CC2538：2.4GHz无线应用的强大片上系统

在当今的无线通信领域，高性能、低功耗的微控制器系统-on-chip（SoC）至关重要。CC2538xFnn就是这样一款理想的无线微控制器SoC，适用于高性能ZigBee应用。今天就带大家深入了解CC2538的特性、参数以及应用设计等方面的内容。

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一、器件概述

1.1 特性亮点

CC2538具有诸多强大的特性。其微控制器采用了ARM® Cortex® - M3内核，具备代码预取功能，时钟速度最高可达32MHz。片上闪存容量有512KB、256KB或128KB可选，还拥有高达32KB的RAM（在所有电源模式下有16KB可保留数据）。

在片上外设方面也十分丰富，有µDMA、4个通用定时器（每个为32位或2个16位）、32位32 - kHz睡眠定时器等。它支持片上空中升级（OTA）和双ZigBee应用配置文件，12位ADC有8个通道且分辨率可配置，还有电池监测和温度传感器等。

RF部分，其2.4 - GHz IEEE 802.15.4兼容的RF收发器表现出色，接收灵敏度可达 - 97 dBm，邻道抑制比（ACR）为44 dB，可编程输出功率最高可达7 dBm。同时，具备安全硬件加速功能，如AES - 128/256、SHA2硬件加密引擎，可选ECC - 128/256、RSA硬件加速引擎用于安全密钥交换。

1.2 应用广泛

CC2538的应用场景涵盖了多个领域，包括无线传感器网络、智能家居和建筑自动化、智能照明系统以及物联网等。在这些应用中，它能够凭借自身的高性能和低功耗特性，稳定地处理复杂的网络协议和应用任务。

1.3 详细描述

CC2538xFnn将强大的基于ARM Cortex - M3的MCU系统与片上RAM和闪存以及稳健的IEEE 802.15.4无线电相结合。32个通用输入输出端口（GPIO）和串行外设便于与其他电路板进行简单连接。强大的硬件安全加速器可实现快速高效的认证和加密，让CPU专注于应用任务。多个带数据保留功能的低功耗模式，能实现从睡眠状态快速启动，并在执行周期性任务时消耗最少的能量。此外，它还包含强大的调试系统和全面的驱动库，其ROM中包含实用函数库和串行引导加载程序，结合TI的Z - Stack软件解决方案，成为市场上功能强大且经过验证的ZigBee解决方案。

1.4 功能框图

从功能框图中可以更清晰地看到CC2538各个模块之间的连接和协作关系，有助于我们理解其工作原理和信号流程。

二、器件对比

CC2538系列有不同的型号，如CC2538SF53、CC2538SF23、CC2538NF53、CC2538NF23和CC2538NF11等。它们在闪存容量、RAM容量以及安全硬件配置上有所差异。例如，CC2538SF53和CC2538SF23具备AES/SHA和ECC/RSA安全硬件，而CC2538NF53和CC2538NF23只有AES/SHA安全硬件，CC2538NF11的闪存容量为128KB，RAM为16KB。在选择具体型号时，需要根据项目的实际需求，如存储容量要求、安全性能要求等来综合考虑。

DEVICE	FLASH(KB)	RAM(KB)	SECURITY HW AES/SHA	SECURITY HW ECC/RSA
CC2538SF53	512	32	Yes	Yes
CC2538SF23	256	32	Yes	Yes
CC2538NF53	512	32	Yes	No
CC2538NF23	256	32	Yes	No
CC2538NF11	128	16	Yes	No

三、终端配置和功能

3.1 引脚配置

CC2538采用56引脚的RTQ封装，其引脚功能丰富多样。包括模拟和数字电源引脚、USB相关引脚、JTAG调试引脚、GPIO引脚以及RF引脚等。例如，AVDD为2 - 3.6V模拟电源连接引脚，DVDD为2 - 3.6V数字电源连接引脚，PA0 - PA7为GPIO端口A的引脚，同时还承担着ROM引导加载程序的UART、SSI等功能。在设计电路板时，需要准确理解每个引脚的功能和电气特性，确保正确连接和使用。

