О. Пушкарев
Новости Электроники 14, 2008
Набор продуктов Texas Instruments, включающий маломощные радиочастотные компоненты и микроконтроллеры MSP430, является идеальным для создания беспроводных сетей. В 2008 году TI выпустил новую микросхему – ZigBee-процессор CC2480, который позволяет построить сетевое ZigBee-устройство без необходимости изучения объемных спецификаций 802.15.4 и ZigBee. CC2480 содержит полный ZigBee-стек и выполняет всю «черновую» работу, связанную с построением сети, передачей данных и ретрансляцией пакетов. Приложение пользователя в случае применения CC2480 исполняется на любом внешнем микроконтроллере.
СС2480. Основные параметры
ZigBee-процессор CC2480 может применяться для построения сетей беспроводных датчиков, систем автоматизации зданий, промышленной телеметрии, узлов «умного дома» и систем автоматизации зданий. Технические характеристики CC2480 приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики CC2480
| Параметр | Минимальное значение |
Типичное значение |
Максимальное значение |
Единица измерения |
Условия |
|---|---|---|---|---|---|
| Условия эксплуатации | |||||
| Диапазон частот | 2400 | 2483 | МГц | ||
| Скорость передачи данных | 250 | Кбит/сек | |||
| Рабочее напряжение | 2,0 | 3,6 | В | ||
| Диапазон рабочих температур | -40 | +85 | С | ||
| Режим передачи | |||||
| Номинальная выходная мощность в режиме передачи | 0 | дБм | На нагрузке 50 Ом | ||
| с учетом линии согласования | |||||
| Побочные излучения | -47 | дБм | В полосе 30-1000 МГц | ||
| Режим приема | |||||
| Чувствительность приемника | -92 | дБм | PER = 1% | ||
| Подавление соседнего канала с частотой +5 MГц | 41 | дБ | Полезный сигнал -88 дБм, PER = 1% | ||
| Подавление соседнего канала с частотой +10 MГц | 55 | дБ | |||
| Подавление соседнего канала с частотой > ±15 MГц | 55 | дБ | |||
| Ток потребления | |||||
| Процессор работает, 16 МГц, низкая активность | 4,3 | мА | Включен RC-генератор (16 МГц). Радиочасть отключена. Нет обращений CPU во Flash (только кэш). | ||
| Процессор работает, 32 МГц, высокая активность | 12,3 | мА | Включен XT-генератор (32 МГц). Радиочасть отключена. Максимальная загрузка CPU. | ||
| Процессор работает, 32 МГц, режим приема | 26,7 | мА | Входной сигнал -50 дБм | ||
| Процессор работает, 32 МГц, режим передачи | 26,9 | мА | Выходная мощность 0 дБм | ||
| Режим энергосбережения | 190 | мкА | Включены: стабилизатор, XOSC 32,768 кГц, таймер, прерывания. | ||
| Режим энергосбережения 2 | 0,5 | мкА | Включены: XOSC 32 кГц, таймер, прерывания. Стабилизатор отключен. | ||
| Режим энергосбережения 3 | 0,3 | мкА | Нет тактовых импульсов. POR разрешен. | ||
| Время перехода в активный режим | |||||
| В режим 0 из режима 1 | 4,1 | мкс | Стабилизатор включен. Запуск высокоскоростного RC-генератора (16 МГц) | ||
| В режим 0 из режима 2 или 3 | 120 | мкс | Стабилизатор выключен. Запуск стабилизатора и высокоскоростного RC-генератора (16 МГц) | ||
| В режим приема или передачи из активного режима | 525 | мкс | Включения радиочасти из режима 0 (до начала передачи). Включение регулятора напряжения и запуск кварцевого генератора 32 МГц. | ||
| Периферийные устройства | |||||
| АЦП, время преобразования | 132 | мкс | 12 бит | ||
| Температурный датчик, точность | ±2 | °C | В диапазоне -20...80°C | ||
| Температурный датчик, температурный коэффициент | 2,45 | мВ/°C | |||
| Генератор случайных чисел, разрядность | 16 | бит | Полином X 16 + X 15 + X 2 +1 (т.е. CRC16). | ||
| Прочее | |||||
| Точность кварцевого резонатора | ±40 | ppm | C учетом температурного диапазона и эффекта старения | ||
| Интерфейс SPI, максимальная тактовая частота | 4 | МГц | |||
