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1、基于无线传感/控制网络的智能小车研制基于CC2420芯片的无线通讯模块设计摘 要 当今的各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输。其中，无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线缆、成本低廉、施工简单。将无线通讯芯片和单片机配上相应的无线通讯接口电路，就可以实现无线数据传输。本设计做的无线通讯接口电路是以无线收发芯片CC2420为核心设计的电路。本文介绍了无线通讯芯片CC2420的工作原理和主要特点，在此基础上设计了与MSP430的硬件接口电路。CC2420工作在从机模式，单片机工作在主机模式，通过SPI（串行外围接口）读/写CC2420缓冲器内的数据，同时给出了单片机
2、控制CC2420工作所需的软件设计，分析了如何利用单片机的USART模块实现与CC2420的数据通讯以及CC2420的初始化配置问题。最后分析了发射程序和接收程序的编程思路，并编程实现收发程序的设计。关键词：CC2420；MSP430；SPI；无线通讯；硬件和软件设计AbstractToday, all kinds of intelligent control system need data communications. Wireless data communication system is a new data communication style. It need not com
3、munication cable , and is simple and cheap. Wireless data communication between the wireless communication module and the single chip microcomputers is realized by wireless communication circuit .CC2420 is used in wireless communication circuit in this paper. This paper introduces the operation prin
4、ciple and main characteristics of CC2420, followed by the design of interface circuit with micro controller MSP430. Microcontroller reads and writes buffer data in CC2420 through SPI interface. CC2420 works in slave mode and MSP430 in master mode. It also introduces the software design which CC2420
5、and the single chip microcomputers need to realize wireless communication. It analyzes how to use USART realize communication and the dispose of CC2420 initialization . Based on these, it analyzes the programming idea of sender and receiver so the design can be realized through programming.Key words
6、: CC2420；MSP430；SPI； wireless communication；hardware and software design 绪 论工业领域在现代化的进程中通过引入各种先进技术，实现了劳动生产率的提高和生产成本的下降。在这些技术中，最典型的就是数字化技术和现代通讯技术。在现代工业数字化的基础上工业生产监控早已突破了单回路控制和监视的功能。随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对数据接口的开放性、数据传输的时效性、数据连接的安全性等方面提出了更高的要求。许多大型企业其生产地域分散，业务分工复杂，往往设有一个或者多个控制中心，以及大量的现场数据采
7、集点。这些采集点因分散而需要通过一定的通讯手段来实现与中心控制单元间的数据交互，进而实现生产过程的自动化。由于传统有线网络本身的局限性，许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。目前国内微机网络多为有线通讯方式。有线通讯的优点是数据传输可靠性较高，但需要铺设较多的明线，而有些领域由于条件所限，难以铺设线路，这时就需要无线通讯来解决问题。因此，无线通讯对于现代工业的发展有着重要的意义，也是通讯发展的趋势。将无线通讯技术用于小车实现自动导引，解决了有线通讯的很多缺点，将智能控制的优点也体现出来了，更是提高工业领域设备自动化的有效途径。无线传感器网络由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通讯
8、模块的微型节点，通过自组织方式构成网络，传感器网络具有分布式处理带来的监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等众多优点，成为近期国际上网络研究的重要热点之一。无线传感器网络被认为是影响人类未来生活的十大新兴技术之一，越来越得到学术界和工业界的高度重视。它集成了传感器技术、计算机技术和通讯技术，相互交叉渗透而成为现实。它们能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。本设计是做基于无线传感/控制网络的智能小车的通讯模块。该通讯模块是作为一个独立的无线传感器网络微型节点。无线传感器微型节点是一次性的，要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。因此，通讯模块的设计采用了CC
