СС2520 - новый ZigBee-трансивер TI для экстремальных условий эксплуатации

О. Пушкарев
Новости Электроники 15, 2008

Новый приемопередатчик CC2520 стандарта 802.15.4, представленный компанией Texas Instruments, с полным основанием может быть отнесен к компонентам класса hi-rel. Он предназначен для сложных условий эксплуатации и работает в расширенном температурном диапазоне.

2008 год был богат на события в области ZigBee-технологии. Ключевым стало принятие новой спецификации ZigBee-2007 (ZigBee Pro). Она ориентирована на применение ZigBee в индустриальных приложениях и позволяет строить действительно надежные ZigBee-сети. Надежность любой системы определяется не только устойчиво работающим ПО, но и техническими параметрами примененных микросхем. В 2008 году компания TI выпустила микросхему CC2520, которая представляет собой ZigBeeTM/IEEE 802.15.4 трансивер второго поколения, специально спроектированный для радиочастотных приложений с частотой 2,4 ГГц. Трансивер позволяет создавать устройства индустриального класса благодаря способности работать в сложной помеховой обстановке, отличному энергетическому потенциалу радиолинии и работоспособности при температуре до 125°С.

Обзор аппаратной части СС2520

Трансивер СС2520 (рис. 1) можно рассматривать как замену для выпущенного несколько лет назад CC2420.

Рис. 1. Трансивер СС2520

В новом трансивере значительно усовершенствован ряд технических параметров, что позволяет характеризовать его как лучшее решение в своем классе. На сайте TI можно даже посмотреть небольшой видеофильм, посвященный уникальным возможностям новой микросхемы. CC2520 предоставляет расширенную аппаратную поддержку для обработки пакетов, буферизации данных, шифрования и аутентификации данных, оценки уровня зашумленности канала, индикации уровня радиосигнала и временной информации о пакетах. Технические параметры трансивера СС2520 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики CC2520

Параметр	Минимальное значение	Типичное значение	Максимальное значение
Диапазон частот, МГц	2394	2483,5	2507
Скорость передачи данных, кбит/сек	-	250	-
Рабочее напряжение, В	1,8	-	3,8
Диапазон рабочих температур, °С	-40	-	+125
Выходная мощность, дБм	-18	-	+5
Чувствительность приемника, дБм	-	-98	-
Подавление соседнего канала с частотой +5 MГц, дБ	-	49	-
Подавление соседнего канала с частотой -5 MГц, дБ	-	49	-
Подавление соседнего канала с частотой +10 MГц, дБ	-	54	-
Подавление соседнего канала с частотой -10 MГц, дБ	-	54	-
Ток потребления, режим приема, мА	-	18,5	-
Ток потребления, режим передачи +5 дБм, мА	-	33	-
Ток потребления, режим передачи 0 дБм, мА	-	25,8	-

Стабильность работы микросхемы в расширенном температурном диапазоне достигается с помощью встроенного температурного датчика, значения которого могут быть считаны и использованы для подстройки параметров.

Надежность работы в условиях сложной помеховой обстановки гарантируется высокими показателями подавления помехи по соседнему и альтернативному (следующий за соседним) каналам. Что же означает более высокое значение параметра «Adjancent channel rejection (подавление соседнего канала)» (ACR) с практической точки зрения? Рассмотрим два трансивера - CC2520 (ACR = 49 дБ) и EM250 (Ember), у которого подавление соседнего канала составляет лишь 35 дБ. При одном и том же полезном входном сигнале с уровнем -82 дБм повышение мощности мешающего сигнала до уровня -47 дБм (-82 + 35 = -47) приведет к сбоям в приеме для EM250, в то время как СС2520 будет обеспечивать нормальный прием полезного сигнала при значительно более мощной помехе в -33 дБм (-82 + 49 = -33). Хорошее подавление сигнала помехи означает, что CC2520 будет нормально работать даже на более коротком расстоянии от источника помех. Дистанция до источника мешающего сигнала может быть в 2 раза меньше на каждые 6 дБ значения параметра ACR. По сравнению с EM250, источник помех может находиться более чем в 4 раза ближе к устройству, собранному на базе трансивера CC2520.

Особенности СС2520:

• Высокая стойкость к помехам на соседнем канале,
• Отличный энергетический потенциал радиоканала -103 дБ,
• Расширенный температурный диапазон -40...125°С,
• Аппаратная поддержка функций IEEE 802.15.4/MAC,
• Режим совместимости интерфейса с СС2420,
• Модуль аппаратного кодирования AES-128.

Преимущества:

• Позволяет создавать индустриальные решения в диапазоне 2,4 ГГц,
• Способен работать в окружении устройств Bluetooth® и Wifi,
• Аппаратные блоки снижают нагрузку на внешний микроконтроллер.

Применение:

• Промышленный мониторинг и управление,
• Домашняя автоматизация и автоматизация зданий,
• Сети маломощных беспроводных датчиков,
• Телевизионные приставки и дистанционное управление.

Схема включения CC2520 (рис. 2) содержит небольшое количество внешних компонентов. Микросхема выпускается в корпусе 5х5 мм (QFN28).

