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1、调研报告冯中南大学本科生毕业论文（设计）调研报告题 目基于ARM 内核无线单片机应用系统的研究与实现学生姓名冯 垒指导教师张学丽学 院信息科学与工程学院专业班级通信0603完成时间201003教务处制摘 要该系统采用国际著名半导体公司Freescale的ARM7内核无线单片机MC13224V为核心。MC13224V是Freescale的第三代ZigBee平台，包括一个完整的，低功耗，2.4GHz射频收发器，基于微控制器的32位ARM7内核，符合IEEE 802.15.4 MAC和AES安全性的硬件加速，以及在99针LGA平台封装的全套微控制器外设（Pip）。MC13224V解决方案可用于无线应

2、用，从简单的专有点至点连接到完整的ZigBee网状网络。该MC13224V目的是为最主要的加工能力和非常低的功耗提供一个高度集成，整体的解决方案。该平台支持IAR集成开发环境。整个平台采用小型化，一体化设计方式，结构紧凑，同时提供丰富的扩展接口，非常适合于本科生无线网络组建教学以及单片机的使用和程序开发。开发人员可利用C语言进行开发，简单易懂，大大缩短了开发时间。该平台将配备LED灯、七段数码管、彩色LCD、独立键盘、uart接口、两个PS/2接口等。多种扩展板既有简单开发按键、又有液晶显示及传感器。不但可以实现简单的Mc13224开发，进一步可用于组建复杂的ZigBee无线网络。关键词：Mc

3、13224v，ZigBee2007/PRO/RF4CF协议栈，无线单片机，彩色液晶目 录第一章 系统概述 1.1开发背景 1.1.1无线单片机 1.2功能简介 第二章 ZigBee 2007/PRO协议栈 2.1 ZigBee技术 2.2 ZigBee技术特点 2.3 ZigBeepro技术 第三章 主要模块设计 3.1 MCU 无线单片机 MC13224V 3.1.1 MC13224V特点 3.1.2MC13224V 与其他无线单片机比较 3.1.3 MC13224V电路设计 3.1.4 MC13224V软件开发 3.2 按键及led模块设计 3.3液晶显示屏 3.5.1 液晶显示屏主要参数

4、指标 3.5.2 资料传输与接口时序 3.6 电源设计 第四章 开发前景展望 第五章 小结 第六章、参考文献 第一章 系统概述1.1开发背景1.1.1无线单片机为了适应无线通信和无线网络节点的要求，实行较小的体积，极低的功耗，更低的价格，无线片上系统(SOC)近年来得到了快速发展，这种无线片上系统将微控制器，存储器，A/D转换器和需要的接口电路和无线数据通讯收发芯片全部集成到一个非常小的芯片上，一个单独的芯片，就可以构成一个独立工作的无线通信和无线网络节点的无线片上系统(也称无线单片机)的出现，为开发无线通信和无线网络，提供了新的选择，同时也使无线通信和无线网络的设计工作更加简化，更容易开发。

5、无线单片机的特点：技术门坎:无须任何无线经验，只要会8051、会C51就能轻易入门； 通讯距离:几米到几公里的稳定、高可靠无线通讯； 应用领域:数字家庭，RFID，无线定位，工业控制，无线传感器 无线网络:IEE802.15.4/ZIGBEE 网状，星状，串状等网络； 超低功耗:使用钮扣电池可以工作10年； 超小体积:MCU(如8051内核)+闪存+无线收发电路等全部集成在一 个小于7平方毫米单芯片内。 超低价格:大量购买价格低至2美元/每片 1.2功能简介 最新ARM无线单片机MC13224V，该芯片是全球第一个32位ARM内核无线单片机，单芯片包括了ARM7的MCU，128 K FLASH

6、，96K /80K ROM，AD/DA转换等 ，并内含IEEE802.15.4-ZigBee2006 高频电路和支持最新ZigBee 2007/PRO协议栈。要求熟悉和掌握ARM无线单片机MC13224V及软件编程技术和协议栈的相关内容，完成系统所需的各模块的设计，包括CPU硬件电路、键盘电路、彩色LCD触摸屏显示电路，通过硬件和软件设计完成该设计。绘制硬件电路原理图和PCB图，并实际制作硬件电路，完成电路的调试,验证设计的正确性。第二章 ZigBee 2007/PRO协议栈2.1 ZigBee技术 蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是Z

