SPI/UART与ZigBee协议转换模块设计

董泽龙　毋茂盛

摘 要：TI公司生产设计的CC2530采用8051单片机内核，该芯片不仅集成有UART和SPI接口，还具有采用ZigBee协议进行数据无线发送和接收功能。为了方便非计算机专业学生进行基于CC2530的开发，文中设计了SPI/UART到ZigBee协议的转换模块，该设计可广泛应用于智能家居、远程分布式控制等领域，并省去了连线，降低了成本，提高了开发效率。

关键词：ZigBee；SPI；UART；CC2530

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

ZigBee是一种短距离无线通信协议，具有方便、成本低等特点，特别适合于智能家居、工业控制等特定的场合，省去连线的麻烦。UART与SPI接口是目前众多单片机的标准接口。TI公司生产设计的CC2530采用8051单片机内核，不仅集成有UART、和SPI接口，而且还具有采用ZigBee协议进行数据无线发送和接收的功能，广泛应用于物联网技术领域。由于基于CC2530的开发要求具有TCP/IP协议等背景知识，对于非计算机专业的学生是件比较困难的事。因此，本文利用CC2530设计了一个SPI/UART到ZigBee协议转换模块，该模块通过UART或SPI接口与其它单片机系统相连，实现数据的无线传输，可广泛应用于智能家居，分布式控制等领域，大大提高了系统的开发效率。

1 模块的功能与工作原理

SPI/UART到ZigBee协议转换模块可通过ZigBee协议无线接收或发送数据，通过SPI或UART和其它的单片机系统相接口，作为一个模块应用到各种相关的单片机应用系统中；该模块也可作为ZigBee网络的协调器使用。模块工作时的连接如图1所示。

2 硬件设计

硬件设计按功能大约可分为4个部分。

2.1 CC2530及外围相关电路

德州仪器公司推出的SoC芯片CC2530，兼容ZigBee协议，它采用8051内核，并在此基础上增加了许多功能，如支持基于IEEE 802.15.4协议的无线射频等。CC2530及其外围相关电路如图2所示。

（1）数字电源和模拟电源通过电容接地；

（2）通过配置寄存器，将UART引脚RXD、TXD分别映射到引脚P0.2、P0.3；将SPI的引脚MISO、MOSI、SCK、SSN映射到P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，并通过2个IDC10连接器和其它单片机系统相连。

2.2 电平转换电路

CC2530芯片工作电压为3.3 V，而许多单片机应用系统采用的是5 V的电压，为了解决与5 V单片机系统的接口问题，设计了电平转换电路。具体为采用了4路2输入与门芯片74HCT08D，其14脚接5 V电源。由于CC2530为CMOS芯片，输入可以承受5 V的电压，所以，由5 V单片机到转换模块的信号不用电平转换电平；而转换模块到5 V单片机的信号要进行转换，即将3.3 V输出的引脚连接到74HCT08的一对输入引脚，将对应的输出引脚连接到其他单片机相关引脚即可。

2.3 电源转换电路。

本模块不带电源，但需要3.3 V电源。为此，专门设计了5 V到3.3 V电源转换的电路，电路中采用LD1117将输入到模块的5 V电源转换成3.3 V电源为CC2530供电。另外还设计了对 CC2530的编程与调试的接口电路。该模块的实物图如图3所示。

3 软件设计

为了方便用户进行基于CC2530芯片的开发，德州仪器公司（Texas Instruments）专门为用户开发了Z-Stack协议栈，它为用户提供了应用层的API，因此，用户可以不需详细了解内部实现原理，就进行基于CC2530的应用开发。但是由于Z-Stack协议栈是半开源的，对于底层内部实现原理用户无法了解和修改，给移植和深入研究造成了一定的困难。

3.1 寄存器配置

在模块工作时，相关引脚必须连接正确。在UART模式下，CTS、RTS引脚不用连接，TXD和RXD与对应通信单片机的RXD和TXD连接。在SPI模式下，4根引脚对应连接即可。配置寄存器复用相应的引脚如表1所列。

3.2 UART模式操作

UART模式下采用检测寄存器的发送完成标志位来判断数据是否发送完成；采用中断方式响应数据接收中断，在中断函数内对数据进行处理。

3.3 SPI模式的操作

（1）主模式

4 结 语

本文设计的模块经过实际的应用，工作稳定，实现了数据的无线传输功能，可以作为独立扩展模块和其他单片机进行通信，不需从头设计无线通信的部分，降低开发难度，大大提高了开发的效率。可用于智能家居、分布式控制等领域，省去连线的麻烦，节约开支。

参考文献

[1] 毋茂盛. 单片机原理与开发[M]. 北京：高等教育出版社，2015.

[2] 王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3] 法拉哈尼. ZigBee无线网络与收发器[M].沈建华，王维华，阔鑫，译.北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[4] Texas Instruments.CC111xFx， CC243xFx，CC251xFx and CC253xFx SPI[EB/OL].2009. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/an/swra223a/swra223a.pdf.

[5] Texas Instruments. CC253x/4x User's Guide[EB/OL].2014. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru191f/swru191f.pdf.

[6] Texas Instruments.CC2530 Datasheet[EB/OL].2009. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.