第4章串行通信與無線網(wǎng)絡(luò)4.1串行通信基礎(chǔ)4.1.1串行異步通信數(shù)據(jù)格式無論是RS-232還是RS-485，均可采用串行異步收發(fā)數(shù)據(jù)格式。異步傳輸中，發(fā)送前設(shè)起始位通知接收方準(zhǔn)備，結(jié)束時(shí)用停止位告知傳輸終止，確保數(shù)據(jù)正確接收和處理。串行異步收發(fā)（UART）通信的數(shù)據(jù)格式如圖4-1所示。圖4-1串行異步收發(fā)（UART）通信的數(shù)據(jù)格式4.1.2差錯(cuò)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通信中的接收者可以通過差錯(cuò)檢驗(yàn)來判斷所接收的數(shù)據(jù)是否正確。冗余數(shù)據(jù)校驗(yàn)、奇偶校驗(yàn)、校驗(yàn)和、循環(huán)冗余校驗(yàn)等都是串行通信中常用的差錯(cuò)檢驗(yàn)方法。4.2RS-232C串行通信接口RS-232C標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)EIA制定，定義DTE與DCE間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口，是串行通信的推薦技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，C表示最新修訂版。4.2.1RS-232C端子RS-232C的連接插頭用9針的EIA連接插頭座，如圖4-2所示，其主要端子分配如表4-1所示。圖4-2DB9插頭座表4-1RS-232C主要端子1．信號(hào)含義（1）從計(jì)算機(jī)到MODEM的信號(hào)DTR——數(shù)據(jù)終端（DTE）準(zhǔn)備好：告訴MODEM計(jì)算機(jī)已接通電源，并準(zhǔn)備好。RTS——請(qǐng)求發(fā)送：告訴MODEM現(xiàn)在要發(fā)送數(shù)據(jù)。（2）從MODEM到計(jì)算機(jī)的信號(hào)DSR——數(shù)據(jù)設(shè)備（DCE）準(zhǔn)備好：告訴計(jì)算機(jī)MODEM已接通電源，并準(zhǔn)備好了。CTS——為發(fā)送清零：告訴計(jì)算機(jī)MODEM已作好了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。DCD——數(shù)據(jù)信號(hào)檢測(cè)：告訴計(jì)算機(jī)MODEM已與對(duì)端的MODEM建立連接了。RI——振鈴指示器：告訴計(jì)算機(jī)對(duì)端電話已在振鈴了。（3）數(shù)據(jù)信號(hào)TXD——發(fā)送數(shù)據(jù)。RXD——接收數(shù)據(jù)。2．電氣特性RS-232C的電氣線路連接如圖4-3所示。圖4-3RS-232C的電氣連接接口為非平衡型，每個(gè)信號(hào)用一根導(dǎo)線，所有信號(hào)回路共用一根地線。信號(hào)速率限于20kbit/s內(nèi)，電纜長(zhǎng)度限于15m之內(nèi)。由于是單線，線間干擾較大。其電性能用±12V標(biāo)準(zhǔn)脈沖。RS-232C采用負(fù)邏輯。在數(shù)據(jù)線上：傳號(hào)Mark=－5~－15V，邏輯“1”電平空號(hào)Space=+5~+15V，邏輯“0”電平在控制線上：通On=+5~+15V，邏輯“0”電平斷Off=－5~－15V，邏輯“1”電平RS-232C的邏輯電平與TTL電平不兼容，為了與TTL器件相連必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。由于RS-232C采用電平傳輸，在通信速率為19.2kb/s時(shí)，其通信距離只有15m。若要延長(zhǎng)通信距離，必須以降低通信速率為代價(jià)。4.2.2通信接口的連接當(dāng)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)經(jīng)RS-232C口直接通信時(shí)，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)絡(luò)線可用圖4-4表示。圖4-4不使用MODEM信號(hào)的RS-232C接口4.2.3RS-232C電平轉(zhuǎn)換器TTL和CMOS接口與RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口連接需電平轉(zhuǎn)換，常用轉(zhuǎn)換器有MC1488驅(qū)動(dòng)器、MC1489接收器及TI的SN75188、SN75189等器件。MAX232A是單電源多路RS-232驅(qū)動(dòng)器/接收器，內(nèi)置雙充電泵將+5V轉(zhuǎn)換為±10V，包含兩路發(fā)送器與接收器，使用方便。MAX232A外形和引腳如圖4-5所示，典型應(yīng)用如圖4-6所示。a）MAX232外形b）MAX232引腳圖4-5MAX232A外形和引腳圖圖4-6MAX232A典型應(yīng)用單一+5V電源供電的RS-232C電平轉(zhuǎn)換器還有TL232、ICL232等。