基于ZigBee與51內(nèi)核的射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

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摘要：ZigBee是一種基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。文中介紹了一種基于Zig Bee與51內(nèi)核的高頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)介紹了其各組成模塊的設(shè)計(jì)原理。該設(shè)計(jì)以Chipcon公司的CC2430為基礎(chǔ)，可應(yīng)用于基于ZigBee協(xié)議的各種軟硬件開發(fā)。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2430；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；51內(nèi)核
0 引言
近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，由于2．4 GHz通信頻段免費(fèi)、開放等特性，各種基于該頻段的通信協(xié)議，如Wi—Fi、藍(lán)牙等技術(shù)已相當(dāng)成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。ZigBee是一種基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議基于2．4 GHz頻段，是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)，近年來廣泛應(yīng)用于各種射頻通信領(lǐng)域，如區(qū)域定位、視距數(shù)據(jù)傳輸、物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽、車用無線電子設(shè)備等。以Chipcon公司基于ZigBee協(xié)議的系列產(chǎn)品為代表的SOC(片上系統(tǒng))也日趨成熟。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)成本低廉、性能穩(wěn)定、功能齊全的開發(fā)系統(tǒng)一直是相關(guān)研究的一個(gè)重要組成。本文將介紹一種基于ZigBee與51內(nèi)核的射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)圍繞Chipcon公司的CC2430芯片，該芯片滿足ZigBee協(xié)議的物理層要求，并集成了一個(gè)51內(nèi)核的MCU，價(jià)格低廉，具備很好的開發(fā)潛力。設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，能夠應(yīng)用于各種基于ZigBee協(xié)議的軟硬件開發(fā)。本文將詳細(xì)介紹其各模塊的設(shè)計(jì)方法與原理。
1 系統(tǒng)總體框架
該系統(tǒng)總體上分為兩個(gè)部分：第一部分是控制器與射頻模塊部分：第二部分是外圍擴(kuò)展電路部分。具體的系統(tǒng)框架圖如圖1所示。


2 控制器與射頻模塊設(shè)計(jì)方案
主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的全面調(diào)度與控制。考慮到設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的便利性、系統(tǒng)的集成性等特點(diǎn)，主控電路除具備數(shù)據(jù)的處理能力外，還能夠存儲(chǔ)一定量的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用了基于ZigBee技術(shù)的射頻芯片CC2430為核心。該器件集成了51內(nèi)核的MCU控制器與RF收發(fā)器，因此控制器模塊與射頻模塊部分采用了整體設(shè)計(jì)模式。同時(shí)，片上還具備FLASH存儲(chǔ)器，能方便地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。該器件體積小，性能穩(wěn)定，運(yùn)算速度快，可擴(kuò)展性能好，能較好滿足本設(shè)計(jì)的各種需要。
2．1 CC2430控制器電路配置
在本設(shè)計(jì)中，主控單元承擔(dān)外圍器件擴(kuò)展與控制、A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋�CC2430屬于高度集成的SOC系統(tǒng)，其I／O口設(shè)計(jì)緊湊，并具備復(fù)用功能，因此，在設(shè)計(jì)中需要盡量節(jié)約I／O口的使用，必要時(shí)可對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，設(shè)計(jì)還應(yīng)具備在線下載與調(diào)試功能，以方便工程應(yīng)用的需要。
2．1．1 I／O口配置
CC2430具有21個(gè)數(shù)字I／O口引腳，即P0、P1、P2。它們均是8位I／O口。每個(gè)口都可以單獨(dú)設(shè)置為通用I／O或外部設(shè)備I／O。除了兩個(gè)高輸出口P1_0和P1_1之外，其余均用于輸出。本設(shè)計(jì)相關(guān)I／O口通過插接件形式進(jìn)行預(yù)留，以方便不同場(chǎng)合使用及擴(kuò)展，具體如圖2所示。

2．1．2 調(diào)試接口
本設(shè)計(jì)CC2430具備在線調(diào)試與下載功能，可根據(jù)需要進(jìn)行自由配置。圖3所示是CC2430調(diào)試接口圖，該接口通過調(diào)試接口引腳P2．2與P2．1組成，它們分別用作調(diào)試時(shí)鐘與調(diào)試數(shù)據(jù)信號(hào)引腳。　

2．2 時(shí)鐘與復(fù)位
CC2430的晶振采用二級(jí)設(shè)計(jì)，一級(jí)是32 MHz，另一級(jí)是32．768 kHz。在CC2430整機(jī)工作模式下(PM0)，這兩種晶振需共同工作；而在PM1和PM2電源模式下(省電模式)，只有32．768 kHz晶振工作；在PM3模式下，兩者全關(guān)。同時(shí)，在RBIAS1和RBIAS2(22、26引腳)引腳上須外接1％精密電阻，為32 MHz晶振提供精確偏置電流的具體電路如圖4所示。

CC2430具備上電復(fù)位功能，也可采用手動(dòng)復(fù)位。只需要將第10引腳RESETn強(qiáng)行拉至低電平，即可完成復(fù)位。
2．3 CC2430射頻模塊
CC2430射頻模塊部分的設(shè)計(jì)如圖5所示。在本設(shè)計(jì)中，CC2430除P2.3和P2．4引腳預(yù)留外接晶振外，P0.0至P2.2引腳全部引出作為接口。

