无线的传感器的网络的及应用的实训书.docx
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无线的传感器的网络的及应用的实训书
重庆航天职业技术学院
无线传感器网络及应用
实训任务书
钱硕编著
2014/6/24
摘要:
本文主要对CC2530射频模块;IEEE802.15.4数据帧格式;CC2530发送模式;接收模式;射频频率和通道的介绍以及对CC2530点对点通信实施和分析。
前言
21世纪以来,随着微电子技术的不断进步极大地推动了计算机和通信设备的普及个迅猛发展,PC机、掌上电脑、移动电话、无绳电话等进入了人们日常和工作中,成为了人们生活中不可缺少的一部分。
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。
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,改变了我们的生活,对社会的发展起到了极大的推动作用。
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。
在传感器技术和计算机技术取得突破性进展之后,一种名叫无线传感器网络的通信系统跃然而出,它以其低成本、低功耗、对等通信等三大优势渐渐成为新兴通信技术中的一大热点。
现如今,无线传感器网络被认为21世纪最具有影响力的改变世界的10大技术之一。
伴随着传感器技术本身不断地在发展、深化和交叉,从原先单一的敏感元件发展到混合集成传感器、智能传感器等,真正朝着无所不在的信息获取技术方向迈进,无线传感器网络技术异军突起,包括在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都体现了重要的科研价值和实用价值,具有十分广阔的应用前景。
于是乎,深化研究无线传感网络、为无线传感器网络寻找一种具备成本低廉,节约功耗而有组网能力较强的无线网络协议的需求变得十分迫切,也是当今通信科技发展的主题。
1.CC2530射频模块介绍
CC2530内部的模拟无线电模块是由其RF内核(RF_core)部分控制,RF内核在CC2530的8051微处理器和无线电之间提供一个接口,它可以发出命令、读取状态和自动对无线电事件排序。
CC2530RF内核的有限状态机(简称FSM)子模块控制射频收发器的状态、发送和接收FIFO,以及大部分动态受控的模拟信号,比如模拟模块的上电/掉电。
FSM用于为事件提供正确的顺序(比如在使能接收器之前执行一个FS校准)。
而且,它为来自解调器的输入帧提供分步处理:
读帧长度、计算收到的字节数、检查FCS、最后成功接收帧后,可选择性地处理自动传输ACK帧等。
在执行发送射频是时执行类似的操作,包括在传输前执行一个可选的CCA,并在接收一个ACK帧的传输结束后自动回到RX。
最后,FSM控制在调制器/解调器和RAM的TXFIFO/RXFIFO之间传输数据。
图8-1为CC2530的射频控制模块
图8-1CC2530RF控制模块
(1)调制器(Modulator)把原始数据转换为I/Q信号发送到发送器DAC。
数据遵守IEEE802.15.4标准。
(2)、解调器(Demod)负责从收到的信号中检索无线数据,解调器幅度受自动增益控制器(AGC)控制。
AGC调整模拟LAN的增益,使接收器的信号幅度保持恒定。
(4)、帧过滤和源匹支持RF内核中FSM的所有操作,同时实现IEEE802.15.4所定义的帧过滤和源地址匹配;
(5)、频率合成器(FS)为RF信号产生载波。
(6)、命令选通处理器(CSP)处理CPU发出的所有命令。
该命令选通处理器还包括一个24字节程序存储器;这样选通处理器不需要微处理器干预的情况下自动执行CSMA-CA算法。
(7)、CC2530的无线电RAM包括发送数据FIFO(TXFIFO)和接收数据FIFO(RXFIFO),每个FIFO都是128字节。
另外,无线电RAM为帧过滤和源匹配存储参数余留了128字节。
(8)、CC2530包括一个用于无线电事件定时计算的MAC定时器(定时器2),以捕获输入数据包的时间戳。
同时,MAC定时器甚至在睡眠模式下也保持定时器计数。
1.12802.15.4帧格式
IEEE802.15.4的帧格式如图8-2所示
图8-2IEEE802.15.4帧格式示意图
1、PHY层
(1)、同步头:
同步头(SHR)包括帧引导序列,接下来是帧开始界定符(SFD)。
在IEEE802.15.4规范中,帧引导序列定义为四个字节的0x00。
SFD是一个字节,设置为0xA7。
(2)、PHY头:
PHY头只包括帧长度域。
帧长度域定义了MAC协议数据单元(MACprotocoldataunit,简称MPDU)中的字节数。
注意长度域的值不包括长度域本身。
但是它包括帧检查序列(FCS),即使这是由硬件自动插入的。
帧长度域是7位长,最大值是127。
长度域的最高位保留,总是设置为0。
(3)、PHY服务数据单元:
PHY服务数据单元包括MAC协议数据单元(MPDU)。
MAC层负责产生/解释MPDU,CC2530的无线电有内置的支持可以处理一些MPDU子域。
1.2MAC层
MAC帧格式主要是指MAC协议数据单元(MPDU)的格式,主要包括MAC帧头(MHR),MAC负载和MAC帧尾(MFR)。
帧头由帧控制,帧序列码和地址域组成,MAC层负载长度可变,具体内容由帧类型决定。
MAC帧尾(帧校验)是帧头和负载数据的16位循环冗余校验(CRC)序列。
具体见表8-1
表8-1MAC帧的通用格式
字节:
2
1
0/2
1/2/8
0/2
0/2/8
可变
2
帧控制
序列号