NAME	NUMBER	PIN TYPE	DESCRIPTION
AVDD	33,36,39,40,41	Power (analog)	2 - V - 3.6 - V analog power - supply connection
AVDD GUARD	43	Power (analog)	2 - V - 3.6 - V analog power - supply connection
DCOUPL1	56	Power (digital)	1. - V regulated digital - supply decoupling capacitor
DCOUPL2	32	Power (digital)	1.8 - V regulated digital - supply decoupling capacitor. Short this pin to pin 56.
DGND_USB	1	Ground (USB pads)	USB ground
DVDD	10,15,24,55	Power (digital)	2 - V - 3.6 - V digital power - supply connection
DVDD_USB	4	Power (USB pads)	3.3 - V USB power - supply connection
JTAG TCK	47	Digital I/O	JTAG TCK
JTAG_ TMS	46	Digital I/O	JTAG TMS
PAO	16	Digital/analog V/O	GPIO port A pin 0. ROM bootloader UART RXD
...	...	...	...

四、规格参数

4.1 绝对最大额定值

在使用CC2538时，需要注意其绝对最大额定值。所有电源引脚的电压范围为 - 0.3V至3.9V，任何数字引脚的电压范围为 - 0.3V至VDD + 0.3V（且≤3.9V），输入RF电平最大为10dBm，存储温度范围为 - 40℃至125℃。超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

4.2 ESD额定值

该器件的静电放电（ESD）性能方面，人体模型（HBM）为 + 1kV，带电设备模型（CDM）所有引脚为 + 500V。在实际操作和电路板设计中，要采取适当的ESD防护措施，以避免ESD对器件造成损害。

4.3 推荐工作条件

推荐的工作环境温度范围为 - 40℃至125℃，工作电源电压为2V至3.6V。需要注意的是，CC2538包含上电复位（POR）模块和欠压检测器（BOD），但在最低的两种电源模式（PM2和PM3）下，BOD会断电，可能导致电压监控受限。因此，在设计系统电源时要格外小心，确保电源稳定。

4.4 电气特性

CC2538的电气特性涉及多个方面，如核心电流消耗、不同工作模式下的电流消耗等。在数字调节器开启、16 - MHz RCOSC运行且无无线电、晶体或外设激活时，核心电流消耗为7mA；当32 - MHz XOSC运行、无线电处于RX模式且输入功率为 - 50dBm、无外设激活、CPU空闲时，电流消耗为20mA。了解这些电气特性有助于我们在设计时合理规划电源，降低功耗。

4.5 一般特性

在唤醒和定时方面，从电源模式1到活动模式的唤醒时间为4µs，从电源模式2或3到活动模式的唤醒时间为136µs。RF频率范围可编程，步长为1MHz，在2394MHz至2507MHz之间，无线电波特率为250kbps，芯片速率为2MChip/s。闪存的擦除周期可达20k次，页面大小为2KB。这些特性对于系统的实时性和数据存储管理有着重要的影响。

4.6 RF接收和发射部分

RF接收部分的接收器灵敏度在正常工作条件下可达 - 97dBm，邻道抑制比表现出色，在5MHz和 - 5MHz通道间隔时均为44dB。RF发射部分的标称输出功率可达7dBm，可编程输出功率范围为30dB。这些参数决定了CC2538在无线通信中的接收和发射能力，对于构建稳定的无线通信网络至关重要。

4.7 晶体振荡器和RC振荡器

32 - MHz晶体振荡器的晶体频率为32MHz，频率精度要求为 - 40至40ppm，启动时间为0.3ms。32.768 - kHz晶体振荡器的晶体频率为32.768kHz，频率精度要求同样为 - 40至40ppm。16 - MHz RC振荡器的频率为16MHz，校准后频率精度可达 ± 0.6%。不同的振荡器在系统中发挥着不同的作用，合理选择和配置振荡器对于系统的稳定性和性能至关重要。

4.8 RSSI/CCA和FREQEST特性

RSSI范围为100dB，绝对未校准RSSI/CCA精度为 ± 4dB。FREQEST范围为 ± 250kHz，精度为 ± 10kHz。这些特性对于无线信号的强度测量和频率估计有着重要的作用，有助于实现更精准的无线通信。

4.9 频率合成器和模拟温度传感器

频率合成器的相位噪声在不同偏移频率下表现良好，如在 + 1MHz偏移时为 - 111dBc/Hz。模拟温度传感器在25℃时的输出为1422（12位ADC），温度系数为4.2/1℃。这些特性为系统的频率控制和温度监测提供了支持。