4.3RS-485串行通信接口4.3.1RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口采用二線差分平衡傳輸，其信號(hào)定義如下。當(dāng)采用+5V電源供電時(shí)：（1）若差分電壓信號(hào)為－2500~－200mV時(shí)，為邏輯“0”。（2）若差分電壓信號(hào)為+2500~+200mV時(shí)，為邏輯“1”。（3）若差分電壓信號(hào)為－200~+200mV時(shí)，為高阻狀態(tài)。RS-485的差分平衡電路如圖4-7所示。其一根導(dǎo)線上的電壓是另一根導(dǎo)線上的電壓值取反。接收器的輸入電壓為這兩根導(dǎo)線電壓的差值。圖4-7差分平衡電路RS-485是RS-422變形，采用一對(duì)差分線路，抑制噪聲且不受接地電平差異影響，保證長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)穩(wěn)定和準(zhǔn)確。RS-485價(jià)格比較便宜，能夠很方便地添加到一個(gè)系統(tǒng)中，還支持比RS-232更長(zhǎng)的距離、更快的速度以及更多的節(jié)點(diǎn)。4.3.2RS-485收發(fā)器RS-485收發(fā)器種類較多，如MAXIM公司的MAX485，TI公司的SN75LBC184、SN65LBC184，高速型SN65ALS1176等。它們的引腳是完全兼容的，其中SN65ALS1176主要用于高速應(yīng)用場(chǎng)合，如PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線等。下面介紹SN75LBC184。SN75LBC184為具有瞬變電壓抑制的差分收發(fā)器，SN75LBC184為商業(yè)級(jí)，其工業(yè)級(jí)產(chǎn)品為SN65LBC184。引腳如圖4-8所示。a）SN75LBC184外形b）SN75LBC184引腳圖4-8SN75LBC184外形和引腳圖引腳介紹如下：R：接收端。：接收使能，低電平有效。DE：發(fā)送使能，高電平有效。D：發(fā)送端A：差分正輸入端。B：差分負(fù)輸入端。VCC：+5V電源。GND：地。SN75LBC184和SN65LBC184具有如下特點(diǎn)。（1）具有瞬變電壓抑制能力，能防雷電和抗靜電放電沖擊。（2）限斜率驅(qū)動(dòng)器，使電磁干擾減到最小，并能減少傳輸線終端不匹配引起的反射。（3）總線上可掛接64個(gè)收發(fā)器。（4）接收器輸入端開路故障保護(hù)。（5）具有熱關(guān)斷保護(hù)。（6）低禁止電源電流，最大300μA。（7）引腳與SN75176兼容。4.3.3應(yīng)用電路RS-485應(yīng)用電路如圖4-9所示。圖4-9RS-485應(yīng)用電路4.3.4RS-485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)利用RS-485接口可以使一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)發(fā)送器與接收器互聯(lián)，在多臺(tái)計(jì)算機(jī)或帶微控制器的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，形成分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。1．RS-485的半雙工通信方式在大多數(shù)應(yīng)用條件下，RS-485的端口連接都采用半雙工通信方式。有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器共享一條信號(hào)通路。圖4-10為RS-485端口半雙工連接的電路圖。其中RS-485差動(dòng)總線收發(fā)器采用SN75LBC184。圖4-10中的兩個(gè)120Ω電阻是作為總線的終端電阻存在的。當(dāng)終端電阻等于電纜的特征阻抗時(shí)，可以削弱甚至消除信號(hào)的反射。圖4-10RS-485端口的半雙工連接2．RS-485的全雙工連接盡管大多數(shù)RS-485的連接是半雙工的，但是也可以形成全雙工RS-485連接。圖4-11a）和圖4-11b）分別表示兩點(diǎn)和多點(diǎn)之間的全雙工RS-485連接。a）兩個(gè)RS-485端口的全雙工連接

b）多個(gè)RS-485端口的全雙工連接圖4-11RS-485端口的全雙工連接RS-232C和RS-485之間的轉(zhuǎn)換可采用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊，如圖4-12所示。a）普通RS-232轉(zhuǎn)RS-485模塊b）工業(yè)級(jí)RS-232轉(zhuǎn)RS-485模塊圖4-12RS-232轉(zhuǎn)RS-485模塊4.4藍(lán)牙通信技術(shù)4.4.1藍(lán)牙通信技術(shù)概述藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，支持多設(shè)備快速信息交換，工作于2.4GHz頻段，采用快跳頻和短包技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效全雙工傳輸。