基于CC2530的无线数据传输模块的设计定稿Word格式.docx
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基于CC2530的无线数据传输模块的设计定稿Word格式.docx
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在现代追求快捷方便时尚的今天,人们不禁把目光转向了无线通信方式,尤其是一些机动性要求较强的或在人们不方便随时到达现场的条件下使用的设备。
因此,一些典型的无线应用产品顺势而生。
但随着各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化的快速发展、各种便携式个人通信设备和家用电器设备的增加,人们享受无线信息传输系统带来的便利的同时,又同时针对发展的新的需求而不断探索。
1.1设计的背景及意义
近年来,随着我国计算机和通信网络的普及,无线信息传输功能已经成为人们日常生活和工作中不可缺少的一部分。
设备与终端、移动终端与基站之间交流需求使得信息传送系统也获得前所未有的发展。
目前,在Intended网信息传送方面主要有电信、网通、铁通等有线信息传输;
在移动终端数据传送方面有中国移动、中国联通、中国电信以及短距离的Wifi、遥控器、长距离的3G网络、4G网络等;
但大多数这些设备和使用终端间的信息传送都是依靠有线网络进行的。
例如布线麻烦、线路故障难以检查、设备重新布局就要重新布线、不能随意移动等这些有线网络先天带有的缺憾却愈发地突出,渐渐阻碍了有线网络的发展。
在追求自由和便捷通信的今天,人们不禁把目光转向了无线通信方式,尤其是一些机动性要求较强的或在人们不方便随时到达现场的条件下使用的设备。
因此采用先进集成芯片研制开发一种多模块、数据收发于一体的无线数据传输,不仅能满足当前移动终端信息交流发展的需求,集中实现各项功能,还能较大地简化电路,在提高设备的整体抗干扰能力的同时也提高设备的性价比。
这种满足国家低功率标准,智能化标准,信息交流无处不在和随时随地可以接收信息对现代信息化建设发展有着重大的意义。
1.2无线数据传输技术的现状及发展趋势
随着我国经济水平的逐渐提高,无线通信技术在人们生活中的应用越来越普遍,无线通信技术的广泛应用,不仅便捷了人们生活中的沟通,而且也促进了通信技术的逐步更新。
随着时代的逐步发展,现代无线技术面临着新的要求和挑战,现状分析及其发展前景,以便实现现代无线通信技术发展的科学化、创新化。
随着科学技术水平的逐步提高,无线通信技术也在不断地更新,与以往的通信技术相比,无论在技术水平还是应用方式上,现代无线通信技术都有了新的转变与突破。
一、无线通信技术的现状分析
(1)20年代初到50年代初为无线通信技术发展的第一阶段,此时,无线通信技术主要应为了满足军用的需要,它主采用的技术存在一定局限性,因此,它的传输不仅受客观条件的制约,同时也没有达到最初的传输速率。
(2)50年代到60年代为通信技术的第二阶段,此时,通信设备器件已被应用于移动环境的专用系统中,并实现了从半导体器件技术的过度,这在无形中解决了通信技术中安装公用电话网的问题,同时实现了公用电话与移动电话的持续性。
(3)70年代初到80年代初为通信技术的第三阶段,此时,不仅扩展了通信技术的频段,同时也制造出第一代的通信技术系统,并根据贝尔实验室所提出的蜂窝移动网理论,研制出新的实验系统。
(4)80年代到90年代为通信技术的第四阶,此时,在通信领域中,继第一代数字移动通信兴起后,出现了第二代的数字移动通信,这些都在无形中促进了各类电信系统的正常运行。
(5)90年代后至今为通信技术的第五阶段,此时,第三代的移动通信技术已逐步兴起,这不仅满足了通信技术逐步发展的需要,同时也促使了移动通信与多媒体运转的结合,随着全球化标准的制定,无线通信技术仍有待于实现多样化与创新化。
二、现代通信技术的发展前景
实现未来无线网络趋势的融合体根据目前无线通信的发展现状,不同接入网为了满足不同应用场合的需要,而移动通信网与不同范围存在着一定的互补性,由此可见,LTE技术将成为无线通信技术的主导,而促使通信技术与计算机的融合体,这样,不仅提高了网络环境的检测,同时也在一定程度上了减少了不同用户间通信的干涉。