7、igZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zigbee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee技术是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，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87FGH波段，采用跳频技术

8、和扩频技术。另外，它可与86 个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。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。2.2 ZigBee技术特点ZigBee是一种无线连接,可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为

9、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1.52.5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: 通信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30ms,休眠激活的时延是15ms, 活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

10、结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 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信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全属性。2.3 ZigBeepro技术ZigBee2007规范定义了ZigBe

11、e和ZigBee Pro两个特性集，全新的ZigBee 2007规范建立在ZigBee2006之上，不但提供了增强型的功能而且在某些网络条件下还具有向后兼容性。ZigBee特性集提供了树寻址、按需距离矢量路由协议（AODV）网状路由、单播、广播和群组通信以及安全等特性。相比之下ZigBee Pro用随机寻址取代了树寻址，虽然包括了ZigBee 2006和2007规范中所使用的AODV路由，但是却提供了多对一源路由备选方案。ZigBee Pro还增加了有限的广播寻址功能，并增加了对“高级”安全性的支持功能。ZigBee和ZigBee Pro特性集均对可选频率捷变和拆分提供了更多的支持。ZigBe

12、e树寻址功能按照等级分配地址。ZigBee Pro采用随机寻址法随机地为设备分配地址，并通过不断监控和达到“管理”流量将冲突挑选出来。ZigBee不仅受益于可靠、独特的寻址方法，而且不存在经常性的监控通信与处理地址冲突的开销。但Pro却得益于调整功能，如当通讯限制会导致一个由多个（5个以上）调频（Hop）组成的网络时；或当一个网络由多个移动终端设备组成时，该优势是以不断增加的启动延迟为代价，因为ZigBee Pro必须要允许一定的时间以解决地址冲突问题，而对树寻址而言则并非必须。ZigBee和ZigBee Pro路由均使用Ad Hoc方式的按需距离矢量路由协议（AODV），但是只有Pro可支持

13、对多以路由选项。在牺牲一个交大协议栈的前提下，多对一源路由实现了快速路由建立，此时多个设备（如传感器）均向一个接收器（Sink）报告（如网关设备）。对于自主双向和点对点通信（如灯空开关和灯）来说，多对一特写就变得哪么高效了，并且在一些情况下会变得不合时宜。ZigBee和ZigBee Pro均支持集群寻址，但是Pro增加了对有限广播集群寻址支持，可在所有集群成员相对紧密临近时防止整个网络出现不必要的溢流（Flooding）。该特性在降低大型网络的网络宽通信开销方面及其有用，但随之而来的是占用更多宝贵的节点空间。虽然存在一些细微的差异，但ZigBee和ZigBee Pro之间最主要的特性差异是对高

14、级别安全性的支持。高级别安全性提供了一个点对点连接之间建立链路密匙的机制，并且当网络设备在应用层无法得到信任时增加了更多的安全性。像许多Pro特性那样，高级安全特性对于某些应用而言非常有用，但在有效利用宝贵节点空间fangmian却付出很大代价。尽管ZigBee和ZigBee Pro在大部分特性上相同，但只有在有限条件下二者的设备才能在同一网络中同时使用。如果所建立的网络（由协调器建立）为一个ZigBee网络，那么ZigBee Pro设备将只能以有限的终端设备的角色连接和参与到该网络中，即该设备将通过一个父级设备（路由器或协调器）与网络保持通讯，且不参与到路由或允许更多设备连接到网络中。同样，

15、如果网络最初建立为一个Pro网络，ZigBee设备也只能以有限的终端设备的角色参与到该网络中来。第三章 主要模块设计3.1 MCU 无线单片机 MC13224V3.1.1 MC13224V特点飞思卡尔(Freescale)公司MC13224是第三代ZigBee解决方案，集成了完整低功耗2.4GHz无线电收发器，基于32位ARM7核的MCU，用于IEEE 802.15.4 、MAC 和AES安全加密的硬件加速器以及MCU成套外设，是高密度低元件数IEEE 802.15.4综合解决方案，能实现点对点连接和完整的ZigBee网状网络，因此可广泛应用在住宅区和商业自动化、工业控制、HVAC、卫生保健和

