短距离无线通信模块开发.docx

1、短距离无线通信模块开发分类号：TP408 U D C：D10621-408-(2011)1019-0密 级：公 开 编 号：2007101191成都信息工程学院学位论文短距离无线通信模块开发论文作者姓名：申请学位专业：通信工程申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：论文提交日期：2011年06月3日短距离无线通信模块开发摘 要目前移动通信发展很快。现有的GMS/NCDMA等技术正迅速地发展，第三代移动通信系统（3G）也已经提上了日程，并很快投入商用。也些技术可以实现远距离的通信。但是是人们也许没有注意到，在相距飓尺的地方同样也需要无线通信。因此，低价位、底功耗、可替代电缆的无线数据通信被越

2、来越多的需要。本设计的目的主要实现较小区域内的无线通信，为选取最优技术本论文对目前使用较广泛的蓝牙、 80 2 .11(Wi Fi)、ZIGBEE和 Ir DA技术分别进行了阐述和比较 ,比较了他们技术上的异同点 ,讨论了在选择、使用这些技术时应注意的问题 ，通过方案对比，考虑到ZIGBEE具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、数据安全、工作频段灵活、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠等优点，最终选择ZIGBEE方式，本模块是以CC2430芯片为核心，经过实际验证，该无线模块实现了无线通信的功能，达到了预期的效果。关键词：短距离无线通信；ZIGBEE；CC2430；IEEE 802.15.4

3、标准Short-range wireless communication module development AbstractThe current mobile communication develops very quickly. The existing GMS/NCDMA technology are thriving, third generation mobile communication system (3G) has also put on the agenda, and soon commercially available. Also some technology

4、can achieve long distance communication. But people may not notice, in place of generally feet apart also need to wireless communications. Therefore, low price, bottom power consumption and alternative cables wireless data communication is more and more needs. The purpose of this design within the s

5、mall area mainly realize the wireless communication, and to choose the optimal technical this paper used more widely present bluetooth, 80 2. 11 (Wi Fi), zigbee and Ir DA technology is discussed and compared respectively, compares the differences and similarities in their technology, discussed in se

6、lecting, using these techniques problems should be paid attention to, through the scheme contrast, considering zigbee with low power consumption, low cost, network capacity, delay short, data security, flexible, network working band the self-organizing, self-healing capability, communication and rel

7、iable, finally choosing this module is zigbee way, CC2430 chips as the core, through actual verification, the wireless module realized wireless communication function, achieve the expected effect. Key words: Short-range wireless communication; ZIGBEE; CC2430; IEEE802.15.4.目 录论文总页数：31页1. 引言 11.1. 本课题

8、研究的意义 11.2. 本课题的研究方法 21.3. 论文安排 22. 短距离无线通信模块总体设计 22.1. 几种常用的无线技术标准及对比 22.1.1. 蓝牙简介 32.1.2. 802.11(Wi-Fi) 32.1.3. IrDA 42.1.4. ZIGBEE 52.2. 四种主要的ZIGBEE实现方案 62.2.1. MCU和RF收发器分离的双芯片方案 62.2.2. 集成RF和MCU的单芯片方案 62.2.3. 基于FPGA的方案 62.2.4. 自己设计收发电路方案 72.3. ZIGBEE协议体系结构 72.3.1. IEEE 802.15.4标准 72.3.2. ZIGBEE协

9、议栈 82.3.3. 网络层关键技术 82.4. 基于ZIGBEE的短距离通信模块的总体设计 93. 硬件部分设计 93.1. CC2430介绍 93.2. CC2430无线模块最小系统设计 133.2.1. 复位电路 133.2.2. 串口通信电路 133.2.3. 时钟电路 143.2.4. 电源管理电路 143.2.5. JTAG接口电路及I/0电路 154. 硬件测试部分设计 164.1. 串口电路测试 164.2. 两模块点对点通信测试 175. 本次设计的不足及改进方式 20结 论 20参考文献 20致 谢 21声 明 22附 录 231. 引言 课题背景工业应用中，现阶段基本上都

10、是以有线的方式进行连接，实现各种控制功能。各种总线技术，局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便利。有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际应用中也达到了比较满意的效果。但随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。而同时有线网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移动等缺点越发突出。在向往自由和希望随时随地进行通信的今天，人们把目光转向了无线通信方式。1.1. 本课题研究的意义随着Internet的飞速发展，从WA