可见,实现未来无线网络的融合体是现代无线通信技术的发展趋势。
由于不同通信技术的接入方式不同,因此,不同通信技术在使用范围、覆盖面、接入速度等方面都存在着一定的差异性,例如,WLAN所解决的是距离中数据传输的问题,3G是为了实现移动漫游中的需要。
因此,为了促使无线通信技术发展的多元化,应适时提高无线通信技术之间的互补性,以便促进现代无线通信技术的开发与发展。
由于不同行业对无线通信技术的需要不同。
因此,应将无线通信技术与其它学科有效的链接,以便满足不同用户对无线通信技术的需求,这在无形中实现了无线通信技术的跨行发展,并且要适时实现无线通信技术的创新化,以便促进现代无线通信技术的改革与完善。
1.3无线数据传输技术设计的必要性
随着无线通信技术的逐步完善,主要是为了满足个体信息化发展的需要,无论是在智能手机、还是无线电脑都得到了广泛的使用,这在无形中推动了无线通信技术的快速发展,同时也增加了用户对无线通信技术的服务要求,可见,现代无线通信技术的发展已经势在必行。
现今阶段,需求无线数据传输主要体现在以下几个方面:
(1)无线数据传输市场改革的需要:
信息化带动了企业的高速发展,在厂商推动和企业需求的天平两端,企业用户的需求正在逐渐加重。
无线网络自诞生以来就被认为是为用户提供前所未有的灵活性、便利性以及显著提高工作效率,在减少工作压力、改善生活水平,乃至提高企业用户社会地位方面具有得天独厚的优势。
现代企业随着业务规模的不断扩大和对工作效率的提高要求上,越来越渴望灵活的无线网络技术能帮他们解决问题。
甚至有很多的企业是在租用写字楼的办公室,考虑到建设传统网络的繁琐和成本问题,也希望可以通过无线网络技术实现他们的目的。
事实上,无线应用已经深入到了企业当中,虽然它不会取代传统的有线网络,但它已经成为传统有线网络灵活扩展的重要技术。
随着无线网络技术的不断发展,以及各种无线安全协议的成功商用,使得越来越多的企业可以接受无线网络技术部署在自己的办公环境中,并且随着无线网络技术与传统有线网络的无缝融合,使得已有有线网络环境的企业也希望通过无线网络技术对企业做一定的延伸和扩展。
(2)现有无线数据传输存在的不足:
无线数据传输虽然解决了有线数据传送无法克服的困难,拥有很多优势,但与有线相比,仍然有不足之处。
无线传输速率较慢,一般容易受到干扰,功率受限。
现在用户最好最高只能是11mbps的速度发送和接受信息,移动局域网能力较强的完全分布型无线数据传输更是结构复杂、成本高并存在多路径干扰。
而且,由于无线传输介质脆弱不足,导致了它除了具有有线数据传输的不安全因素外,还容易遭受窃听和干扰、冒充、欺骗等形式的攻击,安全性问题一直是无线数据传输迫切需要解决的问题。
目前无线传输还不能完全脱离有线,无线传输与有线传输只是互补的关系。
(3)结构简单节省投资:
无线数据传输的系统构成主要有点对点型、点对多点型和完全分布型三种形式。
其中点对点型和点对多点型是日常生活中接触最多的两种无线数据传输方式。
它们都有结构组成和用户设备简单的特点,而且点对多点型无线数据传送更可以与微蜂窝技术结合。
无线数据传输系统的建设可以省去了难度大、费用高、耗时长的布线施工,减少了对施工周边环境的影响,节约了大量经济费用。
安装简单快捷,一般只要安装一个或多个接入点设备,就可建立覆盖整个建筑或地区的局域数据传输系统,在这个信号覆盖区域内,任何一个位置都可以接入此系统,用户使用极为方便。
此系统减少了电线等贵重金属的消耗,有利于社会的可持续发展,结构简洁,升级扩展容易,重复投资少。
2总体设计
2.1基于CC2530的无线数据传输模块的功能分析
基于CC2530的无线数据传输模块应以发送数据、接收收据、处理数据为主,实现信息的A/D转换及收发。
此模块需要设计信号I/V转换电路、A/D转换及相应的接口电路,才能把采集到的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。