（1）支持移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)等設(shè)備通信。（2）簡(jiǎn)化移動(dòng)終端與互聯(lián)網(wǎng)的通信。（3）采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)。（4）工作頻段為全球通用的2.4GHzISM頻段。（5）數(shù)據(jù)速率為1Mb/s，采用時(shí)分雙工實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。下面講述藍(lán)牙通信技術(shù)的發(fā)展及藍(lán)牙1.0到藍(lán)牙5.0。1.藍(lán)牙通信技術(shù)的發(fā)展藍(lán)牙起源于10世紀(jì)丹麥國(guó)王HaraldBluetooth的名字，1990年代由英特爾、諾基亞、愛立信等聯(lián)合創(chuàng)建統(tǒng)一短距無線通信標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)智能物聯(lián)低功耗發(fā)展。（1）藍(lán)牙名稱來源于統(tǒng)一斯堪的納維亞的哈拉爾國(guó)王的綽號(hào)。（2）1996年多家公司聯(lián)合成立藍(lán)牙特別興趣小組（SIG）制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。（3）1997年吉姆·卡爾達(dá)奇提議以“藍(lán)牙”命名該組織。（4）藍(lán)牙技術(shù)從音頻、圖文傳輸延展至低功耗智能物聯(lián)網(wǎng)。（5）預(yù)計(jì)2025年藍(lán)牙設(shè)備出貨量將超過60億。藍(lán)牙的LOGO來自后弗薩克文的字母組合，將國(guó)王HaraldBluetooth名字的首字母H和B對(duì)應(yīng)后弗薩克文的字母拼在一起，構(gòu)成了大家熟知的藍(lán)色LOGO“”。2.經(jīng)典藍(lán)牙（ClassicBluetooth）階段：從藍(lán)牙1.0到藍(lán)牙3.0（1）第一代藍(lán)牙起步于1999年藍(lán)牙1.0，因兼容性差及成本高未廣泛應(yīng)用。2003年藍(lán)牙1.2引入適應(yīng)性跳頻和快速連接等功能，提升安全與傳輸質(zhì)量。（2）第二代藍(lán)牙在2004年升級(jí)到2.0，速率達(dá)3Mb/s且支持雙工，2007年2.1版增強(qiáng)配對(duì)體驗(yàn)和安全，支持NFC近場(chǎng)通信快速配對(duì)。（3）第三代藍(lán)牙2009年發(fā)布3.0版，增設(shè)HighSpeed功能，借助IEEE802.11物理層實(shí)現(xiàn)24Mb/s高速傳輸，是2.0的8倍傳輸速度。3.低功耗藍(lán)牙與經(jīng)典藍(lán)牙并存的階段：從藍(lán)牙4.0開始藍(lán)牙聯(lián)盟于2010年發(fā)布了藍(lán)牙4.0，藍(lán)牙4.0由經(jīng)典藍(lán)牙（ClassicBluetooth）和低功耗藍(lán)牙（BluetoothLowEnergy）兩個(gè)部分組成。藍(lán)牙4.0結(jié)合經(jīng)典藍(lán)牙與低功耗藍(lán)牙，后者源自Wibree技術(shù)聯(lián)盟，專為低功耗多連接場(chǎng)景設(shè)計(jì)，支持單模與雙模芯片，廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備和可穿戴領(lǐng)域。（1）低功耗藍(lán)牙解決傳統(tǒng)藍(lán)牙高耗電問題，適合運(yùn)動(dòng)健康及可穿戴設(shè)備。（2）低功耗藍(lán)牙前身為2006年Wibree聯(lián)盟，后于2007年并入藍(lán)牙聯(lián)盟。（3）低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)用于低功耗、低數(shù)據(jù)量的應(yīng)用，具快速連接和多點(diǎn)傳輸優(yōu)勢(shì)。（4）藍(lán)牙4.0芯片有單模（僅支持BLE）和雙模（兼容經(jīng)典藍(lán)牙）兩種類型。（5）智能手機(jī)等設(shè)備普遍采用雙模芯片，兼顧低功耗藍(lán)牙和傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備連接。4.低功耗藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)階段：從低功耗藍(lán)牙5.0開始低功耗藍(lán)牙5.0及后續(xù)版本不斷提升傳輸速率、距離和容量，新增尋向、功率控制等功能，顯著增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信效率和可靠性。（1）低功耗藍(lán)牙5.0于2016年發(fā)布，速率達(dá)2Mb/s，通信距離為4.2版的4倍，廣播容量提升8倍。（2）低功耗藍(lán)牙5.1于2019年引入尋向功能，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。（3）低功耗藍(lán)牙5.2新增增強(qiáng)屬性協(xié)議、功率控制及同步頻道，提升功耗管理和通信可靠性。