11、N到MAN，再到LAN，PAN，这些技术已逐渐成熟。目前，各类网络中最具增长潜力的是无线网络，许多机构会选择采用无线局域网（WLAN）来拓展他们的现有网络，获得在机构区域内部移动接入网络的能力。 怎样不通过电缆，摆脱物理连接上的限制，使设备互联起来呢？为了找到这个问题的答案，现研究短距离无线通信的一个方面，通过对比各种技术，采取当前发展潜力较大的zigbee作为研究方向，能使短距离无线通信技术更大部分的应用在生活中。同时，对身边层出不穷的无线通信产品也有相应的了解。相信通过这次的课题设计可以获得更多的专业知识，也希望能将自己了解的短距离无线通信技术合理利用在生产生活的各个方面。1.2. 本课题

12、的研究方法首先，对短距离无线通信知识有总体的了解，知道短距离无线通信技术包括蓝牙、WiFi、zigbee、IrDA等方面。其次，逐步了解四种技术的优缺点，哪方面具优势，从而挑选出合适的进行研究。然后进行方案可行性分析，方案总体设计，方案模块化设计，硬件设计，硬件测试，软件设计，软件测试，分析实验效果。1.3. 论文安排根据对短距离无线通信的认知研究过程进行论文的安排。首先对比四种基本的短距离无线通信的方式选择ZIGBEE方式进行研究。针对ZIGBEE标准，得出四种可行方案，最终选择集成RFIC和MCU单芯片方案，芯片选择CC2430。其次，对短距离无线通信模块做总体设计。为了实现无线数据模块的

13、硬件基础架构，将硬件设计分为CC2430无线模块最小系统及外围电路，最小系统电路包括复位电路、串口通信电路、时钟电路、电源管理电路、JTAG接口电路及I/O引脚电路，外围电路设计包括键盘电路和数码管显示电路。硬件测试部分选择较简单的测试程序，需进行对电源、串口电路、晶振电路及两模块点对点通信的测试。最后，经过制版、调试和对硬件电路测试，通过效果显示找出硬件设计不足，从而加以改进。2. 短距离无线通信模块总体设计2.1. 几种常用的无线技术标准及对比表1几种无线通信标准介绍：市场名标准GPRS/GSM1xRTT/CDMAWi-Fi802.11bBluetooth802.15.1ZigBee802

14、.15.4应用重点广范围声音&数据Web，Email，图像电缆替代品监测&控制系统资源16MB+1MB+250KB+4KB-32KB电池寿命（天）1至70.5至51至7100-1000+网络大小1327255/65,000带宽（KB/s）64-128+11,000+72020-250传输距离1,000+1-1001-10+1-100+成功尺寸覆盖面大，质量速度，灵活性价格便宜，方便可靠，低功耗，价格便宜表格对几种常见无线标准进行了对比，可以看出每种无线标准有自己的特点，通过对比，可以选择功耗较低，可靠稳定性较好的芯片进行研究。2.1.1. 蓝牙简介 蓝牙技术主要是面向家庭或企业网络环境中各种电

15、子产品，针对话音和数据的短距离射频连接技术。蓝牙无线电运行在2.4GHZ ISM频段。无需申请许可证，能在全球通用。蓝牙技术是一种低成本、短距离无线连接技术，收发器很小，可以方便嵌入到设备中1。 蓝牙系统可以实现点对点连接也可以实现一点对多点连接。在一点对多点连接的情况下，信道由几个蓝牙单元分享。 蓝牙的设备功耗相对较高，且网络节点只有七个，相对zigbee的65535个节点少很多，蓝牙的传输距离最远可达10m ，传输距离很短。蓝牙的实现成本也比较高，只能实现语音、图像传输。 蓝牙技术的应用主要有以下3类： （1）语音数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的联