9、2420无线收发芯片来实现自动导引小车以无线方式通讯。无线通讯方式实现了有线通讯很多不能实现的功能，从某些程度上降低了有线通讯所需的成本，并提高了劳动生产率，是工业现代化发展的方向。将无线通讯技术用于导引小车，使小车的行动路径更加灵活，控制更加方便，提高了智能小车的性能。论文的总体框架安排如下：论文的第一部分无线通讯概述介绍了无线通讯的基本原理、几种无线通讯技术介绍及其比较以及ZigBee无线通讯技术的技术内容以及主要的特点，并讲述了基于CC2420无线通讯芯片的通讯模块的功能结构，也是整篇论文设计的基础。论文的第二部分是无线通讯模块的硬件设计，主要介绍了CC2420以及微处理器MSP430。
10、这一部分分析了射频芯片的选用原则，CC2420无线通讯芯片的主要特点、内部结构、典型应用电路、引脚的功能以及如何配置IEEE 802.15.4工作模式，概述了MCU（MSP430）的主要特点，以及CC2420与MSP430的硬件SPI接口，并在这一章中提供了通讯模块的原理图以及PCB制板图和相关的问题。论文的第三部分无线通讯模块的软件设计首先介绍了程序语言的选择，以及数据传输的帧格式，并重点讲述了通讯模块发射程序设计与接收程序设计。在程序设计时画出了程序设计的结构图，给出了编程的思路。最后一部分总结了本论文所讲述的基于CC2420的通讯模块的特点，软硬件设计的主要内容，以及通过设计所得出的结论
11、。 1 无线通讯概述1.1 无线通讯原理各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输。 其中,无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线缆、成本低廉、施工简单。无线数据传输有着重要的研究意义。理解无线通讯原理是设计无线通讯网络的基础。通讯的主要任务就是传送信息。所谓信息，就是要传送的文字、图象、数据等，通常它们都是以电信号的形式出现。它由发信设备、收信设备、信道等各部分组成。在无线通讯中，信道就是电磁波传播的途径，发送端用户通过发信设备将消息变为适合于信道传送的信号，收信设备则把收到的信号还原成信息，并传送到接收端用户。其原理图如图1所示：震荡功率放大倍频输出功放高频功放原
12、始信号天线原始信号本地震荡高频放大混频中频放大检波天线功率放大图1 无线信号收发的典型框图发射机中，振荡器的作用是产生最初的高频信号，它的频率等于或低于所需的工作频率fs,在后一种情况下，倍频器输出的信号频率为振荡器频率的整数倍，高频功率放大器的主要功能是将振荡器或倍频器输出的小信号放大到足够的功率电平，用以推动功率更大的高频输出功率放大器，输出功放的一个功能是直接产生大功率的高频信号，并发送到发射天线上去，另一个功能是对高频信号进行振幅调制，使高频信号的振幅随传送信号的大小而变化。接收机输入端的高频放大器的功能是对天线上收到的所需信号进行初步的选择和放大，“选择”就是只选取频率为fs的所需信
13、号，抑制其它频率的无用信号，这通常是靠放大器中的调谐电路实现。混频器将来自本地振荡器，频率为fl的信号与所需信号相混(频率相加或相减)，得到频率为fl=fl-fs的中频信号，中频放大器是中心频率固定的频带(带通)放大器，它可以进一步滤除无用信号，检波器的功能是将得到的调幅信号还原成原信号(称为解调)。1.2 无线通讯技术1.2.1 几种无线通讯技术介绍及其比较在现有的无线网络技术发展条件下,无线标准增加了灵活性,并降低了集成专利无线通讯的风险。在工控场合的应用条件下,短距离的无线传输尤其受到瞩目。在最近的几年中,人们不断探索,形成了当今令人眼花缭乱的无线通讯协议和产品。最流行的短距离无线数据通
14、讯的标准有蓝牙( Bluetooth ) 、Wi-Fi( IEEE802、11) 、IrDA 以及极具发展潜力、已被众多业界认可的ZigBee ( IEEE802、15、4) 等。1）蓝牙( BlueTooth)蓝牙(BlueTooth) 最早是爱立信在1994 年开始研究的一种能使手机与其附件(如耳机) 之间互相通讯的无线模块。1998 年,爱立信、诺基亚、IBM 等公司共同推出了蓝牙技术,主要用于通讯和信息设备的无线连接。它的工作频率为2、4GHz ,有效范围大约在10m 半径内。Bluetooth 列入了IEEE802、15、1 ,规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。为对
15、语音和特定网络提供支持,需要协议栈提供250kB 系统开销,从而增加了系统成本和集成复杂性。另外,Bluetooth 对每个“Piconet”(微微网) 有只能配置7 个节点的限制,制约了其在大型传感器网络开发中的应用。2）Wi-Fi( IEEE802. 11)Wi-Fi (Wireless Fidelity ,无线高保真) 也是一种无线通讯协议。IEEE802. 11 的最初规范是在1997 年提出的。主要目的是提供WLAN 接入,也是目前WLAN 的主要技术标准, 其工作频率也是2、4GHz。目前,IEEE802. 11 标准还没有被工业界广泛接受。IEEE802.11 流行的几个版本包括
16、“a”( 在5、8GHz 波段带宽为54MBps) 、“b”(波段2、4GHz 带宽为11MBps) 、“g”(波段2、4GHz 带宽为22MBps) 。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。Wi-Fi 规定了协议的物理(PHY) 层和媒体接入控制(MAC) 层,并依赖TCP/ IP 作为网络层。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的,因此大多数便携Wi-Fi 装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。3）IrDA红外线数据协会IrDA( Infrared DataAssociation) 成立于1993 年。IrDA 是一种利用红外线进行点对点通讯的技术。IrDA 标