（4）功率控制通過動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，降低能耗并減少干擾。（5）低功耗藍(lán)牙5.3于2021年發(fā)布，新增周期廣播增強(qiáng)、頻道分類及連接分級(jí)功能，提升性能和用戶體驗(yàn)。4.4.2無線多協(xié)議SoC芯片SoC芯片是一種集成電路的芯片，可以有效地降低電子/信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，是未來工業(yè)界將采用的最主要的產(chǎn)品開發(fā)方式。下面講述無線多協(xié)議SoC芯片。1.無線多協(xié)議SoC芯片簡(jiǎn)介Nordic是中短距離無線應(yīng)用的領(lǐng)跑者，是低功耗藍(lán)牙技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)始者之一，其超低功耗無線技術(shù)已成為業(yè)界的標(biāo)桿。按照產(chǎn)品發(fā)展的脈絡(luò)，Nordic的低功耗藍(lán)牙芯片分為nRF51系列、nRF52系列、nRF53系列。（1）nRF51系列芯片基于ArmCortex-M0內(nèi)核，支持藍(lán)牙4.0，性能穩(wěn)定、性價(jià)比高，代表芯片為nRF51822，廣泛應(yīng)用于市面。（2）nRF52系列采用ArmCortex-M4內(nèi)核，支持藍(lán)牙5.0，功耗低于nRF51，集成巴倫芯片，支持無線多協(xié)議和NFC，代表芯片為nRF52832和nRF52840。（3）nRF53系列為高端雙核SoC，使用雙ArmCortex-M33內(nèi)核，兼顧高性能和低功耗，適用于智能家居、室內(nèi)導(dǎo)航等復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，代表芯片是nRF5340。2.無線多協(xié)議SoC芯片的未來發(fā)展路線圖Nordic致力于超低功耗中短距離無線技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)，目前已有規(guī)格齊全的芯片型號(hào)可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要，并兼顧資源配置和性價(jià)比。4.4.3nRF5340的主要規(guī)格參數(shù)下面講述nRF5340的主要規(guī)格參數(shù)。1.nRF5340簡(jiǎn)介nRF5340是Nordic首款雙ArmCortex-M33核多協(xié)議SoC，基于成熟nRF51/52系列，具先進(jìn)安全功能，廣泛應(yīng)用于高端無線通信領(lǐng)域。nRF5340外形如圖4-13所示。支持低功耗藍(lán)牙5.3、藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)、NFC、Thread、ZigBee和Matter，具備高性能、低功耗、可擴(kuò)展、耐熱性高等優(yōu)勢(shì)，可廣泛用于智能家居、室內(nèi)導(dǎo)航、專業(yè)照明、工業(yè)自動(dòng)化、高端可穿戴設(shè)備，以及其他復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。圖4-13nRF5340外形nRF5340擁有雙核處理器、高速接口及先進(jìn)安全架構(gòu)，支持多協(xié)議無線通信，優(yōu)化功耗，適用于高端可穿戴及復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。（1）搭載應(yīng)用核（128/64MHz）和網(wǎng)絡(luò)核（64MHz），擁有1MBFlash和512KBRAM。（2）支持高速SPI、QSPI、USB接口，QSPI時(shí)鐘頻率達(dá)96MHz，支持復(fù)雜外設(shè)連接。（3）集成ArmTrustZone和CryptoCell-312，提供硬件加速加密及安全密鑰管理。（4）支持多種無線協(xié)議，包括低功耗藍(lán)牙、Mesh、Thread、ZigBee和NFC等。（5）低功耗無線射頻單元，TX電流3.2mA，RX電流2.6mA，睡眠電流僅1.1μA。（6）集成晶振負(fù)載電容，減少外部元件，助力產(chǎn)品小型化。2.nRF5340的主要特性nRF5340的主要特性如下：（1）采用雙核處理器架構(gòu)。nRF5340包含兩個(gè)ArmCortex-M33處理器，其中的網(wǎng)絡(luò)核處理器用于處理無線協(xié)議和底層協(xié)議棧，應(yīng)用核處理器用于開發(fā)應(yīng)用及功能；雙核處理器架構(gòu)兼顧高性能和高效率，可進(jìn)一步優(yōu)化性能和效率，達(dá)到最優(yōu)；低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧的主機(jī)（Host）和控制器（Controller）分別運(yùn)行在不同的處理器上，效率更高。（2）支持多協(xié)議。nRF5340支持低功耗藍(lán)牙5.3及更高版本；支持藍(lán)牙Mesh、Thread、ZigBee、NFC、ANT、IEEE802.15.4和2.4GHz等協(xié)議。