之中。CC2430運行時，該短程序首先由CPU裝入CSP，然后CPU指示CSP開始執(zhí)行。程序執(zhí)行模式與MAC計數(shù)器允許CSP自動進行CSMA-CA.運算。這樣，CSP就成為CPU的一個協(xié)處理器。下面介紹CSP操作的詳細(xì)情況。1指令存儲器 2數(shù)據(jù)寄存器 3程序運行 4中斷請求 5隨機數(shù)指令 6運行CSP程序 7.程序?qū)嵗?0章 Zi

44、gBee硬件平臺10.7 CC2430/CC2431所涉及無線通信技術(shù)所涉及無線通信技術(shù)10.7.1 清潔信道評估CCA10.7.2 無線直接頻譜技術(shù)DSSS10.7.3 載波偵聽多點接入/沖突檢測CSMA/CA第10章 ZigBee硬件平臺10.7.1 清潔信道評估CCA在ZigBee物理層中可通過如下3種方法來進行清潔信道評估(CCA)：（1）超出閾值的能量：當(dāng)CCA檢測到一個超出能量檢測的閾值能量時，給出一個忙的信息。（2）載波判斷：當(dāng)CCA檢測到一個具有IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)特性的擴展調(diào)制信號時，給出一個忙的信息。（3）帶有超出閾值能量的載波判斷，當(dāng)CCA檢測到一個具有IEEE8

45、02.15.4標(biāo)準(zhǔn)特性，并超出閾值能量的擴展調(diào)制信號時，給出一個忙的信息。對于上述模式中的任何一種CCA模式，如果物理層正在接收一個物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元時，收到PLME-CCA請求時，CCA也給出一個忙的信息。在ZigBee設(shè)備中，在幀定界符檢測后，才考慮接物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。對于幀定界符的檢測時間為檢測到物理層包頭的8比特(bit)組數(shù)據(jù)為止。第10章 ZigBee硬件平臺10.7.2 無線直接頻譜技術(shù)DSSS1直接序列擴頻通訊的優(yōu)點2直接序列擴頻通信技術(shù)特點（1）抗干擾性強（2）隱蔽性好（3）易于實現(xiàn)碼分多址（CDMA）（4）抗多徑干擾（5）直擴通信速率高3直接序列擴頻系統(tǒng)的處理增益4直接序

46、列擴頻技術(shù)和多徑問題5直接序列擴頻與窄帶相比的優(yōu)點第10章 ZigBee硬件平臺10.7.2 無線直接頻譜技術(shù)DSSSCC2430/CC2431數(shù)字高頻部分，采用了直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)，不僅能夠非常方便的實現(xiàn)802.15.4短距離無線通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容，而且大大提高了無線通訊的可靠性。下面，就簡單介紹直接序列擴頻（DSSS）的原理。直接序列擴頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）是直接利用具有高碼率的擴頻碼系列采用各種調(diào)制方式在發(fā)端與擴展信號的頻譜，而在收端，用相同的擴頻碼序去進行解碼，把擴展寬的擴頻信號還原成原始的信息。它是一種數(shù)字調(diào)制方法，具體說，就

47、是將信源與一定的PN碼（偽噪聲碼）進行模二加。直接序列擴頻技術(shù)通過將射頻載波和偽噪聲（PN）數(shù)字信號有效地相乘來執(zhí)行數(shù)據(jù)處理。首先，它通過相應(yīng)的調(diào)制手段（如：BPSK、QPSK、QAM等）將PN碼調(diào)制到信息信號上。然后，用一個雙重平衡混頻器將射頻載波和經(jīng)PN碼調(diào)制的信息信號相乘。第10章 ZigBee硬件平臺10.7.3 載波偵聽多點接入/沖突檢測CSMA/CA總線型局域網(wǎng)在MAC層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議是CSMA/CD，即載波偵聽多點接入/沖突檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。但由于無線產(chǎn)品的適配器不易檢測信道是否存在沖

48、突，因此802.15全新定義了一種新的協(xié)議，即載波偵聽多點接入/避免沖撞CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，載波偵聽-查看介質(zhì)是否空閑；另一方面，避免沖撞-通過隨機的時間等待，使信號沖突發(fā)生的概率減到最小，當(dāng)介質(zhì)被偵聽到空閑時，優(yōu)先發(fā)送。不僅如此，為了系統(tǒng)更加穩(wěn)固，802.15還提供了帶確認(rèn)幀ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪聲干擾，或者由于偵聽失敗時，信號沖突就有可能發(fā)生，而這種工作于MAC層的ACK此時能夠提供快速的恢復(fù)能力。第10章 ZigBee硬件平臺在IEEE 802.15.4 CSMA/CA算法中,CSMA/CA算法是用于節(jié)點問數(shù)據(jù)傳輸