17、准的无线设备传输速率已从115、2kbps 逐步发展到4Mbps、16Mbps。目前,支持它的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备(如PDA、手机)上被广泛使用。它具有移动通讯所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低廉的特点。IrDA 用于工业网络上的最大问题在于只能在2 台设备之间连接,并且存在有视距角度等问题。4）ZigBeeZigBee( IEEE802、15、4) 技术是最近发展起来的一种短距离无线通讯技术,功耗低,被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用2、4GHz波段,采用跳频技术和扩频技术。另外,它可与254 个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备
18、。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。几种常用无线传输方式的主要性能比较见表1 。表1 几种常用无线通讯方式的主要性能比较BlueToothWi-FiIrDAZigBee系统开销较大大小小电池寿命 较短短长最长网络节点 7302255/ 65000 +物理范围(有效)10m100m定向1m 1 - 100 +传输率 1Mbps 11Mbps16Mbps20/ 250kbps传输介质2、4GHz 射频2、4GHz 射频980nm 红外2、4GHz 射频1.2.2 ZigBee 的技术内容及特点ZigBee 是最新确定的商业名称,在以前曾被发起者以“
19、HomeRF lite”、“Firefly”和“RF-EasyLink”等命名。为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求,2000 年12 月IEEE 成立了IEEE802、15、4 工作组,致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用,且复杂度、成本和功耗均很低的低速率无线连接技术。ZigBee 联盟成立于2001 年8 月。到目前为止,除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外,该联盟大约已有百余家成员企业,并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP 服务提供商、消费类电子厂商及OEM 商等, 例如Honeywell 、Eaton 和Inv
20、ensys MeteringSystems 等工业控制和家用自动化公司, 甚至还有像Mattel 之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee 物理和媒体控制层技术标准的IEEE802、15、4 工作组。在工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等领域,对于无线网络的要求与民用场合有很大区别。它通常对数据吞吐量的要求很低,功率消耗要低。此外,简单方便、可以随意使用的无线装置大量涌现,需要布置大量的无线接入点,而低廉的价格将起着关键作用。所以ZigBee 标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通讯链路和低复杂度的无线收发信机。要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设
21、计,这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。ZigBee 的特点：1）低功耗:由于ZigBee 的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee 设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。2）成本低: ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右,估计很快就能降到1.152.15 美元,并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee 也是一个关键的因素。3）时延短:通讯时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延为30ms ,休眠激活的时延是15ms ,活
22、动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等) 应用。4）网络容量大:一个星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备,而且网络组成灵活。5）可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通讯业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。6）安全:ZigBee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES - 128 的加密算法,各个应用可以灵活确定其安
