ZigBee硬件平台课件

第10章ZigBee硬件平台10.1ZigBee无线SOC片上系统CC2430/CC2431概述CC2430/CC2431是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它支持2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee协议。根据芯片内置闪存的不同容量，提供给用户3个版本，即CC2430-F32/64/128，分别对应内置闪存32/64/128KB。第10章ZigBee硬件平台CC2430/CC2431芯片主要特点CC2430/CC2431采用增强型8051MCU、32/64/128KB闪存、8KBSRAM等高性能模块，并内置了ZigBee协议栈。加上超低能耗，使得它可以用很低的费用构成ZigBee节点，具有很强的市场竞争力。CC2430/CC2431是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和工业级的8051控制器。第10章ZigBee硬件平台CC2430/CC2431芯片（如图10-1所示）延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（WatchdogTimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(BrownOutDetection)以及21个可编程I/O引脚。CC2430/CC2430区别在于：只有CC2431有定位跟踪引擎，CC2430无定位跟踪引擎。除了以上其它外，在外观上CC2430与CC2431完全一样的。CC2430/CC2431芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430/CC2431的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。第10章ZigBee硬件平台第10章ZigBee硬件平台CC2430/CC2431芯片的主要特点如下：■高性能、低功耗的8051微控制器内核；■适应2.4GHzIEEE802.15。4的RF收发器；■极高的接收灵敏度和抗干扰性能；■32/64/128KB闪存；■8KBsRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；■强大的DMA功能；■只需极少的外接元件；■只需一个晶体，即可满足组网需要；电流消耗小(当微控制器内核运行在32MHz时。Rx为27mA，Tx为25mA)；■掉电方式下，电流消耗只有O.9ｕA，外部中断或者实时钟(RTc)能唤醒系统；■挂起方式下，电流消耗小于O.6ｕA，外部中断能唤醒系统；■硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取(csMAcA)；第10章ZigBee硬件平台■电源电压范围宽(2.O～3.6V)；■支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示(RssI/LQI)；■电池监视器和温度传感器；■具有8路输入8～14位ADC；■高级加密标准(AEs)协处理器；■2个支持多种串行通信协议的usART；■看门狗；■1个IEEE802.5.4媒体存取控制(MAc)定时器；■1个通用的16位和2个8位定时器；■支持硬件调试；■21个通用I/0引脚，其中2个具有20mA的电流吸收或电流供给能力；■提供强大、灵活的开发工具；■小尺寸QLP48封装，7mm×7mm。第10章ZigBee硬件平台10.3CC2430/CC2431芯片功能结构CC2431片上系统(SoC)由CC2430加上Motorola的基于IEEE802.15.4标准的无线电定位引擎组成。CC2431和CC2430地最大区别在于CC2431具有包括Motorola的有许可证的定位检测硬件核心。图10-2为CC2430/CC2431芯片引脚示意图。其中，外露的芯片安装衬垫必须连接到PCB的接地层，芯片通过该处接地。CC2430/CC2431具有CC2420RF接收器以及增强性能的8051MCU、8KBRAM等，其增强的8051MCU核的性能是工业标准8051核性能的8倍。CC2430/CC2431还具备直接存储器定址(DMA)功能(能够被用于减轻8051微控制器内核对数据搬移，因此提高了芯片整体的性能)、可编程看门狗定时器、AES-128安全协处理器、多达8输入的8-14位ADC、USART、睡眠模式定时、上电复位、掉电检测电路(BrownOutDetection)、21个可编程I/O管脚等。两个可编程的USART用于主/从SPI或UART操作。带外部功放的CC2430/CC2431参考设计可提供+10dBm的输出功率。第10章ZigBee硬件平台采用该核心，可以实现0.25米的定位分辨率和3米左右的定位精度，这个精度已经大大高于卫星定位的精度，定位时间小于40微秒。采用CC2431组成定位系统，需要有最少3个参考节点组成一个无线定位网络。CC2430/CC2431芯片采用7mm×7mmQLP封装，共有48个引脚(如图10-2所示)。全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。CC2430片上系统的功能模块集成了CC2420RF收发器、增强工业标准。第10章ZigBee硬件平台第10章ZigBee硬件平台1.I/O端口线引脚功能CC2430/CC2431有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。I/O口有下面的关键特性：■可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用。■在输入时有上拉和下拉能力。■全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。1～6脚（P1_2～P1_7）：具有4mA输出驱动能力。8～9脚（P1_0～P1_1）：具有20mA的驱动能力。11～18脚（P0_0～P0_7）：具有4mA输出驱动能力。