CC2480 является сетевым ZigBee-сопроцессором. Его задача - передача данных и поддержание работоспособности сети во взаимодействии с внешним микроконтроллером, на котором выполняется основное приложение пользователя. СС2480 по идеологии подобен различным ZigBee-модулям, имеющим собственную прошивку и управляющимся извне через небольшой набор команд. СС2480 будет идеальным выбором для тех разработчиков, кто предпочитает работать с привычным для него микроконтроллером и хочет добавить ZigBee-функционал в свою разработку без изучения сложного набора протоколов ZigBee-стека. СС2480 работает со ПО Z-StackTM (разработанная компанией TI программная реализация стека ZigBee-2006), в то время как приложение пользователя исполняется на любом внешнем микроконтроллере. Процессор CC2480 занимается исключительно сетевым взаимодействием в ZigBee-сети, беря на себя все критические по времени задачи и оставляя свободными для работы с приложением ресурсы внешнего микроконтроллера. СС2480 может выступать координатором, роутером или конечным узлом ZigBee-сети с топологией Mesh. Каждая микросхема CC2480 поставляется с предварительно запрограммированным уникальным 64-битным IEEE-адресом. Внешний управляющий микроконтроллер передает команды управления по интерфейсу SPI или UART. TI рекомендует использовать микроконтроллер с низким энергопотреблением MPS430 в качестве хост-процессора для CC2480 (рис. 1).
Схема включения СС2480
Рис. 1. Схема включения СС2480
Взаимодействие с хост-процессором
В общей структуре ПО узла ZigBee-сети (рис. 2) CC2480 является устройством нижнего уровня, которое получает команды и данные от ПО верхнего уровня - приложения пользователя, выполняющегося на управляющем хост-процессоре.
Структура ПО для ZigBee-узла на базе CC2480
Рис. 2. Структура ПО для ZigBee-узла на базе CC2480
Для взаимодействия с СС2480 предусмотрено два набора команд API - SimpleAPI и Z-Stack API. Упрощенный интерфейс взаимодействия SimpleAPI позволяет организовать сеть с Mesh-топологией с помощью всего лишь десяти команд. SimpleAPI позволяет произвести настройку узла в качестве координатора, роутера или конечного устройства, запустить сеть (в случае координатора), выполнить связывание узлов и организовать передачу данных внутри сети. Большие возможности предоставляет интерфейс Z-Stack API, позволяющий реализовать 100%-совместимое ZigBee-приложение любой сложности. Z-Stack API включает в себя интерфейс AF (Application Framework) для регистрации пользовательского приложения и отправки-приема данных, а также интерфейс ZDO (ZigBee Device Objects) для обнаружения узлов и управления сетью. Назначение всех функций программного интерфейса, подробное описание всех API и структуры передаваемых пакетов приведены в [1]
Для взаимодействия с «внешним миром» в СС2480 предусмотрены два физических интерфейса - SPI и UART, однако функционал спящего узла может быть реализован только при использовании SPI. Приложению пользователя доступны некоторые аппаратные ресурсы CC2480 - 12-битный АЦП, энергонезависимая память, четыре программных таймера и аппаратный генератор случайных чисел. Кроме линий последовательного интерфейса, СС2480 имеет дополнительные для управления и доступа к аппаратным ресурсам CC2480 (рис. 3):
- Управление питанием: 2 линии (SRDY и MRDY) используются для получения информации о текущем состоянии CC2480 и для вывода его из состояния сна. Работают только при использовании интерфейса SPI.
- Сброс: вывод RESET_N используется для сброса CC2480. Также предусмотрен программный сброс.
- Конфигурирование: 2 линии (CFG0 и CFG1) используются для выбора интерфейса - UART или SPI. Некоторые дополнительные параметры CC2480 также конфигурируются через эти линии.
- Вход АЦП: CC2480 содержит 12-битный АЦП с двумя входами (A0 и A1). Программный интерфейс для внешнего процессора позволяет запустить преобразование и извлечь результат. Данные со встроенного температурного датчика и монитора батареи могут быть также получены через интерфейс АЦП.
- Порты ввода-вывода (GPIO): CC2480 предоставляет для внешнего приложения четыре настраиваемых порта ввода-вывода.