49、時的信道爭用機制，此算法中有三個重要的參數(shù)由每個要傳送數(shù)據(jù)的設(shè)備去維護：Nb、CW和BE。Nb(后退次數(shù)，Number Of Back)：Nb的初始值為0，當(dāng)設(shè)備有數(shù)據(jù)要傳送時，經(jīng)過一段后退時間后，發(fā)送CCA檢測，若檢測到信道忙，則會再一次產(chǎn)生倒退時間，此時Nb值會加1，在IEEE802.15.4中，Nb值最大定義為4，當(dāng)信道在經(jīng)過4次的后退延遲時間后仍為忙，剛放棄此次的傳送，以避免過大開銷。CW(碰撞窗口的長度，content window length)：也就是后退延遲時間的長度，單位是Backoff，一個后退周期的定義在MAC PIB中由參數(shù)aUnitBackofPeriod給出，為20

50、symbol的時間。CW的初始值為2，最大值為31。BE(后退指數(shù)，Backoff exponent)：取值范圍為05，15.4推薦的默認(rèn)值為3，最大值為5。當(dāng)BE設(shè)為0時，則只進行一次碰撞檢測。在IEEE 802.15.4中，失敗的次數(shù)(重傳)最多3次。圖10-17是CSMACA算法流程；其中在步驟(3)是完成CCA的部分。第10章 ZigBee硬件平臺第10章 ZigBee硬件平臺10.8 CC2431無線定位引擎介紹CC2431與CC2430的最重要其它在于CC2431具有一個無線定位跟蹤引擎，而CC2430沒有。除了這個定位引擎外，CC2430與CC2431功能完全一樣。CC2431的

51、定位引擎用于計算無線網(wǎng)絡(luò)中定位節(jié)點的位置。在CC2431組成的無線定位網(wǎng)絡(luò)中，包括參考節(jié)點、定位節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)三大部分。其中網(wǎng)關(guān)作用相當(dāng)于ZigBee的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個定位無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、協(xié)調(diào)。參考節(jié)點為已知位置的節(jié)點，并且其物理位置是固定不變的。定位節(jié)點為移動節(jié)點，其位置是隨時變化的，具體位置由CC2431的定位引擎通過接受參考節(jié)點的RSSI值經(jīng)過定位算法計算而得到。在CC2431無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中，定位精度與參考節(jié)點數(shù)量有關(guān)，一般而言，參考節(jié)點越多，定位精度越高。第10章 ZigBee硬件平臺CC2431無線定位引擎有如下主要特點：3-8個參考節(jié)點參與定位計算；最高定位精度可達0.5米；定位節(jié)

52、點響應(yīng)時間少于40s；定位區(qū)域為64X64米；定位誤差小于3米；硬件定位計算，消耗非常少CPU資源。第10章 ZigBee硬件平臺CC2431定位引擎定位操作過程，從圖中可以看定位節(jié)點(移動節(jié)點)會首先讀取所有參考節(jié)點的坐標(biāo)(X、Y)值，然后再讀取其它標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)(A值，N值，RSSI值)。其中A值為距離發(fā)射機(CC2430/CC2431)1米遠(yuǎn)的RSSI絕對值，N值為距離發(fā)射機每增加1米衰減的RSSI絕對值，RSSI為CC2430/CC2431信號強度，單位為dBm。當(dāng)CC2431把所有必要的參考讀取后，就開始定位計算，然后輸出定位節(jié)點的定位坐標(biāo)。第10章 ZigBee硬件平臺第10章 ZigBee硬件平臺10.9 基于CC2430/2431的ZigBee硬件平臺10.9.1 擴展表演板硬件描述圖10-19展示了CC2430擴展表演板的主要部分。在開發(fā)系統(tǒng)中擴展表演板提供了一個開發(fā)平臺完成CC2430功能測試，應(yīng)用演示等任務(wù)。1.電源接口2.RS-232接口3.用戶接口4.無線模塊插座5.電位器第10章 ZigBee硬件平臺1.電源接口CC2430擴展表演板提供了一個直流電源插座，用于在室內(nèi)使用直流電源為擴展表演板供電。同時在板上提供了一個電池盒插座，用于在需要移動測試的情況下使用。直流電源和電池兩種供電方式之間利用直流電源插座自動切換。直流電源供電優(yōu)先于電池供電，即CC243