4.10 ADC特性

ADC具有多个输入通道和不同的分辨率设置。输入电压范围为0至VDD，有效位数（ENOB）在不同设置下有所不同，如单端输入12位设置时为10.8位。转换时间也会随着分辨率的提高而增加，12位设置时为132µs。ADC的这些特性使得CC2538能够准确地采集模拟信号。

4.11 控制输入AC和DC特性

控制输入AC特性方面，系统时钟频率在16MHz至32MHz之间，RESET_N低电平持续时间最短为1µs，中断脉冲持续时间最短为20ns。DC特性方面，逻辑0输入电压最大为0.5V，逻辑1输入电压最小为2.5V。这些特性确保了系统在不同信号输入下的正常工作。

4.12 USB接口DC特性

USB接口在VDD为3.6V且负载为4mA时，高电平输出电压为3.4V，低电平输出电压为0.2V。这对于实现USB通信的稳定性和兼容性非常重要。

4.13 热阻特性

RTQ封装的热阻特性包括结到外壳（顶部）、结到电路板、结到自由空气等不同情况下的热阻。了解这些热阻特性有助于我们在设计散热方案时，确保器件在合适的温度范围内工作。

五、应用、实现和布局

5.1 典型应用电路

CC2538的典型应用电路所需的外部组件较少。在USB接口部分，USB_P和USB_N引脚需要串联电阻R21和R31进行阻抗匹配，D + 线需要上拉电阻R32。同时，各种电容和电感用于RF匹配网络、晶体振荡器加载等。在设计电路板时，要严格按照推荐的组件值和连接方式进行布局，以确保系统的性能。

5.2 输入输出匹配

当使用不平衡天线（如单极天线）时，需要使用巴伦来优化性能，可以使用低成本的分立电感和电容实现。如果使用平衡天线（如折叠偶极子天线），则可以省略巴伦。这需要根据实际的天线类型进行合理的选择和设计。

5.3 晶体配置

32 - MHz晶体振荡器使用外部32 - MHz晶体XTAL1和两个加载电容C341和C351，32.768 - kHz晶体振荡器使用可选的32.768 - kHz晶体XTAL2和两个加载电容C441和C451。通过特定的公式计算晶体的负载电容，必要时使用串联电阻以满足等效串联电阻（ESR）要求。正确配置晶体对于系统的时钟稳定性至关重要。

5.4 电压调节器和电源滤波

片上1.8 - V电压调节器需要解耦电容（C561、C321）并在它们之间进行外部连接以稳定工作。同时，电源解耦和滤波对于实现最佳性能非常重要，TI提供了推荐的紧凑参考设计供我们参考。

六、器件和文档支持

6.1 开发支持

TI为CC2538提供了丰富的开发支持。软件方面，有Code Composer Studio™集成开发环境（IDE），包括编辑器、C/C++/汇编代码生成和调试功能，还有Scalable, Real - Time Foundation Software（DSP/BIOS™）提供基本的运行时目标软件。硬件方面，有Extended Development System（XDS™）仿真器。这些开发工具和软件为我们开发CC2538应用提供了便利。

6.2 文档支持

TI提供了一系列关于CC2538的文档，如CC2538 SoC的勘误表、应用笔记、用户指南等。同时，还有TI E2E™在线社区和TI嵌入式处理器Wiki等社区资源，方便我们与其他工程师交流和获取更多的技术信息。

6.3 其他信息

TI还提供了广泛的低成本、低功耗RF解决方案，包括RF收发器、RF发射器、RF前端和片上系统等，以及各种软件解决方案。此外，还有低功耗RF在线社区和开发者网络，为我们提供技术支持和合作机会。

七、机械封装和可订购信息

CC2538有多种可订购的部件编号，如CC2538NF11RTQR、CC2538NF23RTQR等，采用QFN（RTQ）封装，引脚数为56。不同的部件编号在状态、材料类型、包装数量、载具、RoHS合规性等方面可能存在差异。在选择和订购时，需要根据项目的具体要求进行选择。

总之，CC2538凭借其强大的性能、丰富的功能和完善的支持体系，在2.4GHz无线应用领域具有很大的优势。作为电子工程师，我们可以充分利用CC2538的特性，设计出更加优秀的无线通信产品。大家在使用CC2538的过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。