- Энергонезависимая память: программный интерфейс позволяет сохранять и считывать из CC2480 четыре двухбайтных параметра и два шестнадцатибайтных параметра.
- Программные таймеры: на CC2480 могут быть запущены внешним микроконтроллером до четырех программных таймеров.
Линии управления CC2480
Рис. 3. Линии управления CC2480
Демонстрационный набор eZ430-RF2480
Для тех инженеров, кто в качестве управляющего микроконтроллера выбрал MSP430, удобным и недорогим подспорьем в разработке будет отладочный набор eZ430-RF2480. Недорогой демонстрационный набор eZ430-RF2480 Demo Kit включает три целевых радиочастотных платы, два батарейных отсека и плату USB-программатора (рис. 4).
Демонстрационный набор eZ430-RF2480 Demo Kit
Рис. 4. Демонстрационный набор eZ430-RF2480 Demo Kit
Несмотря на миниатюрные габариты и скромную цену, данный набор позволяет построить полноценную ZigBee-сеть из трех узлов. Для построения сети с большим количеством узлов можно использовать несколько таких наборов (рис. 5).
Окно демонстрационной программы
Рис. 5. Окно демонстрационной программы
Демонстрационное приложение позволяет отображать на экране ПК температуру и напряжение батарей для объединенных в ZigBee-сеть нескольких целевых плат. В открытом доступе имеется исходный код приложения, который загружен в целевые платы, полная схема и топология печатных плат [2]. Оптимизированные под минимальный размер печатные платы и не самая эффективная чип-антенна не позволяют продемонстрировать все возможности CC2480 с точки зрения дальности связи. Тем не менее на практике, в условиях современного офиса, удалось установить связь на расстоянии около 35 метров между соседними узлами.
В качестве управляющего процессора на целевых платах используется микроконтроллер MSP430F2274. В статье [3] оценивается продолжительность работы системы на базе CC2480 при питании от батарей. На базе eZ430-RF2480 Demo Kit авторы оценили средний потребляемый ток в зависимости от режима работы узла. Реальные измерения показывают, что время автономной работы узла на базе CC2480 может достигать 5 лет при использовании батарей емкостью 1200 мА/ч (AAA) и отправки сообщений каждые 15 секунд (без использования подтверждений уровня приложения).
Сетевые решения - что нового?
В 2008 году произошло принятие новой спецификации ZigBee-2007 (ZigBee Pro), которая ориентирована на применение ZigBee в индустриальных приложениях и позволяет строить действительно надежные ZigBee-сети. Параллельно с появлением нового стандарта, поддержанного всеми ключевыми производителями, на рынке появились альтернативные упрощенные сетевые протоколы, основанные на стандарте 802.15.4 - SimpliciTI (Texas Instruments), JenNet (Jennic), MiWi (Microchip). Причем эти новые сетевые протоколы разработаны производителями, которые уже имеют в своем портфолио полноценные ZigBee-стеки. Здесь нет никакого противоречия, т.к. эти фирменные (proprietary) протоколы нацелены на нишу тех приложений, где полноценная реализация ZigBee-стандарта оказывается неоптимальной по ряду причин - повышенные требования к объему Flash-памяти, ограниченный выбор утвержденных профилей, затраты на сертификацию, большой объем документации для изучения. Все ключевые производители ZigBee-микросхем, похоже, сошлись во мнении, что для продвижения стандарта и взрывного роста количества реальных предложений необходимо облегчить инженерам процесс разработки. Texas Instruments, со своей стороны, предлагает кардинально сократить время разработки и уменьшить время вывода продукта на рынок с помощью своей новой микросхемы СС2480, которая позволяет построить полноценную ZigBee-сеть. «Процессор CC2480 для сетей ZigBee существенно упрощает разработку новых беспроводных устройств с низким энергопотреблением и позволяет добавить функцию беспроводной связи в существующие изделия благодаря разделению прикладного кода и сетевого компонента системы», - отметил Арт Джордж (Art George), старший вице-президент подразделения высокопроизводительных аналоговых устройств TI, - «Компания TI продолжает выпускать инновационные продукты и программное обеспечение, благодаря чему наши заказчики могут создавать передовые беспроводные системы с малым энергопотреблением при меньшем времени разработки и более низких затратах на производство».