16、消费类电子等产品。MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE标准。提供了104dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，多种供电模式，以及一套广泛的外设集包括2个高速UART、12位ADC和64个通用GPIO，4个定时器，I2C等等。除了更强MCU，改进了RF输出功率、灵敏度、选择性，且一般会提供一个超越上一代CC2430的重要性能改进。除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准ARM7TDMI-S内核，支持一般低功耗无线通信，还可以配备一个标准网络协议栈（ZigBee，ZigBee RF4CE）来简化开发，使你更快的获得

17、市场。MC13224可以用于的应用包括远程控制、工业控制、HVAC、卫生保健消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。MC13224V 特点 特性 强大无线前端 2.4 GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器 。 出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。 可编程输出功率为4dBm，总体无线连接104dbm。 极少量的外部元件。 支持运行网状网系统。 -96dBm接收灵敏度。 250kbps数据传输速率。 低功耗 接收模式：22毫安 。 发送模式1dBm：29毫安 。 功耗模式1：3.3毫安 。 功率模式2：0.8微安 。 功耗模式3：0.3微安 。 宽电源电压范围（

18、 2 V3.6V）。 微控制器 32位ARM7TDMI-S微控制器内核。 128kB系统可编程闪存。 96K SRAM及80K ROM。 硬件调试支持。 外设 KBI及I2C。 4个16位定时器及PWM。 红外发生电路。 32KHZ的睡眠计时器和定时捕获。 CSMA/CA硬件支持。 精确的数字接收信号强度指示/ LQI支持。 温度传感器。 二个8通道12位ADC。 AES加密安全协处理器。 两个高速同步串口。 64个通用I / O引脚。 看门狗定时器。应用 2.4 GHz IEEE 802.15.4标准系统。 RF4CE遥控控制系统。 HVAC/楼宇自动化 。 照明系统 。 工业控制和监测 。

19、 低功率无线传感器网络 。 消费电子 。 健康照顾和医疗保健 。 3.1.2MC13224V 与其他无线单片机比较标签： MC13224 CC2430 CC2530 项目CC2430CC2530MC13224引脚484099封装QLP48QFN40LGA电压2.0V 3.6V2.0V 3.6V2.0V 3.6V大小7x7mm6mm 6mm9.5mm 9.5mm微控制器增强型C8051增强型C8051ARM7TDMI-SFlash32/64/128KB32/64/128/256KB128KBRAM8 KB SRAM, 4 KB Data8KB96KB , 80K ROM段频2.4G2.4G2.4

20、G支持标准ZigBee04/06/ SimpliciTIZigBee07/PRO/RF4CE/ SimpliciTIZigBee07/PRO/RF4CE软件平台IARIARIAR射频RFCC2420CC2520MC13224接收灵敏度-90dBm-97dBm-96dBm(DCD模式)-100dBm(NCD模式)输出功率0(最小为-3)dBm4.5(最小-8，最大10)dBm-30至4dBm自带传感器温度温度温度功耗RX：27mARX：24mARX：22mATX：25mATX：29mATX：29 mA低功耗掉电：0.9uA掉电：1uA掉电：0.8uA挂起：0.6uA挂起：0.4uA挂起：0.3u

21、A抗干扰CSMA/CACSMA/CACSMA/CADMA支持支持支持RSSI/LQI支持支持支持AES处理器有有有I/O21个21个64个定时/计数器4(2个16位、2个8位)4(2个16位、2个8位)4(16位)串口2个2个2个(2M)802.15.4定时器有有有ADC8-14位7-12位12位开发工具C51RF-3-PKC51RF-CC2530-PKARMRF-MC13224-PK芯片零售参考价45/片45/片45/片3.1.3 MC13224V电路设计MCl322x在内部集成了不平衡变压器和转换开关，开发人员不必再进行复杂的RF匹配电路设计，芯片只需外接天线和晶振，外围器件数量和尺寸被减

