基于CC2500的无线信息家电节点设计

本文由radge贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第32卷1期第2009年2月电子器件ChineseJournalOfElectronDevicesVol.32No.1Feb.2009Abstract:Withthetrendofinformationappliance,thispaperdiscussedthedesignofthewirelessnodewhichcombineswiththeembedtechnologyandtheshortrangewirelesscommunicationtechnologyusedtocontroltheinformationappliance.2.4GHzRFchipCC2500andSTCseriesmicrochipwereadoptedinthisAndsomekeydesignpointsbasedonthetheoryanalysiswereshowed.Withtheadvantagesofsmallsize,lowpowerandlowcost,thenodehasanbrightpracticalprospect.EEACC:6210Keywords:wirelesscommunication;informationappliance;CC2500;2.4GHznodeaswirelesscommunicationmoduleandCPUrespectively.PCF8563wasusedasanreal2timeclock.短距离无线通信技术,设计了应用于信息家电无线控制的节点。节摘:针对信息化家电的发展趋势,结合嵌入式技术、要点设计采用CC2500系列2.4GHz射频芯片为无线通信模块,扩展了PCF8563为实时时钟,并以低成本的STC单片机为控制模块。并且在理论分析的基础上给出了软硬件设计要点。该节点体积小、功耗低、成本低,具有很好的应用前景。关键词:无线通信;信息家电;CC2500;2.4GHz中图分类号:TN925文献标识码:A文章编号:100529490(2009)0120153205随着科技的进步与社会的发展,人们对生活品质的追求也日益提高,传统家用电器已经逐渐无法满足现代家庭的需要,家用电器会越来越趋向于信息化、智能化。各种家电通过2.4GHz无线网络连接,形成家庭网络,这样家庭成员拿着控制终端在家中的任何位置都可以控制和监视家中任何角落的电器。本文采用STC系列单片机和TI公司的CC2500射频收发芯片,给出了一种低成本,低功耗的、可以用于室内环境的短距离(8～15m每跳)无线传输转发控制以及状态信息的节点。节点发射功率一般小于0dB,可以用5号干电池供电,节点布置在房间内以及房间的门口,主要功能是向控制终端转发家电的状态信息以及向家电转发由用户发来的命令信息。DesignofWirelessInformationApplianceNodeBasedonCC25003LIUQuan(WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)收稿日期:2008207218基金项目:教育部重点科技攻关项目资助(107130)作者简介:刘,教授,博士生导师;泉李,硕士研究生,研究方向为嵌入式系统,[e-mail]成基于CC2500的无线信息家电节点设计3(武汉理工大学信息学院,武汉430070)刘3,李泉成3,LICheng1节点总体设计方案按功能划分,无线节点可以分为三个模块(图1),分别是控制处理模块、射频通信模块、实时时钟模块。控制处理部分监控整个系统的运行,并对收发的数据按照一定的规则进行的封装和解封装处理。射频通信模块负责数据的收发,采用短距离无线的方式,实现多节点通信数据的传输。实时时钟模块负责给系统提供需要的同步时间以及定时触发微控制器的外部中断以唤醒节点。另外,每个部分都需要电源来提供能量,作为整个系统工作的基础,电源部分也是必不可少的。与家电连接的节点可以通过RS2232与家电通信,所以部分节点还带有串口通信模块。154电子器件第32卷节点主要由微控制器、射频收发器、实时时钟、串口几个部分构成,微控制器与射频模块通过SPI口通信,与实时时钟通过模拟的I2C通信。节点的各个模块有机地结合在一起,在工作过程当中,负责系统监控数据处理功能的控制处理模块是整个节点的核心,由它来协调各部分的协同工作。完成对信息的处理打包并送到射频收发模块转发。待发送完成以后,射频通信模块又可以将信息反馈给控制模块。本文节点的应用。CC2500是TI公司推出的一款低成本真正单片2.4GHz收发器,专门为低功耗无线应用设计。电路设定为2400～2483.5MHz的ISM(工业,科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段。RF收发器集成了一个数据传输率可达500kbit/s的高度可配置的调制解调器[2]。CC2500的主要操作参数和64位传输/接收FIFO(先进先出堆栈)可通过SPI接口控制。体积小(QLP4×4mm封装,20脚),带有载波监听和休眠模式,非常适合低功耗应用。PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片,它提供一个可编程时钟输出,一个中断输出和掉图1节点总体结构图在本节点设计中,需要涉及到以下几个方面:处理器性能、所支持的开发工具、处理器的成本和功耗。综合以上几个方面考虑,微控制器选择一款高性价比的8位微控制器STC12LE5410AD。STC12LE5410AD采用20脚贴片封装,与传统51电检测器,所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。最大总线速度为400kbits/s,每次读写数据后,内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563采用低工作电流(0.25μA)、大电压范围(1.8～5.5V),非常适合本文设计的节点。