43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4mA输出驱动能力。第10章ZigBee硬件平台2．电源线引脚功能7脚（DVDD）：为I/O提供2.0～3.6V工作电压。20脚（AVDD_SOC）：为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。23脚（AVDD_RREG）：为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。24脚（RREG_OUT）：为25，27～31，35～40引脚端口提供1.8V的稳定电压。25脚(AVDD_IF1)：为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供1.8V电压。27脚（AVDD_CHP）：为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8V电压。28脚（VCO_GUARD）：VCO屏蔽电路的报警连接端口。29脚（AVDD_VCO）：为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8V电压。30脚（AVDD_PRE）：为预定标器、Div2和LO缓冲器提供1.8V的电压。第10章ZigBee硬件平台31脚（AVDD_RF1）：为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8V的电压。33脚（TXRX_SWITCH）：为PA提供调整电压。35脚（AVDD_SW）：为LNA/PA交换电路提供1.8V电压。36脚（AVDD_RF2）：为接收和发射混频器提供1.8V电压。37脚（AVDD_IF2）：为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8V电压。38脚（AVDD_ADC）：为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8V电压。39脚（DVDD_ADC）：为ADC的数字电路部分提供1.8V电压。40脚（AVDD_DGUARD）：为隔离数字噪声电路连接电压。41脚（AVDD_DREG）：向电压调节器核心提供2.0～3.6V电压。42脚（DCOUPL）：提供1.8V的去耦电压，此电压不为外电路所使用。47脚（DVDD）：为I/O端口提供2.0～3.6V的电压。第10章ZigBee硬件平台3．控制线引脚功能10脚（RESET_N）：复位引脚，低电平有效。19脚（XOSC_Q2）：32MHz的晶振引脚2。21脚（XOSC_Q1）：32MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。22脚（RBIAS1）：为参考电流提供精确的偏置电阻。26脚（RBIAS2）：提供精确电阻，43kΩ，±1%。32脚（RF_P）：在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。34脚（RF_N）：在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。43脚(P2_4/XOSC_Q2)：32.768kHzXOSC的2.3端口。44脚(P2_4/XOSC_Q1)：32.768kHzXOSC的2.4端口。第10章ZigBee硬件平台10.4SOC无线CC2430之8051的CPU介绍10.4.1简介CC2430/CC2431集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHzRC振荡器。CC2430/CC2431的8051内核的目标代码兼容标准8051的微处器。换句话说,CC2430/CC2431的8051目标码与标准8051完全兼容，可以使用标准8051的汇编器和编译器进行软件开发，所有的CC2430/CC2431的8051指令在目标码和功能上与同类的标准的8051产品完全等价。第10章ZigBee硬件平台10.4.1简介CC2430/CC2431也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430/CC2431，以支持IEEE802.15.4MAC安全所需的（128位关键字）AES的运行，以实现尽可能少的占用微控制器。CC2430/CC2431增强型8051内核使用标准8051指令集，具有8倍的标准8051内核的性能。这是因为：（1)每个时钟周期为一个机器周期而标准8051中是12个时钟周期为一个机器周期。（2)除去被浪费掉的总线状态的方式。CC2430/CC2431包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。32k、64k或128k字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。第10章ZigBee硬件平台10.4.2存储器8051CPU有4个不同的存储空间：■代码（CODE）：16位只读存储空间，用于程序存储（如图10-3所示）。■数据（DATA）：8位可存取存储空间，可以直接或间接被单个的CPU指令访问。该空间的低128字节可以直接或间接访问，而高128字节只能够间接访问。■外部数据(XDATA)：l6位可存取存储空间，通常需要4～5个CPU指令周期来访问（如图10-4所示）。■特殊功能寄存器(SFR)：7位可存取寄存器存储空间，可以被单个的CPU指令访问。第10章ZigBee硬件平台第10章ZigBee硬件平台第10章ZigBee硬件平台1．存储器映射图与标准8051存储器映射图不同之处有两个方面：（1）为了使得DMA控制器访问全部物理存储空间，全部物理存储器都映射到XDATA存储率间；（2）代码存储器空间可以选择，因此全部物理存储器可以通过使用代码存储器空间的统一映射，映射到代码空间。第10章ZigBee硬件平台2．存储器空间（1）外部数据存储器空间对于大于32KB闪存的芯片，最低的55KB闪存程序存储器映射到地址0x0000~0xDEFF；而对于32KB闪存的芯片，32KB闪存映射到地址0x0000～0x7FFF。所有的芯片，其8KBSRAM都映射到地址0xE000～0xFFFF，而特