23、全属性。11.3 基于CC2420芯片的无线通讯模块的功能结构本设计是做基于无线传感/控制网络的智能小车的通讯模块。该通讯模块是作为一个独立的无线传感器网络微型节点与主控单元相接。无线传感器微型节点是一次性的，要求节点成本低廉和工作时间尽可能长。因此，通讯模块的设计采用了CC2420无线通讯芯片来实现自动导引小车以无线方式通讯。CC2420是挪威Chipcon公司推出的一款符合IEEE 802 15.4标准的ZigBee无线网络模块，只需很少的外围元件就能单片机构成一个无线通讯系统。本论文介绍采用CC2420与单片机的结合来组成一个点对点(也可以扩展成点对多点) 无线通讯系统，能够低成本、低误
24、码率的完成近距离无线通讯。该通讯模块要正常工作需要的功能模块主要包括晶振时钟电路、天线、电源、射频输入/输出匹配电路。其功能模块图如图2所示：CC2420天线晶振时钟电路微处理器电源射频输入/输出匹配电路图2 通讯模块的功能模块图2 无线通讯模块硬件设计2.1 无线收发芯片CC24202.1.1 射频芯片的选用原则当今信息技术高速发展,形成了令人眼花缭乱的无线通讯协议和产品。由于无线收发芯片的厂商和种类比较多，如何在设计中选择所需要的芯片是非常关键的，正确的选择可以少走弯路，降低成本，提高设计的成功率，对于产品生产型企业也能够更快的将产品推向市场。在选择芯片时主要考虑的因素是：1）功耗大多数无
25、线通讯芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗比较小的产品，CC2420发射电流17.4mA、接收电流19.7mA，是同类产品中功耗较小的。2）收发芯片的数据传输控制是否容易CC2420是一种采用串行传输的芯片，在编程上不会需要较高的技巧和经验，不需要更多的内存和程序容量，并且传送的效率很高。CC2420收发芯片只需通过与微处理器的简单接口就能和芯片传输数据。而且对CC2420的工作方式控制方法非常简单，只需通过CC2420 的四线串行接口线(时钟、数据输入、数据输出、片选)对内部的寄存器进行初始化，就可设定其接收、发送等各种工作状态。3）收发芯片所需的外围元件数
26、量芯片外围元件的数量直接决定产品的成本和设计难度，因此应该选择外围元件少的收发芯片。有些芯片似乎很便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件，如变容管以及声表滤波器等；有些芯片收发分别需要两根天线，会大大增加成本。这方面CC2420做得很好，外围元件很少，无需昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的16MHz晶振、普通的电容电感、并且收发天线合一。4）收发芯片的封装和管脚数较少的管脚以及较小的封装，有利于减少印刷电路板PCB的面积，适合便携式产品的设计，有利于开发和生产等。综合考虑上述的各种因素，决定采用Chipcon公司的无线收发芯片CC2420。2.1.2 CC2420芯片的主要特点CC2420是挪威
27、Chipcon公司推出的一款符合IEEE 802.15.4标准的ZigBee无线网络模块，只需很少的外围元件就可以与单片机构成一个无线通讯系统。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18umCMOS工艺制成，只需极少的外围元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可确保短距离通讯的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通讯设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。CC2420是IEEE 802.15.4标准的低成本、低功耗单片
28、高集成度解决方案。它工作在ISM（工业、科学、医疗）免费频带上，工作频率为2.4GHz。CC2420符合欧洲ETSI EN 300 328、EN 300 440 class 2,美国FCC CFR47 15部分标准和日本ARB STD-T66标准。它适合在2.4GHz IEEE802.15.4系统、ZigBee系统、消费类电子产品、工业控制和PC外设等领域中应用。可以看出：该芯片具有良好的性能，尤其是其极低的电流消耗和封装尺寸，可以满足无线传感网络中节点体积小、功耗小、成本低的特点，具有广泛的应用前景。CC2420的主要性能参数如下：工作频带范围：2.4002.4835GHz；采用IEEE 8
29、02.15.4规范要求的直接序列扩频方式；数据传输速率达250kbps，码片速率达2MChip/s；采用0-QPSK调制方式；超低电流消耗（RX：19.7mA,TX:17.4mA）高接收灵敏度（-99dBm）；抗邻频道干扰能力强（39dB）；内部集成有VCO、LAN、PA以及电源整流器，采用低电压供电（2.13.6V）；输出功率编程可控；IEEE 802.15.4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bitCRC校验、完全自动MAC层安全保护（CTR，CBR-MAC，CCM）；与控制微处理器的接口配置容易（4总线SPI接口）；开发工具齐全，提供有效的开发工具和演示套件；采用QL
30、P-48封装，外形尺寸只有7mm7mm。22.1.3 CC2420内部结构及典型应用电路 CC2420芯片内部结构主要由接收部分、发射部分、控制逻辑（Control Logic）、偏置（On-chip BIAS）、晶体振荡器（XOSC）、稳压器（Serial Voltage Regulator）和接口等电路组成。接收部分的数字解调器（Digital Demodulator）、具有数字信号强度指示器（Digital RSSI）、增益控制（Gain Control）、镜频抑制（Image Suppression）、信道滤波（Channel Filtering）、解调（Demodulation）和帧