Рис. 2. Схема включения CC2520

Для работы CC2520 в реальном устройстве необходим внешний микроконтроллер (хост-контроллер). Для подключения к хост-контроллеру предусмотрен интерфейс SPI. Трансивер CC2520 значительно уменьшает нагрузку на хост-контроллер, благодаря наличию буфера 768 байт для гибкой буферизации и обработки данных при активированном режиме безопасности. Трансивер самостоятельно выполняет автоматическую оценку свободного канала для множественного доступа с опросом несущей (CSMA/CA), формирует и проверяет контрольные суммы пакетов (CRC). Высокая чувствительность (-98 дБм) и повышенная выходная мощность (+5 дБм) позволяют передавать данные на расстояние до 400 метров без применения дополнительных усилителей. Для связи на расстояние в несколько километров в паре с CC2520 можно применить усилитель мощности CC2591 (рис. 3).

Рис. 3. Схема подключения к CC2591

При использовании усилителя производитель настоятельно рекомендует строго следовать предлагаемой топологии печатной платы (рис. 4) и номиналам и типам приведенных в схеме компонентов [1].

Рис. 4. Рекомендуемая топология печатной платы

Несоблюдение этого может привести к существенному ухудшению радиочастотных характеристик конечного изделия. Для управления дополнительным усилителем мощности необходимо внести определенные изменения в код для хост-контроллера. С сайта TI доступна инструкция по применению [2], в которой можно найти информацию по модификации программного обеспечения TI-MAC для связки MSP430F2618 + CC2520 + CC2591.

Средства разработки и программная поддержка

Для разработки приложений на базе CC2520 предусмотрен отладочный набор CC2520DK (рис. 5).

Рис. 5. Отладочный набор CC2520DK

Этот набор [3] включает в себя большое количество оборудования, что позволяет работать с микросхемами CC2520 как непосредственно, так и в составе связки CC2520+MSP430:

• Универсальная плата SmartRF®05EB с ЖКИ-дисплеем (3 шт.),
• Оценочный модуль CC2520EM (3 шт.),
• Антенна с разъемом SMA (3 шт.),
• Процессорный модуль CCMSP-EM430F2618 (2 шт.),
• Программатор-отладчик MSP-FET430UIF,
• Кабель USB (3 шт.) и документация.

В процессорные платы CCMSP-EM430F2618 уже загружено соответствующее программное обеспечение для проведения теста дальности связи. Управление режимами тестирования осуществляется через управление джойстиком с индикацией результатов на ЖКИ-дисплее (рис. 6).

Рис. 6. Процесс тестирования

Для работы с CC2520 TI предлагает ряд простых готовых примеров программного обеспечения, которые доступны в исходных текстах и могут быть загружены с сайта TI [4]:

"hello" - пример программы "Hello world". Программа выводит в последовательный порт идентификатор CC2520 (Chip ID) и версию ПО;

"reg_read" - программа читает значения всех регистров CC2520 и выводит эти значения в последовательный порт;

"light_switch" - пример беспроводного выключателя света. Один узел настраивается как контроллер, другой - как беспроводной выключатель;

"PER_test" - тестовая программа для оценки количества потерянных пакетов при передаче;

"spectrum_analyzer" - программа анализатора спектра, отображающая на ЖКИ уровни сигналов на всех IEEE 802.15.4 каналах диапазона 2,4 ГГц.;

"ccm_security" - программа для работы со встроенными средствами шифрования.

Для создания более сложных сетевых приложений можно использовать стеки протоколов TI MAC, ZigBee или SimpliciTI для микроконтроллеров MSP430. Бесплатный стек протоколов ZigBee-2007 (ZigBee Pro) предлагается компанией TI в виде объектных библиотек Z-StackTM 2.0.0 для системы на базе микроконтроллера MSP430F2618 и трансивера CC2520. Примеры приложений включают в себя поддержку профилей Smart Energy (АСКУЭ) и Home Automation (домашняя автоматизация).

Особенности расширенной спецификации ZigBee PRO:

• Масштабируемость сетей - включение средств поддержки расширенных сетей, усовершенствованных за счет большего разнообразия средств управления,
• Фрагментируемость - новая способность к делению длинных сообщений и к взаимодействию с иными протоколами и системами,
• Смена частотного канала - динамическое переключение каналов в случае помех,
• Автоконтроль адресации устройств - для надежного конфигурирования и управления крупными сетями,
• Средства групповой адресации - введены для лучшей оптимизации информационного потока в крупных сетях,
• Беспроводная настройка - обеспечена возможность надежной беспроводной настройки развертываемых сетей,
• Централизованный сбор данных - спецификация оптимизирована для типовых направлений информационного потока в больших сетях.

Заключение

Новый трансивер CC2520 компании TI является идеальным набором для создания беспроводных сетей ZigBee/802.15.4. Высокие технические характеристики, расширенный температурный диапазон и разнообразное программное обеспечение позволяют создавать на основе CC2520 законченные устройства для работы в сложных индустриальных приложениях. Удобные средства разработки и готовый образцовый дизайн облегчают работу инженера и сокращают время вывода конечного продукта на рынок.

Литература

1. CC2520-CC2591EM Reference Design (http://www.ti.com/litv/zip/swru190)
2. Application Note AN066. TI-MAC SW Modifications for Using CC2591 RF Front End with MSP430F2618+CC2520 (http://focus.ti.com/lit/an/swra230/swra230.pdf)
3. CC2520 Development Kit User's Guide (http://www.ti.com/litv/pdf/swru138)
4. CC2520 Software Examples User's Guide (http://focus.ti.com/lit/ug/swru137a/swru137a.pdf).