22、少到了最小。因此，电路设计简单方便。 （振荡器连接电路）3.1.4 MC13224V软件开发 1.本平台采用IAR Embedded Workbench for ARM开发环境IAR Embedded Workbench for ARM（下面简称IAR EWARM）是一个针对ARM 处理器的集成开发环境，它包含项目管理器、编辑器、C/C+编译器和ARM 汇编器、连接器XLINK和支持RTOS 的调试工具C-SPY。在EWARM 环境下可以使用C/C+和汇编语言方便地开发嵌入式应用程序。比较其他的ARM 开发环境，IAR EWARM 具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。且支持MC13224v

23、 的c语言开发。目前IAR EWARM支持ARM Cortex-M3 内核的最新版本是 4.42a，该版本支持Luminary全系列的MCU。2. 仿真器采用J-Link ARM JTAG 仿真器。J-Link 是SEGGER 公司为支持仿真ARM 内核芯片推出的JTAG仿真器。配合IAR EWARM，ADS，KELL，WINARM，RealView 等集成开发环境支持所有ARM7/RAM9内核芯片的仿真，通过RDI接口和各集成开发环境无缝连接，操作方便简单易学，是学习开发ARM最好最实用的开发工具。3.2 按键及led模块设计MC13224v有一个4*4键盘接口，具体设计如下：设计中也适当加

24、入了led灯的想法3.3液晶显示屏3.5.1 液晶显示屏主要参数指标本平台采用迪文公司的彩色触摸液晶显示器，DMT32240S035-01W。改液晶采用串口传输方式，具有传输可靠，占用资源少等有点，具体技术参数如下：3.5.2 资料传输与接口时序本液晶为串口传输液晶，指令和数据遵循串口协议。约定了基本书写规范。用数居前加0x 或数据后加H的方式表示十六进制。为了方便用户直接应用，穿孔指令都使用十六进制格式书写，并不加任何标记。用（x，y）表示屏上的坐标位置。字数据都采用msb方式传送。所以文档中也采用msb方式等。3.6 电源设计1.平台采用mc13224低功耗芯片，典型工作电流30-35ma

25、，我们采用lp2985对芯片提供3.3v稳压。Lm2985额定电流为150mA足够提供芯片正常运行。2.芯片可直接采用电池供电使VIN=2.4v。3.VIN输入有效为2.4-3.6vdc4.采用LM385-2.5V 提供ADC 转换的外部参考电压输入，提供+2.5V 参考电压值。5. 采用了一个三极管9015 对传感器的输入电源和参考电压使能进行控制，控制脚置低电平时使能该电源。第四章 开发前景展望由于收到软件限制。本平台暂时只设计了彩色 液晶，按键，等模块。有待进一步升级平台升级计划：1. 组件多节点zigbee网络2. 温度传感器3. 光传感器接口4. pc机通信软件实现第五章 小结该系统

26、设计将采用最新的基于ARM内核的无线单片机MC13224v为核心，配合输入和显示设备，可达到熟悉ARM7内核，和IEEE802.15.4-ZigBee2006 高频电路和最新ZigBee 2007/PRO协议栈。能在开发过程中熟悉和掌握ARM无线单片机MC13224V及软件编程技术和协议栈的相关内容。 系统采用低功耗器件，使得使用寿命大幅提升。并采用充电电池供电，便于无线网络的组建。彩色触摸屏利用串口传输数据，节省了硬件资源和降低了开发难度，并且便于人机友好交互。第六章、参考文献【1】Brian MBlumZigBee与ZigBee PRO：哪一个特性集最适合?【J】电子设计技术，200815

27、(8)：131132【2】李文仲，段朝玉ZigBee2007PRO协议栈实验与实践【M】北京：北京航空航天大学出版社，2009【3】ZigBee AllianceZigBee-2007 Specification，rl 7S【4】Freescale SemiconductorFreescale BeeStack Software Reference Manual for ZigBeeM 2007，Rev11【5】Texas InstrumentsZStack DeveloperS Guide，RevI2【Z】【6】Bob GohnThe ZigBee PRO Feature Set：More of a good thing【EBOL【20071218】http：wwwembeddedcorndesign205100696【7】Freescale SemiconductorMCl322xRM，Rev00【z】【8】National SemiconductorLM94023 15V micro SMD，Dual-GainAnalog Temperature Sensor with Class AB OutputZ【9】Freescale SemiconductorFreescale ZigBee Cluster LibraryRefeFence Manual，Revi【Z】