31、同步（Frame Synchronization）等功能。发射部分的数字调制器（Digital Demodulator）具有数字扩频（Data Spreading）和调制（Modulation）等功能。接口部分包括数字和模拟测试接口（Digital and Analog Test Interface）,含有先进先出缓冲器、循环冗余码校验和加密的数字接口（Digital InterfaceWith FIFO Buffers,CRC and Encryption）及串行微处理器接口（Serial Microcontroller Interface）。芯片的工作过程：天线接收的射频信号经过低噪声放大
32、器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2MHz，此混合I/Q信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。发射机部分基于直接上变频。要发射的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA转换器，然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4GHz，并经放大后送到天线发射出去。 CC2420的应用电路：CC2420只需要极少的外围器件，其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信
33、号既可由外部有源晶体提供，也可以由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体震荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使输入输出阻抗为50，同时为芯片内部的PA及LAN提供直流偏置。CC2420可以通过4线SPI总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置芯片的工作模式并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。注意：在SPI总线接口上进行的地址和数据传输大多是MSB优先的。CC2420片内有33个16比特状态设置寄存器，在每个寄存器的读/写周期中，SI总线上
34、共有24比特数据，分别为：1比特RAN/寄存器选择位、1比特读/写控制器，6比特地址选择位、16位比特数据位。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计。通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相接来实现系统射频功能的控制与管理。32.1.4 CC2420引脚功能CC2420采用QLP-48封装，外形尺寸只有7mm7mm，4其相应的引脚含义如表2所示：表2 CC2420引脚功能表1VCO_GUARD连接VCO屏蔽护套2AVDD_VCOVCO电源（1.8V）3AVDD_PRE前置分频器电源（1.8V）
35、4AVDD_RF1RF前端电源（1.8V）5，9GNDRF屏蔽地6RF_P正RF输入信号7TXRX_SWITCHRF前端公共电源连接端8RF_N负RF输入信号10AVDD_SWLAN或者PA开关电源（1.8V）1113，16，36，40NC空脚14AVDD_RF2接收和发射混频器电源（1.8V）15AVDD_IF2发射/接收IF部分电源（1.8V）17AVDD_ADCADC和DAC的模拟部分电源18DVDD_ADC接收ADC数字部分电源19DGND_GUARD数字隔离噪声地20GUARD数字部分电源（1.8V）21RESETn数字信号复位22DGND数字地23DSUB_PADS数字辅助地（衬垫
36、）连接端24DSUB_CORE数字辅助地（封装模块）连接端25DVDD3.3数字I/O电源（3.3V）26DVDD1.8数字模块电源（1.8V）27SFD启动帧分隔符28CCA清信道设置29FIFOP缓冲区数据超过门限值或一帧接收完毕置高续 表 30FIFO在FIFO数据为高时，串行RF数据输入或者是测试模式时串行RF数据输出31CSnSPI片选32SCLKSPI时钟输入33SISPI从设输入35DVDD_RAM数字RAM电源（1.8V）37AVDD_XOSC16晶体震荡器电源（1.8V）38XOSC16_Q216MHz晶振引脚239XOSC16_Q116MHz晶振引脚141VREG_EN稳压
37、器使能，高电平有效42VREG_OUT稳压器1.8V电源输出43VREG_IN稳压器2.13.6电源输出44AVDD_IF1发射和接收IF部分电源（1.8V）45R_BIAS连接外部精密电阻（4.3k)46ATEST2样机和产品实验模拟测试I/O口247ATEST1样机和产品实验模拟测试I/O口148AVDD_CHP相位检波器和充电泵电源（1.8V）2.1.5 配置IEEE 802.15.4工作模式IEEE802、15、4规范中规定使用DSSS调制方式，CC2420中的调制和扩频功能框图如图3所示：5已调制信号比特变换成符号符号变换成码片O-QPSK调制图3 CC2420调制和扩频功能图发射数
38、据流(LSB优先）CC2420先将要传输的数据流进行变换，每个字节被分组为两个符号，每个符号包括4个比特，LSB优先传输。每个被分组的符号用32码片的伪随机序列表示，共有16个不同的32码片伪随机序列。经过DSSS扩频变换后，码片速率达到2Mchips/s。此码片序列再经过O-QPSK调制，每个码片被调制为半个周期的正弦波。码片流经过I/Q通道交替传输，两通道延时为半个码片周期。CC2420为IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式为： 头帧+数据帧+校验帧；PHY层的帧格式为： 同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用16位