（3）優(yōu)化了射頻功耗。在TX的峰值功耗降低30％，即0dBm時(shí)，TX的電流約為3.2mA，RX的電流約為2.6mA；RX的靈敏度為－97.5dBm；在＋3dBm～－20dBm的范圍內(nèi)，能夠以1dB為單位調(diào)整TX的發(fā)射功率。（4）高安全性。采用ArmTrustZone和安全密鑰存儲(chǔ)；可設(shè)置Flash、RAM、GPIO和外設(shè)的安全屬性；采用ArmCryptoCell-312實(shí)現(xiàn)了硬件加速加密；具有獨(dú)立的密鑰存儲(chǔ)單元。（5）全合一。采用全新的芯片系列、雙核處理器架構(gòu)、最高級(jí)別的安全加密技術(shù)，工作溫度可以達(dá)到105℃，具有更大的存儲(chǔ)空間和內(nèi)存、更快的運(yùn)行效率，并且功耗更優(yōu)。（6）專為L(zhǎng)E音頻設(shè)計(jì)。支持同步頻道、LC3，采用低抖動(dòng)音頻PLL時(shí)鐘源。（7）運(yùn)行效率更高。CPU運(yùn)行在時(shí)鐘頻率64MHz時(shí)，無論網(wǎng)絡(luò)處理器還是應(yīng)用核處理器，nRF5340的運(yùn)算性能均高于nRF52840。4.4.4nRF5340的開發(fā)工具下面講述nRF5340的開發(fā)工具。1.nRFConnectSDK軟件開發(fā)平臺(tái)nRFConnectSDK是Nordic最新軟件開發(fā)平臺(tái)，支持所有產(chǎn)品線，集成ZephyrRTOS、藍(lán)牙協(xié)議棧、應(yīng)用示例和驅(qū)動(dòng)，統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)與短距無線開發(fā)。nRFConnectSDK兼容Windows、MacOS和Linux，由Github管理源碼，免費(fèi)提供SEGGEREmbeddedStudio（SES）開發(fā)環(huán)境支持。SES是SEGGER公司跨平臺(tái)IDE，支持Windows、Linux和MacOS，用戶體驗(yàn)優(yōu)于IAR和MDK。NordicBLE芯片用戶可免費(fèi)使用SES，無版權(quán)糾紛，Nordic與SEGGER官方合作保障。2.nRF5340DK開發(fā)板（DevelopmentKit）nRF5340DK（DevelopmentKit）是用于開發(fā)nRF5340的開發(fā)板，如圖4-14所示。nRF5340DK開發(fā)板集成多協(xié)議支持和SEGGERJ-Link調(diào)試器，具備豐富接口及按鈕LED，助力開發(fā)者高效編程調(diào)試和硬件測(cè)試。（1）支持多種無線協(xié)議，配備SEGGERJ-Link調(diào)試器，方便對(duì)內(nèi)外部目標(biāo)板編程調(diào)試。（2）提供模擬、數(shù)字接口及GPIO擴(kuò)展，靈活連接外設(shè)，滿足多樣化開發(fā)需求。（3）內(nèi)置4個(gè)按鈕和4個(gè)LED，簡(jiǎn)化輸入輸出控制，便于功能演示和測(cè)試。在實(shí)際使用時(shí)，nRF5340DK開發(fā)板既可以通過USB供電，也可以通過1.7～5.0V的外部電源供電。圖4-14nRF5340開發(fā)板4.4.5低功耗藍(lán)牙芯片nRF51822及其應(yīng)用電路nRF51822低功耗藍(lán)牙模塊外形如圖4-15所示。圖4-15nRF51822低功耗藍(lán)牙模塊nRF51822低功耗藍(lán)牙模塊的原理圖如圖4-16所示。圖4-16nRF51822低功耗藍(lán)牙模塊的原理圖圖4-16右邊方框內(nèi)的電路為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)部分電路，將nRF51822的射頻差分輸出轉(zhuǎn)為單端輸出50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗，相應(yīng)的天線也應(yīng)該是50Ω阻抗，這樣才能確保功率最大化地傳輸?shù)娇臻g。4.5ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，WirelessSensorNetwork）采用微小型的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取信息，節(jié)點(diǎn)之間具有自動(dòng)組網(wǎng)和協(xié)同工作能力，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無線通信方式，采集和處理網(wǎng)絡(luò)中的信息，發(fā)送給觀察者。目前WSN使用的無線通信技術(shù)過于復(fù)雜，非常耗電，成本很高。而ZigBee是一種短距離、低成本、低功耗、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Α?.5.1ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)下面講述ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)1.ZigBee標(biāo)準(zhǔn)概述ZigBee基于IEEE802.15.4協(xié)議，具低功耗、低成本、近距離通信特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制、傳感器及家庭無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。