帶定位引擎的射頻芯片--CC2431

CC2431是Chipcon公司繼CC2430之后推出的，帶硬件定位引擎的符合ZigBee/IEEE 802.15.4技術的2.4 GHz射頻系統(tǒng)，適合于各種ZigBee相關的無線網絡節(jié)點，包括調諧器、路由器和終端設備等。本文介紹了CC2431芯片的主要特點和應用領域，重點介紹了CC2431的定位引擎及其使用方法。

關鍵詞 CC2431 定位引擎 ZigBee

　　CC2431是TI公司推出的帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，能夠滿足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4無線傳感器網絡的應用需要。CC2431定位引擎基于RSSI技術，根據接收信號強度與已知參考節(jié)點位置準確計算出有關節(jié)點位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端。相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能減小了網絡流量與通信延遲，在典型應用中可實現3～5 m定位精度和0.25 m的分辨率。

1? CC2431的主要特點

　　CC2431片上系統(tǒng)（SoC）由CC2430加上Motorola公司基于IEEE 802.15.4標準的無線定位引擎組成，具有2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和高效的8051控制器。其中，MCU包括存儲器及其外圍，其他模塊提供電源管理、時鐘分配和測試等重要功能。

　　CC2431的設計結合了8 KB的RAM及強大的外圍模塊，并且有3種不同的版本。它們根據不同的閃存空間32 KB、64 KB和128 KB來優(yōu)化復雜度與成本。CC2431的尺寸只有7 mm×7 mm的48腳封裝，采用具有內嵌閃存的0.18 μm CMOS標準技術。針對協議棧、網絡和應用軟件執(zhí)行時對MCU處理能力的要求，CC2431包含一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內核，運行時鐘為32 MHz。CC2431還包含一個DMA控制器，可以減少8051微控制器內核對數據的傳送操作，因此提高了芯片整體的性能。

　　在CC2431 8 KB靜態(tài)RAM中的4 KB是超低功耗SRAM。32 KB、64 KB或128 KB的片內Flash塊提供在線可編程非易失性存儲器。CC2431集成了4個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作，以及用于用戶自定義應用的外設；具有4個定時器，此外，還集成了實時時鐘、上電復位、8通道8～14位ADC等其他外設，并帶有語音和定位跟蹤引擎。CC2431的主要特點如下：

　　◇ 定位引擎能精確計算網絡中節(jié)點位置；
　　◇ 具有高性能、低功耗的8051控制器核；
　　◇ 集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz RF無線收發(fā)機（具有工業(yè)領先的CC2420射頻內核）；
　　◇ 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力；
　　◇ 128 KB可編程閃存，8 KB RAM，4 KB帶全部功耗模式數據保持功能；
　　◇ 強大的DMA功能；
　　◇ 極少的外部元器件；
　　◇ 低電流損耗（微控制器運行于32 MHz時，接收和發(fā)射分別為27 mA和25 mA）；
　　◇ 休眠模式時僅0.9 μA電流損耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；
　　◇ 待機模式下小于0.6 μA電流損耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；
　　◇ 低功耗模式與主動模式之間的快速切換；
　　◇ 硬件支持CSMA/CA功能；
　　◇ 較寬的電壓范圍（2.0~3.6 V）；
　　◇ 數字化的RSSI/LQI支持；
　　◇ 具有電池監(jiān)測和溫度傳感器；
　　◇ 多達8路輸入的8～14位模/數轉換；
　　◇ 集成AES128安全協處理器；
　　◇ 帶有2個功能強大的支持多組協議的USART；
　　◇ 集成看門狗定時器；
　　◇ 具有1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；
　　◇ 21個普通I/O引腳，其中2個具有20 mA的驅動能力；
　　◇ 支持硬件調試，具有強大靈活的開發(fā)工具。

2? CC2431的定位引擎操作

　　CC2431和CC2430是引腳兼容的，除定位引擎之外，CC2430的MCU和RF部分與CC2431完全相同。為避免重復，本文重點介紹CC2431的定位引擎。

　　定位引擎用于估算無線網絡中節(jié)點的位置。通常參考節(jié)點坐標已知，其他需要估計坐標的節(jié)點為“盲節(jié)點”。進行定位估計時，定位引擎需要獲得3～8個參考節(jié)點的坐標值以及其他測量參數，定位引擎計算后的輸出是一個節(jié)點的估計坐標。在定位引擎運行之前，必須使能定位引擎寄存器LOCENG的第4位LOCENG.EN。當要停止定位引擎運行時，應往LOCENG.EN寫入0關斷引擎的時鐘信號，從而降低CC2431的功耗。對定位引擎的操作主要就是對與定位引擎有關的寄存器的操作。下面詳細說明各部分的操作。