利用微机原理及接口技术,实现先进、可靠、集成、低功率的无线数据传输模块,以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求,自动完成信息收集、A/D转换、发送、接收、处理等基本功能,并可根据需要支持实现无线区域覆盖、协同互动等高级功能,实现与相邻无线发射点互动的无线传送模块。
该模块的多接口采集、多通道发送、高速率A/D转换、通讯功能互动于一体,集成度高,功能强大,经济可靠,具有很好的实用价值。
2.2无线传输模块整体设计思想
模块设计重点研究的、关键的问题是以CC2530芯片为核心模块,设计了一个可以完成多功能采集,传输的模块,整合市场现有的无线传输设备(主要是基于Z-STACK协议栈自动组网的系统)。
解决思路可采用先进、可靠、集成、的开发板,以信息数字化、硬件平台软件化、信息共享标准化为基本要求,利用微机原理及接口技术,进行本次毕业设计。
无线数据传输模块设计应遵循的主要原则:
(1)安全性原则:
充分评估各种新技术、新设备的应用风险,有计划、有步骤、采取由低端的CC2530开发板到多功能接口的无线数据传输开发板,逐步试点推广应用的风险控制措施,稳步推动CC2530无线数据传输模块的不断更新,以保障数据能安全稳定、精确高效地传输。
(2)先进性原则:
跟踪无线数据传输技术的最新发展,依靠科技创新和技术进步,最终建成功能合理、技术先进,符合无线传输发展需求的协调器(基于CC2530的ZigBee开发板)。
(3)实用性原则:
充分注重系统的优化和整合,力求实现技术、经济、需求三方面的平衡性与合理性。
系统的排版和设计采用统一的标准和规范,利于实现资源共享,提高效率和信息资源的综合开发利用。
无线传输模块系统结构方框图如图1所示。
图1系统结构框图
本设计的难点就在CC2530芯片的工作原理应用上。
CC2530是ZigBee网络数据传输的其中一个核心芯片。
它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。
CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051CPU,系统内可编程闪存,8KBRAM和许多其他强大的功能。
CC2530芯片有四种不同的闪存版本,具有32KB、64KB、128KB、256KB的闪存。
CC2530芯片工作时具有不同的运行模式,使得它适应超低功耗要求的系统。
核心芯片的优良性再加上外围电路的配合,可以实现多功能,高效率的无线数据传输。
模块外围可以安装传感器模块,采集温度、湿度、高度、网口等数据传输模块。
然后,对数据进行A/D转换,数字化后进行数据与PC间的串口数据传输,在计算机上进行数据深程度处理。
那么CC2530所接收的信号不全是模拟信号,还可以接受其他无线设备所发送的数字信号。
在接收到数据后,芯片对数据进行简单的分类后,再发送给其他接受终端,这需要软件的控制,芯片中所集成的增强型8051CPU完全可以处理这些逻辑问题。
在数据传输的同时,由LED灯亮灯灭等去辨别模块工作的正常性,LED灯出现正常的闪烁,其模块工作正常。
模块还设置了专门的供电线路和滤波电路,确保电压的正常。
其次,还设置了仿真跳线电路和PC串口电路等。
3硬件电路设计
3.1设计模块的基本功能
基于CC2530无线传输模块包括数据处理模块、外接模块I/V转换电路、电源模块、串口通信模块和无线传输模块。
从而实现模拟数据A/D转换、发送数据、两个或多个无线模块建立简单的无线连接和数据交换为一体的功能。
数据采集一般是采样方式,即在一个采样周期对同一点数据重复采集。
采集的数据大多是瞬时值,也可是某段时间内的一个特征值。
准确的数据量测是数据采集的基础。
数据量测方法有接触式和非接触式,检测元件多种多样。
模拟数据A/D转换则起到多样性数据采集与整个无线数据传输模块相连的桥梁作用。
由于采集数据的实际对象往往都是一些模拟量,根据无线传输局限性的需要,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号,在无线传输中,处理这些信号,更容易、安全、可靠。