（1）適合低速率、周期性、間歇性和低延時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用于家電和小型電子設(shè)備無線控制。（2）使用跳頻技術(shù)，頻段覆蓋2.4GHz、868MHz和915MHz，均為免執(zhí)照頻段，覆蓋距離10~275米。（3）網(wǎng)絡(luò)速率降低至28kb/s時(shí)，傳輸范圍最高可達(dá)334米，提高通信可靠性。（4）在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭安全等領(lǐng)域具廣闊應(yīng)用前景。ZigBee體系結(jié)構(gòu)如圖4-17所示。圖4-17ZigBee體系結(jié)構(gòu)圖2.ZigBee協(xié)議框架ZigBee堆棧是在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE802.15.4的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。完整的ZigBee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成，如圖4-18所示。圖4-18ZigBee協(xié)議棧ZigBee協(xié)議棧中，物理層和MAC層由IEEE802.15.4定義，MAC層提供接口連接網(wǎng)絡(luò)層或通過SSCS和LLC中間子層實(shí)現(xiàn)連接。網(wǎng)絡(luò)層、安全層及應(yīng)用程序接口由ZigBee聯(lián)盟制定，安全層負(fù)責(zé)密鑰管理，應(yīng)用接口包括APS和ZDO，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理功能。3.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和末端節(jié)點(diǎn)組成，分別對(duì)應(yīng)蜂群中的蜂后、雄蜂和工蜂，角色不同功能層級(jí)明確。（1）協(xié)調(diào)器（FFD）是網(wǎng)絡(luò)唯一的發(fā)起設(shè)備，負(fù)責(zé)啟動(dòng)和管理整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。（2）路由器數(shù)量有限，需持續(xù)供電，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。（3）末端節(jié)點(diǎn)（RFD）數(shù)量最多，內(nèi)存需求低，僅能與FFD通信傳輸數(shù)據(jù)。4.ZigBee應(yīng)用層規(guī)范ZigBee協(xié)議棧包含IEEE802.15.4的物理層和MAC層及ZigBee網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層由APS子層、ZDO和應(yīng)用框架組成，提供統(tǒng)一接口支持設(shè)備綁定和服務(wù)管理。（1）APS子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定表，支持設(shè)備間消息傳輸和安全通信建立。（2）綁定用于發(fā)現(xiàn)設(shè)備及其應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的連接和交互。（3）應(yīng)用層包括APS、AF和ZDO，提供統(tǒng)一接口供應(yīng)用開發(fā)者使用。（4）應(yīng)用層管理端點(diǎn)、綁定、服務(wù)發(fā)現(xiàn)和設(shè)備發(fā)現(xiàn)等功能。4.5.2ZigBee開發(fā)技術(shù)TI公司CC2530無線微控制器集成2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee，配合免費(fèi)Z-Stack協(xié)議棧和完善文檔，簡(jiǎn)化無線傳感網(wǎng)開發(fā)。1.CC2530無線片上系統(tǒng)概述CC2530SoC集成2.4GHzRF收發(fā)器與8051MCU，具多型號(hào)閃存與低功耗運(yùn)行模式，適合IEEE802.15.4/ZigBee應(yīng)用，成本低且性能強(qiáng)大。CC2530大致可以分為4個(gè)部分：CPU和內(nèi)存相關(guān)的模塊、外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理相關(guān)的模塊，以及無線電相關(guān)的模塊。（1）CPU內(nèi)核為單周期8051兼容，含調(diào)試接口和18路擴(kuò)展中斷。（2）1.8V低壓穩(wěn)壓器支持多種供電模式，延長(zhǎng)電池壽命。