第４期（总第１７３期）２０１２年８月机械工程与自动化ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．４Ａｕｇ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１２）０４－０１９８－０３基于ＣＣ２４３０的ＺｉｇＢｅｅ无线通信模块设计郝永亮，杨铁梅（太原科技大学电子信息工程学院，山西　太原　０３００２４）摘要：ＣＣ２４３０芯片是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司推出的用来实现嵌入式ＺｉｇＢｅｅ应用的片上系统，它支持２．４ＧＨｚ　８０２．１５．４ＩＥＥＥ／ＺｉｇＢｅｅ协议。

由于它的便利性、低功耗、低成本的特性，使得它具有很好的市场潜力。

对ＣＣ２４３０芯片独具一格的特点和引脚进行了分析，给出了无线通信模块的设计方案及电路原理图。

关键词：ＺｉｇＢｅｅ；ＣＣ２４３０；无线通信模块；设计中图分类号：ＴＮ９２ 文献标识码：Ｂ收稿日期：２０１２－０２－２８；修回日期：２０１２－０３－２０作者简介：郝永亮（１９８５－），男，河北内丘人，在读硕士研究生，研究方向：模式识别与故障诊断。

１　ＺｉｇＢｅｅ技术ＺｉｇＢｅｅ技术是一种新兴的低功耗、短距离、低功率无线通信组网技术，是一种介于无线标记与蓝牙技术之间而提出的技术，目的是为了使用近距离无线通信领域。

每种通信都有特殊的通信协议，同样ＺｉｇＢｅｅ技术也有着自己的无线通信标准。

监测区域内数以千计的微小的传感器通信，是通过彼此间的相互协调作用来实现的。

ＺｉｇＢｅｅ的无线数据传输网络平台由６５　０００个无线数传模块构成，其监测空间很广阔。

在现实环境中，建立的此种网络平台类似于移动通信的ＣＤＭＡ网络和ＧＳＭ，而作为平台当中的每一个无线通信模块就类似于移动通信网站中的一个基站，在整体的网络范围内，彼此之间的相互通信可以互通，并且ＺｉｇＢｅｅ的整体网络本身还可以与其他的各种网络进行连接［１，２］。

ＺｉｇＢｅｅ协议栈是由层次划分而成的，层与层之间紧密联系在一起，每层为其上一层提供特定的服务。

这种特定的服务包括数据传输服务和除此之外的其他全部服务，层与层之间通过这种服务串联起来。

层内包括数据实体和管理实体，数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其他所有服务。

服务实体通过服务接口提供上层的服务，该接口由服务接入点（ＳＡＰ）充当。

ＺｉｇＢｅｅ堆栈的建立是以ＩＥＥＥ　８０２．１５．４的标准为基础，该标准定义了协议的ＭＡＣ和ＰＨＹ层。

则ＺｉｇＢｅｅ设备应该包括ＩＥＥＥ　８０２．１５．４的ＭＡＣ和ＰＨＹ层，用来实现无线收发射频与相邻设备通信。

此外还包括ＺｉｇＢｅｅ自身定义的堆栈层：网络层ＮＷＫ、应用层和安全服务提供层。

ＺｉｇＢｅｅ堆栈框架如图１所示。

２　ＣＣ２４３０芯片２．１　ＣＣ２４３０芯片的特点ＣＣ２４３０芯片的设计方案采用典型的系统芯片（ＳＯＣ）ＣＭＯＳ设计方案，这种解决设计理念的方案使芯片在各种性能上得到了提高。

由于无线通信的通道采用２．４Ｈｚ波段来传输，因此为使其达到实际性能和低功耗的要求，ＣＣ２４３０芯片在设计上延用了低版本芯片ＣＣ２４２０的结构框架，即ＣＣ２４２０芯片的升级版。