2.1? 參考坐標

　　定位引擎運行時需要3～8個參考坐標輸入。參考坐標以m為單位表示各個參考節(jié)點的位置，其數值位于0～63.75，最高精度為0.25 m，以最低2位為小數部分，剩余6位為整數部分。參考坐標存放于RF寄存器REFCOORD中。在寫入REFCOORD之前，寄存器LOCENG的第1位LOCENG.REFLD必須寫入1，用于指示一組參考坐標將要被寫入。一旦坐標寫入過程開始（LOCENG.REFLD=1），8對坐標必須一次性寫入。當定位引擎使用少于8個參考坐標時，要將未用的參考坐標寫入0.0。

2.2? 測量參數

　　定位引擎除了需要參考坐標外，還需要一組測量參數。這組參數由2個射頻參數和8個RSSI值組成。射頻參數是數值A和n，用于描述網絡操作環(huán)境。在全向模式下，射頻參數A被定義為用dBm表示的距發(fā)射器1 m接收到的平均能量絕對值。若平均接收能量為-40 dBm，那么參數A被定為40。定位引擎期望參數A為30.0～50.0，精度為0.5。參數A用無符號定點數值給出，最低位為小數位，而其余各位為整數位，一個典型值為40.0。

　　射頻參數n被定義為路徑損失指數，它指出了信號能量隨著到收發(fā)器距離的增加而衰減的速率。衰減與d-n成比例，這里,d是發(fā)射器和接收器之間的距離。實際寫入定位引擎的參數n是一個可通過查表得到的整數索引值，如表1所列。

表1? 參數n查詢表

　　例如，通過測量得到n=2.98，查表得到最接近的有效值為3.000，相應的索引值是13。因此，整數13作為參數n寫入到定位引擎中。參數n以[0，31]之間的整數索引寫入定位引擎，索引用整數表示。如n=7，即寫入000000111。n的典型值是13。RSSI值是相應于一組參考坐標的RSSI測量值。

　　RSSI值為[-40 dBm，-95 dBm]，精度為0.5 dBm，寫入值中應去掉負號。如RSSI的值為-50.35 dB，則寫入到定位引擎中為50.5。注意，未用的參考坐標必須用0.0作為RSSI值寫入。如果僅有部分參數寫入，則定位引擎不能正確工作。

　　所有的測量參數應寫入RF寄存器MEASPARM中，在寫入MEASPARM之前寄存器LOCENG的第2位LOCENG.PARLD必須寫入1，表示一組測量參數將被寫入。一旦參數寫入開始（LOCENG.PARLD=1），所有10個參數必須一次性全部寫入。測量參數必須按[A,n,rssi0,rssi1,…，rssi7]順序寫入MEASPARM寄存器，任何未使用的位必須寫0。10個參數全部寫完之后，LOCENG.PARLD必須寫入0。

2.3? 定位估計

　　參數坐標和測量參數寫入之后，通過將寄存器LOCENG第0位LOCENG.RUN寫入1，啟動定位估計計算。通常，LOCENG.RUN被置1后的1 200個系統(tǒng)周期之后，LOCENG的第3位LOCENG.DONE被置1。此時，估計坐標可從LOCX和LOCY寄存器讀出。定位引擎不產生任何中斷請求。在新的結果被計算出來或下一次重新啟動之前，估計坐標值在LOCX和LOCY中保持有效。CC2431定位引擎操作流程如圖1所示。

圖1? 定位引擎操作流程

2.4? 軟件編程

　　下面介紹定位引擎操作的源代碼。

void CalcultePostition(LOC_REF_NODE refNodes[LOC_ENGINE_NODE_CAPA],uint a_val,uint n_index,uint *locX,uint *locY) {
　　uint i;
　　//啟動定位引擎
　　LOC_DISABLE();
　　LOC_ENABLE();
　　//使能LOC_REFERENCE_LOAD，準備寫入參考坐標
　　LOC_REFERENCE_LOAD(TRUE);
　　//寫入參考坐標
　　for(i=0;i　　　　REFCOORD=refNodes[i].x;
　　　　RERCOORD=refNodes[i].y;
　　}
　　//參考坐標寫入完成
　　LOC_REFERENCE_LOAD(FALSE);//使能LOC_PARAMETER_LOAD，準備寫入測量參數
　　LOC_PARAMETER_LOAD(TRUE);
　　MEASPARM=a_val;
　　MEASPARM=n_index;
　　for(i=0;i　　　　MEASPARM=refNodes[i].rssi;
　　}
　　//測量參數寫入完成
　　LOC_PARAMETER_LOAD(FALSE);
　　//啟動定位估計計算
　　LOC_RUN();
　　//等待完成后讀出坐標值
　　while(！LOC_DONE());
　　*locX=LOCX;
　　*locY=LOCY;
　　//關閉定位引擎
　　LOC_DISABLE();
}

結語

　　本文主要介紹了帶定位引擎的射頻芯片CC2431，重點介紹了其定位引擎的使用方法。CC2431是一款真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它針對無線傳感器網絡ZigBee/IEEE 802.15.4，具有定位檢測引擎，可以實現3 m左右或更高的定位精度，有效降低了ZigBee節(jié)點成本；并且結合了市場領先的ZStack ZigBee協議軟件，提供了市場上最具競爭力的ZigBee解決方案。在未來幾年內，其應用必將擴展到更多領域。