（3）配備多種外設(shè)，支持高級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)。（4）含IEEE802.15.4無線收發(fā)器，支持命令控制和數(shù)據(jù)包過濾。2.CC2530引腳功能CC2530芯片采用QFN40封裝，共有40個(gè)引腳，可分為I/O引腳、電源引腳和控制引腳，CC2530外形和引腳如圖4-19所示。a）CC2530外形b）CC2530引腳圖4-19CC2530無線和引腳⑴I/O端口引腳功能CC2530芯片有21個(gè)可編程I/O引腳，P0和P1是完整的8位I/O端口，P2只有5個(gè)可以使用的位。⑵電源引腳功能AVDD1~AVDD6：為模擬電路提供2.0~3.6V工作電壓。DCOUPL：提供1.8V的去耦電壓，此電壓不為外電路使用。DVDD1，DVDD2：為I/O口提供2.0~3.6V電壓。GND：接地。⑶控制引腳功能RESET_N：復(fù)位引腳，低電平有效。RBIAS：為參考電流提供精確的偏置電阻。RF_N：RX期間負(fù)RF輸入信號(hào)到LNA。RF_P：RX期間正RF輸入信號(hào)到LNA。XOSC_01：32MHz晶振引腳1。XOSC_02：32MHz晶振引腳2。CC2530無線模塊如圖4-20所示。a）PCB印刷天線b）外置天線圖4-20CC2530無線模塊3.CC2530的應(yīng)用領(lǐng)域CC2530應(yīng)用領(lǐng)域如下：⑴2.4GHzIEEE802.15.4系統(tǒng)。⑵RF4CE遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（需要大于64KB閃存）。⑶ZigBee系統(tǒng)（需要256KB閃存）。⑷家庭/樓宇自動(dòng)化。⑸照明系統(tǒng)。⑹工業(yè)控制和監(jiān)控。⑺低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)。⑻消費(fèi)型電子。⑼醫(yī)療保健。4.6W601Wi-FiMCU芯片及其應(yīng)用實(shí)例2018年初，聯(lián)盛德（WinnerMicro）推出了新一代IoTWi-Fi芯片W600，上市伊始就以其優(yōu)異的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)迅速獲得智能硬件領(lǐng)域的認(rèn)可并取得驕人的業(yè)績(jī)。智能家電多用MCU+Wi-Fi雙芯片，單芯片W601兼具M(jìn)CU與Wi-Fi功能，提升集成度、減少面積、降低成本，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)智能化方案。本節(jié)講述北京聯(lián)盛德微電子公司推出的具有Cortex-M3內(nèi)核的Wi-Fi和藍(lán)牙SoC系列芯片及其應(yīng)用。4.6.1W601/W800/W801/W861概述W601/W800/W801/W861是北京聯(lián)盛德微電子公司推出的具有Cortex-M3內(nèi)核的Wi-Fi和藍(lán)牙SoC系列芯片，簡(jiǎn)單介紹如下。（1）W601是支持多接口的SoC芯片，集成Cortex-M3內(nèi)核和豐富接口，支持多種硬件加解密協(xié)議及IEEE802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置射頻收發(fā)和功率放大器，廣泛應(yīng)用于智能家電等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。（2）W800是支持Wi-Fi/藍(lán)牙雙模的安全I(xiàn)oTSoC，集成32位CPU和多接口，支持TEE安全引擎及多種硬件加解密，內(nèi)置2MBFlash及安全功能，適合智能家電、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。（3）W801是Wi-Fi/BLE雙模SoC芯片，含豐富數(shù)字接口，集成32位CPU和2MBFlash，支持TEE安全引擎、多種硬件加解密及安全升級(jí)，廣泛應(yīng)用于智能家電、無線音視頻及醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域。（4）W861是大內(nèi)存Wi-Fi/藍(lán)牙雙模SoC芯片，集成2MBFlash和2MBRAM，豐富數(shù)字接口，支持TEE安全引擎和多種硬件加解密，適用于智能家居、無線音視頻及工業(yè)控制等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。本節(jié)以W601Wi-FiMCU芯片為例，講述該系列芯片的應(yīng)用。W601Wi-FiMCU芯片的外形如圖4-21所示。圖4-21W601Wi-FiMCU芯片的外形W601主要有如下優(yōu)勢(shì)：（1）Cortex-M3內(nèi)核，80MHz主頻，低功耗低成本，支持位帶操作和可嵌套中斷，適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。（2）集成Wi-Fi功能，單芯片替代Wi-Fi模組加MCU，采用7×7mmQFN68封裝，縮小體積。