单片机指令系统完全兼容,但速度是传统51单片机的8倍以上,可以在线烧写程序,有10kbyte的片内FLASH和512byte的RAM,内部集成了SPI、、RT等接口,芯片的供电电压范围为ADUA2.2～3.8V,并且可以进入休眠模式,比较适合采2节点硬件详细设计2.1控制处理部分微控制器部分主要由STC12LE5410AD、串口芯片以及电源芯片组成,其中串口用于程序下载和调试,加入电源芯片用于将5V电压转换为3.3V电压,在电池供电系统中,电源芯片可以省略以减低成本和功耗。其单片机部分的基本构成原理图如图2所示[3]。用电池供电的系统。考虑到功耗、接收灵敏度、传输速率和芯片成本等,TI公司的无线射频收发芯片CC2500比较适合[1]图2控制处理部分原理图STC12LE5410AD单片机通过SPI接口(P1.4～P1.7)设置CC2500的工作参数并且与CC2500交换需要收发的数据。其中P1.4～P1.7的上拉电阻可以不加。外部中断1(INT1P3.3脚)连接CC2500的GDO2引脚,用于检测是否CC2500的FIFO状态信号,引脚空闲状态时为低电平,当有数据到来时被CC2500拉为高电平,当数据接收或者发送完毕以后有被CC2500拉为低电平,所以可以第1期刘,李:基于CC2500的无线信息家电节点设计泉成Boud=Fosc/(256-Reload)/32Error=(Boud-Boud0)/Boud0×100%155(2)(3)设置MCU相应下降沿外部中断,进而在外部中断处理程序进行相应的处理。P3.3和P3.4引脚利用软件模拟了I2C的接口与实时时钟PCF8563相连,用于设置实时时钟的工作和报警方式,可以随时读取当前时间,并且可以利用实时时钟产生周期性的中断。在调试的时候要将P1.0以及P1.1引脚接地,待调试完成可以用这两个引脚做A/D转换。外部中断0(P3.2)可以用于单片机睡眠状态时的唤醒。另外,由于STC12LE5410AD为1T单片机,所以在计算波特率的时候与传统的51单片机有所区别[4],公式(1)中的INT()表示取整运算,加0.5可以达到四舍五入的目的。(1)Reload=256-INT(Fosc/Boud0/32+0.5)公式(2)和(3)中Fosc为晶振频率,Boad0为标准波特率。如果误差大于4.5%,就需要更换波特率或者晶振频率[3]。设计要点由于CC2500的GDO2FIFO状态引脚空闲时为低电平,MCU在上电时此引脚高电平,而由于CC2500初始化完成以后又将GDO2拉为低电平,这样就产生了一个外部中断,但是此时并没有FIFO状态送到MCU,所以建议将此引脚下拉电阻。另外需要将MCU寄存器配置为下降沿产生中断有效信号,因为连接外部中断的引脚GDO2在空闲时为低电平,如果配置为低电平有效则将在MCU处不停的产生外部中断。2.2射频通信部分射频通信部分主要由CC2500和2.4GHz天线组成,为了达到更好的收发效果,笔者并没有采用手册上推荐的板载天线,而是直接采用了外置天线。另外,与VDD相连的还有5欧姆的磁珠(图中未标出)。其基本构成原理图如图3所示[2,5]。图3射频通信部分原理图CC2500通过SPI(SI,SO,SCLK和CSn)接口与MCU相连,CC2500为从设备。CC2500这个接口同时用作写和读缓存数据。SPI接口上所有的地址和数据转换被最先在重要的位上处理。SPI接口上所有的处理都同一个包含一个读/写位,一个突发访问位和一个6位地址的头字节一起作用。在地址和数据转换期间,CSn脚(芯片选择,低电平有效)必须保持为低电平。如果在过程中CSn变为高电平,则转换取消。CSn变低,在开始转换头字节当之前,MCU必须等待,直到SO脚变低。这表明电压调制器已经稳定,晶体正在运作中。除非芯片处在SLEEP或XOFF状态,SO脚在CSn变低之后总会立即变低。当头字节在SPI接口上被写入时,芯片状态字节在SO脚上被CC2500写入。状态字节包含关键状态信号,对MCU是有用的。第一位s7,是CHIP_RDYn信号。在SCLK的在第一个正边缘之前,这个信号必须变低。CHIP_RDYn信号表明晶体正处于工作中,调节数字供给电压是稳定的,如图4。GDO2脚连接MCU外部中断用于通知单片机FIFO的状态信号。当数据开始传送时,GDO2脚拉高,当传送结束时,GDO2脚回复低电平状态。例156电子器件第32卷设计要点CC2500芯片以及其外围元件电路组成了发送接收模块。这部分重要的是PCB板的设计[6],使用两层的PCB板,尽量多打一些通孔,使顶层和底层的地能够充分接触,空余部分大面积连续接地。电源滤波电容尽量靠近VDD引脚,注意调整电阻、电容和电感的位置。这样能够获得好的射[7]频性能。如果收发效果不好,可以将C32的参数值调小一点,作者采用了1.5pF的容值达到了比较好的效果。这样做的原因是由于芯片之间的个体之间的差别,还有就是制版和其它元件以及焊接带来的误差,影响了匹配。2.3实时时钟部分实时时钟部分主要由PCF8563构成,其中连接控制器的为I2C接口,所以在设计中上拉了10kΩ的电阻,在主控制器一端通过I/O口模拟的I2C接口,所以通信速率不是很高,不过足够满足设计的要求。PCF8563的外部中断引脚3连接单片机的外部中断0,用以产生定时的外部中断,可以用于设定时间报警功能以及唤醒节点的功能。所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器,但不是所有位都有用。前两个寄存器(内存地址00H,01H)用于控制寄存器和状态寄存器,内存地址02H～08H用于时钟计数器(秒～年计数器),地址09H～0CH用于报警寄存器(定义报警条件)。当一个RTC寄存器被读时,所有计数器的内容被锁存,因图4状态稳定图如,传送1byte(长度)+7byte(有效载荷)+2byte(CRC)共10byte的内容,可以通过配置寄存器的值,得到250kbit/s的速率,然后根据公式(4),得到传送这样一帧内容,GDO2脚将维持大约320μs的高电平(计算方法如式4和式5),但是实际测量中的时间