发送数据则是在以上各项功能的基础上实现的数据包寻找终端进行数据交换的功能。
数据包发送前首先要对数据包的格式进行配置,数据包的格式化配置主要包含对前导字节、同步词汇、数据包长度和CRC校验等信息的设置。
发送模块与接收终端之间的地址配对,是软件初始化已经做好的工作。
CC2530芯片具有地址配对的功能,只需要在写入程序时,设置配对终端的地址即可。
两个或多个无线模块建立简单的无线连接和数据交换是实现点对点型、点对多点型和完全分布型最基本的条件,支持实现无线区域覆盖、协同互动等高级功能,实现与相邻无线发射点互动的最关键的功能。
此功能多用于现代的无线网络,例如Wifi,蓝牙,这些短距离数据传输场合。
在实现无线数据传输的条件下,基于CC2530的无线数据传输模块实际上就是一个多接口采集、多功能数据收发的数据传送点,是整个无线区域覆盖的一个基本服务终端。
它可以发送采集模块所采集到的任何数据和无线接收到的任何信息,也可将它所获得的信息和数据传送到移动终端或下多个基本服务终端。
3.2CC2530芯片介绍
CC2530是ZigBee无线数据传输其中的一个核心芯片,它能够以非常低的总材料成本建立强的网络节点。
CC2530芯片有四种不同的闪存版本:
分别具有32/64/128/256KB的闪存。
CC2530芯片工作实具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统。
运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。
在业界内,CC2530结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈,提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。
那么CC2530芯片的实物如图2所示。
图2CC2530芯片
3.2.1CC2530芯片引脚
CC2530芯片共包含了40个引脚,引脚的排布如图3所示。
图3CC2530引脚图
CC2530是集合型芯片,所以其本身就有40个引脚。
那么CC2530芯片引脚功能描述表见附录1。
3.2.2CC2530芯片功能介绍
CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051CPU,系统内可编程闪存,8-KBRAM和许多其他强大的功能。
(1)RF/布局功能:
适应2.4-GHzIEEE802.15.4的RF收发器;
极高的接收灵敏度和抗干扰性能;
可编程的输出功率高达4.5dBm;
只需极少的外接元件;
只需一个晶振,即可满足网状网络系统需要;
6-mm×
6-mm的QFN40封装;
适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规。
(2)具有低功耗优点:
主动模式RX(24mA);
主动模式TX在1dBm(CPU空闲)29mA;
供电模式1(2mA);
供电模式21μA;
供电模式3(外部中断)0.4μA;
宽电源电压范围(2V–3.6V)。
(3)微控制器功能:
优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051(CPU)微控制器内核;
32KB、64KB或128-KB的系统内可编程闪存;
8KB-RAM,具备在各种供电方式下的数据保持能力;
支持硬件调试。
(4)外设部分:
强大的5通道DMA;
IEEE802.5.4MAC定时器,通用定时器(一个16位定时器,一个8位定时器);
IR发生电路;
具有捕获功能的32-kHz睡眠定时器;
硬件支持CSMA/CA;
支持精确的数字化RSSI/LQI;
电池监视器和温度传感器;
具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC;
AES安全协处理器;
2个支持多种串行通信协议的强大USART;
21个通用I/O引脚(19×
4mA,2×
20mA);
看门狗定时器。
3.2.3CC2530芯片模块说明