（3）片內(nèi)288KBSRAM，1MBFlash，支持多種外設(shè)接口如SDIO、SPI、UART、GPIO等，應(yīng)用廣泛。W601內(nèi)嵌了Wi-Fi功能，對(duì)于Wi-Fi應(yīng)用場(chǎng)景下來說，該國(guó)產(chǎn)芯片是個(gè)非常不錯(cuò)的選擇，既可以降低產(chǎn)品體積，又可以降低成本。1. W601特征W601具有如下特征：（1）芯片外觀W601為QFN68封裝。（2）芯片集成程度①集成32位嵌入式Cortex-M3處理器，工作頻率80MHz。②集成288KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。③集成1MBFlash。④集成8通道DMA控制器，支持任意通道分配給硬件使用或是軟件使用，支持16個(gè)硬件申請(qǐng)，支持軟件鏈表管理。⑤集成2.4G射頻收發(fā)器，滿足IEEE802.11規(guī)范。⑥集成PA/LNA/TR-Switch。⑦集成10比特差分ADC/DAC。⑧集成32.768KHz時(shí)鐘振蕩器。⑨集成電壓檢測(cè)電路、LDO、電源控制電路、集成上電復(fù)位電路。⑩集成通用加密硬件加速器，支持PRNG/SHA1/MD5/RC4/DES/3DES/AES/CRC/RSA等多種加解密協(xié)議。（3）芯片接口①集成1個(gè)SDIO2.0Device控制器，支持SDIO1位／4位/SPI三種操作模式；工作時(shí)鐘范圍0～50MHz。②集成2個(gè)UART接口，支持RTS/CTS，波特率范圍1200b/s～2Mb/s。③集成1個(gè)高速SPI設(shè)備控制器，工作時(shí)鐘范圍0～50MHz。④集成1個(gè)SPI主／從接口，主設(shè)備工作頻率支持20Mb/s，從設(shè)備支持6Mb/s數(shù)據(jù)傳輸速率。⑤集成一個(gè)IC控制器，支持100/400Kb/s速率。⑥集成GPIO控制器。⑦集成PWM控制器，支持5路PWM單獨(dú)輸出或者2路PWM輸入。最高輸出頻率20MHz，最高輸入頻率20MHz。⑧集成雙工I2S控制器，支持32KHz到192KHzI2S接口編解碼。⑨集成7816接口，支持ISO-78117-3T＝0/1模式，支持EVM2000規(guī)范，并兼容串口功能。⑩集成LCD控制器，支持8×16/4×20接口，支持2.7V～3.6V電壓輸出。（4）協(xié)議與功能①支持GB15629.11-2006、IEEE802.11b/g/n/e/i/d/k/r/s/w。②支持WAPI2.0；支持Wi-FiWMM/WMM-PS/WPA/WPA2/WPS；支持Wi-FiDirect。③支持EDCA信道接入方式；支持20/40M帶寬工作模式。④支持STBC、GreenField、Short-GI、支持反向傳輸；支持RIFS幀間隔；支持AMPDU、AMSDU。⑤支持IEEE802.11nMCS0～7、MCS32物理八層傳輸速率檔位，傳輸速率最高到150Mb/s；2/5.5/11Mb/s速率發(fā)送時(shí)支持ShortPreamble。⑥支持HT-immediateCompressedBlockAck、NormalAck、NoAck應(yīng)答方式；支持CTStoself；支持AP功能；支持作為AP和STA同時(shí)使用。⑦在BSS網(wǎng)絡(luò)中，支持多個(gè)組播網(wǎng)絡(luò)，并且支持各個(gè)組播網(wǎng)絡(luò)加密方式不同，最多可以支持總和為32個(gè)的組播網(wǎng)絡(luò)和入網(wǎng)STA加密；BSS網(wǎng)絡(luò)支持作為AP使用時(shí)，支持站點(diǎn)與組的總和為32個(gè)，IBSS網(wǎng)絡(luò)中支持16個(gè)站點(diǎn)。（5）供電與功耗①3.3V單電源供電。②支持PS-Poll、U-APSD功耗管理。③SoC芯片待機(jī)電流小于10μA。2.W601芯片結(jié)構(gòu)W601芯片結(jié)構(gòu)如圖4-22所示。圖4-22W601芯片結(jié)構(gòu)圖3.W601管腳定義W601管腳定義如圖4-23所示。圖4-23管腳布局圖（QFN68）4.6.2ALIENTEKW601開發(fā)板1. W601開發(fā)板介紹正點(diǎn)原子新推出的一款Wi-FiMCUSoc芯片的ALIENTEKW601開發(fā)板。ALIENTEKW601開發(fā)板的資源圖如圖4-24所示。圖4-24ALIENTEKW601開發(fā)板的資源ALIENTEKW601開發(fā)板載資源如下：（1）MCU：W601，QFN68，SRAM：288KB，F(xiàn)lash：1MB。（2）外擴(kuò)SPIFlash：W25Q128，16MB。（3）1個(gè)電源指示燈（藍(lán)色）。（4）1個(gè)SWD下載接口（仿真器下載接口）。（5）1個(gè)MicroUSB接口（可用于供電、串口通信和串口下載）。（6）1組5V電源供應(yīng)/接入口。（7）1組3.3V電源供應(yīng)/接入口。（8）1個(gè)電源開關(guān)，控制整個(gè)板的電源。（9）1組IO口擴(kuò)展接口，可自由配置使用方式。（10）1個(gè)TFTLCD顯示屏：1.3寸240240分辨率。（11）1個(gè)ATK模塊接口，支持藍(lán)牙/GPS/MPU6050/RGB/LORA等模塊。（12）1個(gè)TF卡座。（13）1個(gè)板載Wi-FiPCB天線。（14