39、CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM的128字节的缓冲区进行相应的帧打包和拆包操作。其RF的状态控制图如图4所示：电源整流器关闭电源整流器打开Power down(PD)模式晶体起振，调入XOSC16M-STABLE状态字空闲状态接收校正发射校正接收数据帧SFD判断发射帧头校准与确认发射数据帧组帧处理TXFIFO缓存数据发射接收等待所有工作状态（不包括PD）所有工作状态VREG-EN低电平VREG-EN置高芯片初始化SXOSCOFFFSXOSCONSRFOFFSRXONSTXON帧出错图4 RF的状态控制图CC2420可以通过RF状态控制设置不同的工作模式。命令寄存
40、器和内部事件（如在接收模式中探测到SFD）都可以改变RF状态。电源整流器和晶振都处于工作状态才能进入RX和TX模式。晶振通过SXOSCON/SXOSCOFF命令寄存器进行控制。返回的XOSC16M-STABLE状态字可以判断晶振是否处于工作中。设定STXON/STXONCCA命令寄存器可以完成发送使能，STXON命令器可以实现接收使能，通过使用SRFOFF/SXOSCOFF命令寄存器可以关闭RF。在PD模式下复位CC2420 后，可以写入数据配置寄存器，以为芯片收发工作作准备。2.2 微处理器MSP4302.2.1 MSP430简介单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，对处理器的综合性
41、能要求也越来越高。纵观单片机的发展，以应用需求为目标，是市场越来越细化，充分突出了以“单片”解决问题，而不像多年前以MCS-51/96等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。CC2420无线通讯芯片必须外接单片机才能共同组建一个通讯系统，比较了各种单片机性能以及考虑到实验室条件的具体情况，本设计采用MSP430。美国IT公司推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器（Mixed Signal Processor）,集多种领先技术于一体，以16位RISC处理器、超低功耗、高性能模拟技术、具有丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念，给人耳目一新的感觉。加之TI优良的
42、服务（全球免费快速网上样片申请、丰富的技术资料）,充分体现了世界级著名IC厂商的实力和综合优势。6在超低功耗方面，其处理器功耗（18V36V，01A400A，250A/MIPS）和口线输入电流（最大50nA）在业界都是最低的，远低于其他系列产品。在运算能力上，其16位RISC结构，使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可以达8MIPS（注意：同样8MIPS的指令速度在运算性能上，16位处理器比8位处理器远不止高2倍）。同时，MSP430中采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地
43、实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。在开发工具上，MSP430系列单片机支持先进的JTAG调试，其硬件仿真工具（仿真器）只是一个非常简单的并口转接器，一般个人都可以自己制作，而且适用于所有MSP430系列单片机，既便于推广，又大大降低了用户的开发投入。其软件集成开发环境有著名的IAR公司提供，其最新版本（V210）做得较为完善，实际使用效果不亚于其他成熟的集成开发环境。在系统整合方面，MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，根据其不同产品，集成了多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口(SPI/IIC/UART)、LCD驱动器、硬件乘法器、10/12位ADC
44、、12位DAC、看门狗定时器（WDT）、I/O端口（P0P6）、DMA控制器、210KB的RAM，以及丰富的中断功能。使用户可以根据应用需求，选择最合适的MSP430系列产品来实现。另外，大部分MSP430系列单片机采用Flash技术，支持在线编程。其BOOTSTRAP技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段。BOOTSTRAP有32个字节的口令字，具有很高的保密性。MSP430系列单片机具为工业级产品，性能稳定，可靠性高，可用于各种民用、工业产品。7本设计采用MSP430F149系列。2.2.2 MSP430与CC2420的SPI接口CC2420为信息包处理提供广泛的硬件支持,以及数据缓冲
45、器、发射、数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料等,这些特点可以减少主控制器的工作量,使CC2420可以与低成本微处理器相连接。CC2420的四线SP I (串行外围接口)引脚功能如表3所示,它是设计单片机电路的依据,充分发挥这些功能是设计无线通讯产品的前提。表3 SPI引脚功能功能引脚FIFOP 数字输出FIFO 数字输入/输出CCA 空闲信道估计SFD 帧开始分隔符SI SPI数据输入（SCLK上升沿采样）SO SPI数据输出（SCLK下降沿更新）SCLK SPI时钟线CSn SPI使能一个典型的应用电路主要部分是将CC2420和微处理器连接,配以晶体振荡器及负载电
46、容、输入/输出匹配元件和电源电压、去耦电容等很少的外部元件。CC2420与单片机MSP430F149的接口电路如图5所示：P2.7 中断功能P3.4 通用I/O口P3.5 通用I/O口P3.6 通用I/O口P3.1 SIMO0P3.2 SOMI0P3.3 UCLK0P3.0 STE0P2.6 通用I/O口P3.7 通用I/O口FIFOP FIFO CCA SFD SI SO SCLK CSnVREG-ENRESETMSP430 CC2420 图5 CC2420与MSP430单片机的接口CC2420通过简单的四线( SI、SO、SCLK、CSn)与SPI兼容串行接口配置,这时CC2420是受控的。MSP430F149的SPI工