它本身是一种高度集成的芯片，内部固化了很多用来通信的高频电路，可以被看做高性能的单片机，但是又区别于常规的单片机。

其构成特色除具备一般单片机的性能外又加入了自己本身应用的特别电路，是一个特殊的强化体。

而控制器采用高效的８０５１微控制器。

ＣＣ２４３０芯片的设计目的就是用来组成无线通信系统，而无线收发器选用具有高性能的２．４ＧＨｚ直接序列扩频收发器。

在内存方面，采用含有３２／６４／１２８ｋＢ的可编程闪存和８ｋＢ的ＲＡＭ。

除此之外，它还包含模拟数字转换器、各种定时器、上电复位电路、掉电监测电路和２１个可编程的Ｉ／Ｏ引脚。

其中定时器包括看门狗定时器和晶振的休眠模式定时器。

ＣＣ２４３０芯片的能耗非常低，工作时电流损耗为２７ｍＡ，在接收模式下电流损耗为２７ｍＡ，在发射模式下电流损耗为２５ｍＡ。

芯片的灵敏度和抗干扰能力都很强，在睡眠模式下转换到工作模式时花费的时间特别短。

因此特别适合那些对电池要求工作很长时间甚至达到几年的系统设计。

图１　ＺｉｇＢｅｅ堆栈框架２．２　ＣＣ２４３０芯片的引脚ＣＣ２４３０芯片总共有４８个外接引脚，根据引脚功能的不同，可以把所有的引脚分成３大类，即电源线引脚、控制线引脚和Ｉ／Ｏ端口引脚。

而在实际电路的设计中，经常用到的是对Ｉ／Ｏ端口引脚的软硬件设计，因此必须对引脚的特性有相当的了解。

Ｉ／Ｏ口引脚共有２１个引脚，都可以对其进行编程。

Ｉ／Ｏ引脚有３种口：Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２口，前两种口都是完全的８位口，后者只有５个口可以用。

使用软件对其一组特殊功能寄存器的位和字节进行编辑，就可以设定为普通的输入输出Ｉ／Ｏ口使用；也可以设定为连接模数转换器和定时器的端口使用；还可以作为连接全双工通用同步／异步串行接收／发送器ＵＳＡＲＴ的端口使用。

３　ＺｉｇＢｅｅ无线通信节点的硬件设计无线通信节点的硬件采用模块化设计。

由于设计的最终目的是要达到无线通信，因此该系统必须含有微控制器模块、无线收发模块以及天线部分［３－８］。

由于ＣＣ２４３０射频器件内部集成有无线收发器和８０５１内核，因此可把ＣＣ２４３０射频模块（即ＣＣ２４３０芯片和相关外围电路的合成体）看作微控制器模块和无线收发模块的合并体。

ＺｉｇＢｅｅ无线网络节点硬件系统总体框图如图２所示。

图２　ＺｉｇＢｅｅ无线网络节点硬件系统总体框图３．１　ＣＣ２４３０器件模块ＣＣ２４３０器件通信模块的硬件设计原理及外接电路图如图３、图４所示。

电路选用ＣＣ２４３０芯片作为无线网络节点的核心控制器，采用两个晶体振荡器，其中３２．７６８ｋＨｚ的作为选用。

３２ＭＨｚ的晶体振荡器由一个３２ＭＨｚ的石英谐振器（Ｙ１）和两个电容（Ｃ１和Ｃ２）组成；３２．７６８ｋＨｚ的晶体振荡器由石英谐振器（Ｙ２）和两个电容（Ｃ３和Ｃ４）组成。

复位电路由Ｒ１、开关和Ｃ５组成，设计了两个发光二极管指示灯，用来调试电路指示。

为了使节点在应用中得到最佳的效果，使工作的稳定性得到体现，还应该考虑到电源滤波，电容Ｃ９和电容Ｃ１０的加入就是起这种作用。

图３　ＣＣ２４３０通信模块电路原理图·９９１·　２０１２年第４期 郝永亮，等：基于ＣＣ２４３０的ＺｉｇＢｅｅ无线通信模块设计３．２　天线部分采用一个非平衡天线，天线是单端口的，而ＣＣ２４３０的无线传输端口采用的是由两个端口的差分射频端口方式，因此需要完成双端口到单端口的转换，在此选用巴伦电路转换即非平衡变压器。