CC2530芯片模块大致可以分为三类:
CPU和内存相关的模块;
外设、时钟和电源管理相关的模块以及无线电相关的模块。
(1)CPU和内存:
CC253x芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。
(2)调试接口:
执行一个专有的两线串行接口,用于内电路调试。
(3)I/O控制器:
负责所有通用I/O引脚。
(4)五通道DMA控制器:
系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器,使用XDATA存储空间访问存储器,因此能够访问所有物理存储器。
(5)定时器1:
是一个16位定时器,具有定时器PWM功能。
。
(6)内置MAC定时器:
是专门为支持IEEE802.15.4,MAC或软件中其他时槽的协议设计。
(7)定时器3和定时器4:
是8位定时器,具有定时器/计数器/PWM功能。
(8)睡眠定时器:
是一个超低功耗的定时器,计算32kHz晶振或32kHzRC振荡器的周期。
(9)看门狗:
一个内置的看门狗,允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。
3.2.4其他
除了上面所含的高级功能,CC2530内部还安置了RF无线收发器等,还有CC2530芯片的运行坏境温度和供电电压。
(1)无线设备
CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。
RF内核控制模拟无线模块。
另外,它提供了MCU和无线设备之间的一个接口,这使得可以发出命令,读取状态,自动操作和确定无线设备事件的顺序。
无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。
(2)运行条件
CC2530在良好的环境中运行才能达到最好的效果,其环境参数如表1。
表1CC2530运行环境
最小值
最大值
单位
运行环境温度
-40
125
℃
运行供电电压
2
3.6
V
3.3电源电路设计
在模块设计中,CC2530芯片及部分外围器件需3.3V电源和1.8V电源供电,另外,部分器件需要5V电源、12V电源和24V电源,为简化模块电源电路的设计,要求整个模块的输入电压为24V直流稳压电源。
为了得到可靠的稳定电压,此处选用美国国家半导体公司生产的三端可调正稳压器集成DC-DC变换器LM317,它的输入电压范围是1.2V至37V,负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
另外在用的时候要注意功耗问题和散热问题。
24V转5V和12V电源电路,如图4所示。
图424V转换电路
LM317输出电压计算方法如公式
(1):
(1)
因为
控制在小于l00uA,这一项的误差在多数应用中可忽略。
24V转8V、12V可以利用LM317芯片和外围电路顺利转换而来。
那么1.8V和3.3V的转换电压也要利用芯片,在这里选用AS1117芯片。
AS1117是一款低压差的线性稳压器,当输出1A电流时,输入输出的电压差典型值仅为1.2V。
AS1117除了能提供多种固定电压版本外,还提供可调端输出版本,该版本能提供的输出电压范围为1.25V-13.8V。
AS1117本身功能已经很齐全,所以,外围应用电路非常简单,固定电压版本只需输入输出两个电容和负载即可工作。
5V转1.8V和3.3V电源电路,如图5所示。
图55V电源转换电路
电路中存在的交流分量会影响到电路的稳定性,而经过电容滤波电路后,即可保留直流分量,又可滤掉一部分交流分量,改变了交直流分量的比例,减小了电路的脉动系数,改善了直流电压的质量。
对于脉动直流电中的交流成分,旁路电容C相当于短路,交流量经过电容,而不经过负载,负载被电容短路。
对于脉动直流电中的直流成分,旁路电容C相当于开路,直流量不能通过电容,而加在负载上,从而达到了滤除脉动直流电中交流成分的目的。
滤波电路如图6所示。
图6
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