目的PAN标识符
目的地址
源PAN标识符
源地址
净荷
帧校验
地址域
MAC帧头(MHR)
MAC帧负载
MAC帧尾
1.3CC2530射频发送模式
1、发送控制
CC2530的射频模块有许多内置的功能,用于帧处理和报告状态。
这些功能很容易地精确控制输出帧的时序。
这在IEEE802.15.4/ZigBee®系统中是非常重要的,因为这类系统有严格的时序要求。
●开始帧传输操作方式:
(1)、STXON命令
执行STXON命令时,将终止正在传输的操作,SAMPLED_CCA不更新;
(2)、STXONCCA命令:
在CCA信号为高。
STXONCCA命令将中止正在进行的发送/接收,强制一个TX校准,然后再传输。
同时更新SAMPLED_CCA信号。
●终止帧传输操作方式:
(1)、STXON命令
执行STXON命令时,将终止正在传输操作,进入RX调整
(2)、STXOFF命令
执行STXOFF命令时,将终止正在进行的接收/发送,使FSM进入空闲状态(IDLE状态);
2、发送时序
STXON命令或STXONCCA命令执行后192us开始传输帧的引导序列,返回到接收模式,也需要延迟同样的时间。
当进入空闲或接收模式时,调制器将信号送到DAC、发送SFD信号以及射频FSM转换到IDLE状态,都有2us的延迟。
3、发送FIFO的访问方式
CC2530芯片具有128字节的发送FIFO(TXFIFO),该缓冲每次只能完整地保存一帧数据。
只要缓冲的数据不产生下溢,在执行发送命令(STXON或STXONCCA)执行前或执行后都可以对数据帧进行缓冲到FIFO中。
图8-3为发送射频数据时需要写入发送缓冲的数据。
AUTOCRC=0
LEN
LEN-2字节
FCS(2字节)
忽略
AUTOCRC=1
LEN
LEN-2字节
忽略
图8-3需要写入到发送缓冲数据
CC2530有两种方式将数据写入到发送FIFO缓冲:
(1)、写到RFD寄存
(2)、直接写FIFO缓冲
发送帧缓冲(FIFO)位于存储器0x6080-0x60FF共128个存储单元。
通过使能FRMCTRL1.IGNORE_TX_UNDERF位,可以直接写到无线电存储器的RAM区域。
建议使用写RFD寄存器将数据写到发送FIFO中,写入到发送FIFO中的字节数保存在TXFIFOCNT寄存器中。
如果FIFO在传输期间被清空就发生TX下溢错误,可以使用SFLUSHTX命令手动清空发送FIFO。
4、重传方式
为了支持简单的帧重传,CC2530无线电数据在传输过程中不会删除发送FIFO的内容。
成功发送一个帧后,FIFO的内容保持不变。
要重传同一个帧,只需重新执行STXON或STXONCCA命令启动重传。
只有数据包已经被完全发送才可以重传一个数据包,即数据包不能中止,然后再重传。
如果传输一个不同的帧,就写新的帧到发送FIFO。
发送FIFO在实际写发生之前自动清除。
5、帧处理过程
CC2530射频在发送数据帧过程中执行以下帧产生操作:
收到的帧
帧引导序列
SFD
LEN
MHR
MAC负载
FCS
(1)
(2)
(3)
(1)产生并自动传输PNY层同步头,它包括帧引导序列和SFD
(2)传输帧长度域指定的字节数LEN
(3)计算并自动传输FCS(可以禁用)
推荐写发送长度域方法:
在将MAC头和MAC负载写入发送FIFO后,接着写发送长度域,然后让CC2530的射频处理其余部分。
注意:
即使CC2530射频自动处理FCS字节,发送长度域必须包括这两个FCS字节。
当发送了SFD,调制器开始从发送FIFO中读数据。
它期望找到帧长度域,然后是MAC头和MAC负载。
帧长度域用于确定要发送多少个字节。
当帧的SFD域发送后就产生SFD中断。
当成功发送一个完整的帧,产生TX_FRM_DONE中断。
1.4CC2530射频接收模式
1、接收控制
CC2530的射频接收器分别根据SRXON和SRFOFF命令进行开启和关闭,或使用RXENABLE寄存器。
接收命令提供一个硬开启/关闭机制,而RXENABLE操作提供一个软开启/关闭机制。
●开启接收器操作:
(1)SRXON命令
执行SRXON命令后,RXENABLE[7]置1,终止正在进行的接收/发送操作,强制转换到接收模式。
(2)SRXON命令(当FRMCTRL1.SET_RXENMASK_ON_TX使能)
执行SRXON命令后,RXENABLE[6]置1,发送完成之后使能接收操作。
(3)通过写RXMASKSET寄存器(将与RXENABLE进行或运算)使RXENABLE!
=0x00
不终止正在进行的接收/发送操作;
●关闭接收器操作:
(1)、SRXOFF命令
清除RXENABLE[7:
0],通过强制转换进入空闲状态(IDLE),终止正在进行的接收/发送操作;
(2)通过写RXMASKCLR寄存器(将与RXENABLE进行与运算)使RXENABLE=0x00
不终止正在进行的接收/发送操作;一旦接收完毕,射频返回空闲状态(IDLE)
2、接收时序
在使能接收192us后可进入接收操作。
从接收一帧再次进入接收模式同样需要192us的延迟。
3、接收帧处理过程
CC2530射频集成了IEEE802.15.4-2003和-2006中RX硬件方面要求的关键部分。
降低了CPU干预,简化了处理帧接收的软件,且以最小的延迟给出结果。
CC2530在接收一个帧期间,执行以下帧处理步骤
收到的帧
帧引导序列
SFD
LEN
MHR
MAC负载
FCS
(1)
(2)(3)
(4)
发送的确认帧
帧引导序列
SFD
LEN
MHR
FCS
(5)
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