非平衡变压器由电容Ｃ１１，电感Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３和一个ＰＣＢ微波传输线组成，整个结构的设计满足ＲＦ输入／输出匹配电阻的要求。

图４　ＣＣ２４３０通信模块外接电路图总之，采用不同的天线设计方案达到的通信效果也是不同的。

除单极天线外，还可以使用平衡天线（偶极天线），ＴＩ同样支持这种方案的设计。

采用这种平衡天线，可以省略掉非平衡变压器即巴伦电路的外接电路，但是天线的长度要比单极天线长近一倍。

这就给微型化的模块使用带来不便，容易在监测内部空间损坏天线部分，进而导致无法通信。

４　结束语本文以ＣＣ２４３０为核心设计了无线通信模块的硬件。

软件方面，使用ＴＩ公司２００６年发布的ＺｉｇＢｅｅ２００６协议栈，并以该版本中设计好的例程作为基础实验。

经实验验证，本文设计的硬件模块基本上达到了预定的设计目标。

参考文献：［１］　翁哲．基于ＣＣ２４３０的ＺｉｇＢｅｅ无线通信模块设计［Ｊ］．信息科学，２００９（２６）：８３．［２］　梁光胜，刘丹娟，郝福珍．基于ＣＣ２４３０的ＺｉｇＢｅｅ无线网络节点设计［Ｊ］．电子设计工程，２０１０（２）：１５－１８．［３］　张亚琼，杜永贵．基于ＣＣ２４３０智能传感器网络研究及应用［Ｊ］．仪表技术，２００８（４）：３－７．［４］　李文仲，段朝玉．ＺｉｇＢｅｅ２００７／ＰＲＯ协议栈试验与实践［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００９．［５］　孙德辉，龚关飞，杨扬．基于ＣＣ２４３０无线传感器网络系统设计［Ｊ］．现代电子技术，２０１０（１３）：６６－６８．［６］　陈德民，张元，贾德林，等．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的粮库无线压力传感器网络［Ｊ］．粮食加工，２００９，３４（５）：７５－７８．［７］　王玮，樊则宾．基于ＣＣ２４３０无线温度检测终端的设计［Ｊ］．电子工程师，２００７，３３（８）：７８－８０．［８］　李文仲，段朝玉．ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术入门与实践［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｕｌｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＣ２４３０ＨＡＯ　Ｙｏｎｇ－ｌｉａｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｔｉｅ－ｍｅｉ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｈｉｐｃｏｎ　ＣＣ２４３０ｃｈｉｐ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ａｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＺｉｇＢｅｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｃｈｉｐ，ｉｔ　ｓｕｐｐｏｒｔｓ　２．４ＧＨｚ　８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔｓ．Ｃｏｕｐｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｔｓ　ｕｌｔｒａ－ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ，ｉｔ　ｃａｎ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｖｅｒｙ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｏｄｅｓ，ｗｉｔｈ　ｓｔｒｏｎｇ　ｍａｒｋｅｔｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅｎｅｓｓ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＣＣ２４３０ｃｈｉｐ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｐｉｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅｃｈｉｐ，ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌｅ　ｎｏｄｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ；ＣＣ２４３０；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ；ｄｅｓｉｇ櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆ｎ（上接第１９７页）Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｂｕｆｆｅｒ　Ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｌｉｆｔｉｎｇ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｏｎ　Ｗｈｅｅｌｅｄ　ＬｏａｄｅｒＭＡ　Ｈｏｎｇ－ｘｉｎ（Ｓｈａｎｘｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｌｉｆｔｉｎｇ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｏｎ　ｗｈｅｅｌｅｄ　ｌｏａｄｅｒ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅｎ　ｉｔｓ　ｂｕｆｆｅｒ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｒｉｄｅ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｏａｄｅｒ；ｌｉｆｔｉｎｇ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｂｕｆｆｅｒ　ｆｅａｔｕｒｅｓ·００２·机械工程与自动化 ２０１２年第４期　。