引言
通信是多机器人之间进行信息交互并实现协作的基础。ZigBee 作为一种新兴的短距离无线网络技术，采用IEEE802.15.4标准，利用全球共用的公共频率2.4GHz，具有低复杂度、低成本、低功耗、网络结点多、传输距离远等优点，非常适合多机器人系统的应用。为了实现多机器人之间的无线通信，本文基于ZigBee 技术, 使用射频芯片CC2520 实现了一种实测通信距离达到500米以上的模块设计。
1 ZigBee 技术简介
为满足小型低成本设备的无线联网要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术———ZigBee技术。 ZigBee一词来源于蜜蜂在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来传递花粉所在的方位信息，即依靠这种方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。
如图1 所示，ZigBee技术的物理层、MAC 层和链路层采用了IEEE802.15.4(无线个人区域网)协议标准，ZigBee联盟负责网络层，用户根据自己的需要对应用层进行开发利用，形成灵活、机动的组网方式。根据IEEE802.15.4 标准协议，ZigBee 的工作频段分为3个频段，分别是2.4GHz 和868/915MHz。Zig－Bee 在2.4GHz 频段有16个信道，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK调制；868MHz和916MHz分别是美国和欧洲的ISM频段，避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。在868MHz 频段有一个信道，传输速率为20kb/s，在916MHz 频段有10个信道, 传输速率为40kb/s，这两个频段都采用BPSK调制。
图1 ZigBee 协议栈构架
2 ZigBee 节点的硬件构成
2.1 ZigBee 节点的硬件框图
图2 ZigBee 节点硬件框图
整个硬件平台的设计分为两个部分：一部分是以处理器为核心的母板，主要功能是数据采集、处理、存储及控制流程等；另一部分是以射频收发芯片为中心的RF收发器，主要功能是以射频方式发送和接收数据。两个部分中，母板与RF 收发器采用SPI通讯方式，母板充当SPI 主器件而RF收发器充当从器件。具体实现如下：母板采用STR712F系列ARM 微控制器，它基于高性能的ARM7TDMI内核，拥有丰富的外设和2个带缓冲的同步串口(BSPI)。射频收发芯片选用德州仪器(TI)最新推出的针对2.4GHz免授权ISM 频带的第二代ZigBee/IEEE802.15.4射频收发芯片CC2520，该器件可实现业界最佳的连接性/共存性与优异的链路运算，为各种应用提供了广泛的硬件支持，其中包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲通道评估、链接质量指示以及数据包计时信息等，从而降低了主机控制器上的负载。射频前端也选用德州仪器(TI)推出的面向低功耗与低电压无线应用业界集成度最高的CC2591，该产品集成了可将输出功率提高+22dBm的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高+6dB 的低噪声放大器，平衡转换器(balun)、交换机、电感器和RF 匹配网络等,显著简化了高性能设计工作,能用极少的外部组件开发出高输出功率的无线解决方案。以CC2520为中心附加CC2591射频前端和晶振天线等外围电路便构成了RF 收发器。
2.2 ZigBee 节点硬件电路的实现
由于使用了CC2591 作为射频前端，CC2520只需要极少的外围元器件, 其外围电路包括射频输入/输出匹配电路、射频前端连接电路、晶振时钟电路和微控制器接口电路。电路连接如图3 所示，其中输入/输出匹配电路即CC2591与天线之间的阻抗网络，该网络使得CC2520与50Ω的阻抗相匹配，同时电容C112隔断直流；CC2520与CC2591之间的射频匹配只需要一个电容C24即可；CC2520需要有32MHz的参考时钟用于250kbps数据的收发，如果使用外部时钟，直接从XOSC32M_Q1引脚引入，XOSC32M_Q2引脚保持悬空，如果使用内部晶体振荡器，晶体接在XOSC32M_Q1和XOSC32M_Q2引脚之间，负载电容C121 和C131的大小取决于总的输入容抗。
CC2520 使用FIFO和FIFOP 引脚标识接收FIFO缓冲区的状态。如果接收FIFO 缓冲区有数据，FIFO引脚输出高电平；如果接收FIFO 缓冲区下溢，FIFO引脚输出低电平。FIFOP 引脚在接收FIFO缓冲区的数据超过某个临界值或者在CC2520 接收到一个完整的帧以后输出高电平，当接收FIFO缓冲区下溢时也输出高电平。微控制器通过SPI 接口访问CC2520内部寄存器和存储区，CC2520是从设备，接收来自微控制器的时钟信号和片选信号，并在其控制下执行输入输出操作。P1.1 和P1.4配置为输出引脚，分别连接CC2520 的片选脚CSn和复位脚REST。
图3 ZigBee 节点硬件电路实现
3 匹配电路的设计及仿真
匹配电路的设计如图4 所示,射频信号经L112 滤除低频部分，经L111和C113 组成的滤波网络，再由C111滤除超高频部分，最后经过C112 到达射频收发模块CC2591。为了减小反射损耗，获得最大功率传输从而提高通信距离，射频收发模块和天线之间必须达到很好的阻抗匹配。使用Agilent 公司的仿真软件ADS2005A对电路参数进行调整，频率扫描起点为2.0GHz，终点为3.0GHz，扫描间隔为10MHz。仿真结果见于图5。输入反射系数S11 代表输入端口反射波与入射波之比，输出反射系数S22 代表输出端口反射波与入射波之比。S11和S22越大则输入或输出损耗越严重，因此一般要求工作频域内S11 和S22 小于-10dB，并且越小越好。在Smith圆图中可以读出2.4GHz 处S11 和S22 的值满足要求。阻抗值以特性阻抗Z0的形式给出。2.4GHz 处输入阻抗和输出阻抗均接近Z0，达到了匹配的要求。
图4 匹配电路的设计
图5 仿真结果的Smith圆图
4 结论
ZigBee 是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议。本文使用STR712F 系列ARM 微控制器和CC2520为RF收发器，从ZigBee 节点的硬件设计介绍了ZigBee无线通信网络的组成，实现了一种实测通信距离达到500米的设计方案，并使用ADS仿真软件使得射频模块和天线之间达到了最佳阻抗匹配。
本文作者的创新点：使用德州仪器最新推出的CC2520 为RF 收发器及CC2591作为射频前端，将最新的ZigBee技术实现了无线通信，大大简化了复杂的外围组件并提高了电路稳定性。
参考文献
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