16、接。 （2）外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。 （3）个人局域网（PAN）如图1所示，主要用于个人网络与信息的共享与交换。 蓝牙在个人局域网中获得了很大的成功，应用包 括无绳电话，PDA与计算机的互联，笔记本电脑与手机的互联，以及无线RS232，RS485接口等。 采用蓝牙技术的设备使用方便，可自由移动。与无线局域网相比，蓝牙无线系统更小、更轻薄，成本及功耗更低，信号的抗干扰能力强。 IBM、索尼和东芝等公司已经推出同时支持蓝牙 和80211b的笔记本电脑。微软也表示，一旦支持蓝牙的外围设备开始问世，出现了足够多的设备驱动程序，他将在Windows XP中增加对蓝牙的支持。韩

17、国和台湾的许多公司也利用其在手机、电脑开发制造上的优势，积极介入蓝牙技术的研发，并不断有产。2.1.2. 802.11(Wi-Fi) Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真）也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE80211b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术.Wi-Fi速率最高可达11 Mbs。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大楼也可使用。 80211a标准还没有被工业界广泛接受。他工作在5 GHz频率范围，传输速率54 Mbs，使用正交频分多路复用（Orthogonal

18、 Frequency DivisionMultiplexing，OFDM）调制技术，比80211b采用的补码键控（Complementary Code Keying，CCK）调制方案快，但他不向后兼容80211b。 Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11 Mbs的速度接入Web。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享,Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。 Wi-Fi技术的最具诱惑力的方面在于将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来之后，可

19、以大幅度减少企业的IT成本。例如，许多企业选择在每一层楼或每一个部门配备80211b的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。 WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO（SmallOffice Home Office，在家办公）、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。 由于投资80211b的费用降低，许多厂商介入这一领域。Intel推出了集成WLAN技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网。国内的联想、清华同方、方正等公司都推出无线网卡等无线网络解决方案。 更

20、多新的Wi-Fi标准正在制定之中。速度更快的80211g使用与80211b相同的正交频分多路复用调制技术。他工作在24 GHz频段，速率达54 Mbs。比目前通用的80211b快了5倍。80211g标准本质上扩展了80211b在24 GHz频段的性能，通过使用OFDM技术，获得了54 Mbs的高速，并且完全向后08兼容80211b，他将最终取代80211a。80211g虽然还在草稿阶段，但是根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，80211g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准1。2.1.3. IrDA IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，他也许是第一个实现无线个人局域

21、网（PersonalAreaNetwork，PAN）的技术。目前他的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。 IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。他还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。 IrDA的不足在于他是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，

22、且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率1。2.1.4. ZIGBEE ZIGBEE 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术； ZIGBEE 采取了 IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点 ：省电、简单、成本又低的规格；ZIGBEE增加了逻辑网络、网络安全和应用层；ZIGBEE 的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合； ZIGBEE无线 可使用的频段有 3 个，分别是 2.4GHz 的 ISM 频段、欧洲的 868MH

23、z 频段、以及美国的 915MHz 频段，而不同频段可使用的信道分别是 16 、 1 、 10 个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。 ZIGBEE 无线的传输带宽在20-250KB/s范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输； ZIGBEE 无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有非常强大的组网优势。 ZIGBEE可靠链接：ZIGBEE 技术RF物理层上的设计保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性；ZIGBEE 技术在通信协议上的可靠设计，保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。 表2 ZIGBEE和蓝牙性能比较ZIGBEE蓝牙设备功耗低功耗，远远蓝牙功耗比较高网络

24、节点65535个7个传输距离1-2000m+1-10m设备成本低成本，高可靠成本高应用范围采集、控制数据传输语音、图象传输表3 ZIGBEE和FSK电台性能比较ZIGBEEFSK电台无线频段2.4G免费频段国家非开放频段调制方式DSSS扩频通信FSK 频移键控方式抗干扰能力很好不如ZIGBEE频点串扰频点间距大，无串扰不同频段间可能串扰ZIGBEE与WLAN共存：ZIGBEE和WLAN共同工作在2.4G的频段，利用ZIGBEE的15、20、25和26信道，可有效避免与802 .11b的信 1、 6、 11信道的相互干扰。通过以上的对比，ZIGBEE具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、数据安

25、全、工作频段灵活、网络的自组织、自愈能力强、通信可靠等优点，所以选择zigbee方式作为本设计的最终方案。2.2. 四种主要的ZIGBEE实现方案2.2.1. MCU和RF收发器分离的双芯片方案ZIGBEE协议栈在MCU上运行，MCU负责控制、数据处理等任务。RF收发器负责对信号的处理等功能。但是此方案功耗相对较高。例如：MCU可以选择51系列单片机，MSP430等。RF收发器可以选择NRF905、NRF2401等芯片。无线数据传输模块无线传输RFICMCU外部数据设备 无线数据传输模块RFICMCU外部数据设备图1 MCU和RF收发器分离的双芯片方案系统框图2.2.2. 集成RF和MCU的单

26、芯片方案单芯片解决方案占用空间最小且开发容易，功耗较低。该芯片集成了RF和MCU。TI的单芯片方案CC2431/CC2430在单个芯片上集成了ZIGBEE射频前端、内存和微控制器，CC2431还带硬件定位引擎。框图如图3所示。2.2.3. 基于FPGA的方案FPGA负责信号调制解调等任务，由于FPGA是可编程逻辑器件，灵活性较大，但是功耗很高。FPGAFPGA数据存储DAC数字解调器信号输入端ADC数字调制器 图2 FPGA方案系统框图2.2.4. 自己设计收发电路方案此方案需要自己设计模数转换电路、数模转换电路、控制电路、调制解调电路、信道滤波电路等电路。此方案设计非常麻烦，灵活性很差，功耗

27、较大。综上所述，由于低功耗是ZIGBEE系统的关键，所以减少工作电流消耗、具有超低耗电睡眠模式并缩短模式切换时间对每一种方案而言都非常重要。所以选择TI的单芯片方案CC2430在单个芯片上集成了ZIGBEE射频前端、内存和微控制器。2.3. ZIGBEE协议体系结构2.3.1. IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准1于2003年5月制定完成，它满足国际标准化组(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型，主要包括物理层、数据链路层。IEEE 802.15.4协议与其他无线网络相比,突出的优点是:组网能力强,适应面广,可靠性高,节能性好。2.3.2. ZIGBEE协议栈完整

28、的Zigbee2,3协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成。ZIGBEE协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZIGBEE联盟制定。其中安全层（Security）主要实现密钥管理、存取等功能。应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持（Application Sub-layger Support，APS）、ZIGBEE设备对象（ZIGBEE Device Object，ZDO）等，实现应用层对设备的管理2。2.3.3. 网络层关键技术ZIGBEE协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传

29、送数据等功能，支持Cluster-Tree，AODVjr，Cluster-TreeAODVjr等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构。Cluster-Tree（簇树）是一种由网络协调器展开生成树状网络的拓扑结构,适合于节点静止或者移动较少的场合,属于静态路由,不需要存储路由表。AODVjr算法是针对AODV5,6（Ad hoc按需距离矢量路由协议）算法的改进,考虑到节能、应用方便性等因素,简化了AODV的一些特点,但是仍然保持AODV的原始功能。Cluster-TreeAODVjr路由算法汇聚了Cluster-Tree和AODVj

30、r的优点。网络中的每个节点被分成四种类型:Coordinator、RN+、RN、RFD（RN:Routing Node,路由节点；RFD:Reduced Function Device）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同,Coordinator、RN+和RN都是全功能节点（FFD: Full Function Device）,能给其他节点充当路由节点；RFD只能充当Cluster-Tree的叶子（Leaf Node）。如果待发送数据的目标节点是自己的邻居,直接通信即可；反之,如果不是自己的邻居时,三种类型的节点处理数据包各不相同:RN+可以启AODVjr，主动查找到目标节点的最

31、佳路由,且它可以扮演路由代理（Routing Agent）的角色,帮助其他节点查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法,它可以通过计算，判断该交给数据包请自己的父节点还是某个子节点转发；而RFD只能把数据交给父节点,请其转发3。2.4. 基于ZIGBEE的短距离通信模块的总体设计ZIGBEE无线数据传输模块的硬件设计框图如图3所示，为了实现无线数据传输模块的硬件基础架构，将硬件设计分为四部分：无线收发电路、电源电路、JTAG电路和串口转换电路。在这里，设计了串口转换电路，可以实现串口数据转换。因此，可以实现无线模块与PC机之间的串口数据通信。无线收发电路是本次硬件设计的核心，而JTAG电路主要实现对CC2430的编程和测试。PC串行接口ZIGBEE射频模块JTA