RF輸入輸出采用高阻抗差分式，引腳分別為RF_n與RF_p。
本設(shè)計(jì)采用單極天線，為了獲得最好的通信性能，應(yīng)采用非平衡變壓器，以達(dá)到阻抗匹配的作用。
如圖5所示，分立器件L321、L331、L341以及C341構(gòu)成非平衡變壓器，用來連接差分輸出端和單極天線。由于天線距離RF引腳有一段距離，所以需要針對(duì)天線到RF引腳的反饋傳輸線設(shè)計(jì)阻抗匹配。由于是單極天線，所以匹配阻抗為50 Ω，這部分阻抗由非平衡變壓器和PCB微帶傳輸線組成，λ為PCB傳輸線上微波波長，微帶傳輸線實(shí)際上就是λ／2阻抗匹配。
TXRX_SWITCH是一個(gè)模擬電源輸出引腳，可為CC2430內(nèi)部的低噪聲放大器(LNA)和功率放大器(PA)提供校準(zhǔn)電壓。此引腳必須通過外接DC電路連接至RF_n和RF_p引腳。當(dāng)CC2430處于接收狀態(tài)時(shí)，TXRX SWITCH內(nèi)部接地，為LNA提供偏置電壓，引腳上可得到低電平；當(dāng)芯片處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，TXRX SWITCH內(nèi)部接供電電壓，為PA提供偏置電壓，引腳上可測(cè)得高電平。另外，該電路的外接天線采用SMA接口。
3 外圍擴(kuò)展電路
以CC2430為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在實(shí)際使用中，可配備相應(yīng)外圍電路，主要包括外部電源電路、顯示與按鍵電路、串口與USB通信電路等。通過這些電路，可對(duì)射頻與主控模塊進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)與調(diào)試。
3．1 外部電源電路
本設(shè)計(jì)的電源電路主要由TPS79533低壓穩(wěn)壓器及其外圍器件組成。TPS79533輸出3．3 V電壓，其輸入電壓范圍是2．7～5．5 V，并具有較高的電源抑制比、超低噪聲、較好的電壓線性和負(fù)載瞬態(tài)效應(yīng)以及較小的電壓漂移。其具體電路如圖6所示。

3．2 液晶顯示與鍵盤電路
3．2．1 液晶顯示電路
液晶顯示電路可采用128x64點(diǎn)陣式液晶顯示器，同時(shí)，為節(jié)約主控芯片I／O口資源，采用了串／并口轉(zhuǎn)換芯片74HC595d。具體電路如圖7所示。

為了使液晶顯示器具備合適的背光亮度，還可在設(shè)計(jì)中采用相應(yīng)的放大管，如9015來驅(qū)動(dòng)液晶顯示器背光顯示。
3．2．2 鍵盤電路
本設(shè)計(jì)可通過按鍵電路調(diào)節(jié)各種參數(shù)，并通過液晶顯示電路顯示。如圖8所示，鍵盤具備上、下、左、右、確定、退出6個(gè)按鍵，其中，方向按鍵的電路為分壓電路，其分壓值輸入CC2430的P0．6端子。該I／O口具備A／D轉(zhuǎn)換的功能，可通過軟件實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，從而節(jié)約了I／O口資源。

3．3 通信電路
通信電路負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、調(diào)試等功能。CC2430采用RS232通信模式，具體電路如圖9所示。本設(shè)計(jì)采用經(jīng)典設(shè)計(jì)的RS232電路，控制芯片采用了廣泛使用的SP3223E，其RXD1與TXD1引腳可與CC2430的P0．2與P0．3引腳直接相連接。

需要注意的是，在實(shí)際使用中，大家經(jīng)常采用筆記本電腦對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行在線調(diào)試和程序下載等操作，而筆記本電腦一般不具備串口，需要外接USB-RS232轉(zhuǎn)換電路。筆者發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)換電路的選取上，市面上存在基于PL2602、SP3223E等器件的轉(zhuǎn)換電路可以選擇。PL2602雖然價(jià)格便宜，但并不適應(yīng)CC2430的高比特率傳輸，而SP3223E雖然價(jià)格較貴，但對(duì)CC2430的支持較好，這也是在實(shí)際使用中需要注意的。
4 硬件工藝特點(diǎn)
由于以CC2430為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在2．4 GHz的高頻環(huán)境中，因此對(duì)其EMI要求較高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的PCB也有相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)要求。
由于射頻模塊工作頻率高，在具體的PCB設(shè)計(jì)中，根據(jù)TI公司的相關(guān)文檔，可使用雙層PCB。如果希望減小PCB尺寸，也可采取4層PCB設(shè)計(jì)。其具體要求如下：
(1)若采用雙層PCB設(shè)計(jì)，則頂層用于元件的放置與信號(hào)連接，通過大面積敷銅，以降低干擾。
(2)電源濾波要求較高，退耦電容器應(yīng)盡可能靠近供電引腳，并且通過單獨(dú)的過孔連接到印刷電路板的接地面。
(3)芯片的接地引腳，距離使用單獨(dú)過孔的封裝引腳越近越好，以減小干擾。
(4)外接元件越小越好，必須使用表面貼裝器件，具體設(shè)計(jì)可使用0603或0402封裝的貼片元器件。
(5)如果在PCB上要使用高速外接數(shù)字設(shè)備，那么必須避開RF電路。
(6)系統(tǒng)應(yīng)采用大規(guī)模接地方式，以消除干擾。可將PCB底層設(shè)計(jì)為接地層。
5 結(jié)語
本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成單元，基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其外圍擴(kuò)展電路的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，并介紹了各個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)方案和工作原理。其中，詳細(xì)介紹了控制器與射頻模塊電路和外圍擴(kuò)展電路，包括外部電源電路、液晶顯示與鍵盤電路、通信電路，并介紹了本設(shè)計(jì)在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的相關(guān)工藝要點(diǎn)。該設(shè)計(jì)在實(shí)際使用過程中性能穩(wěn)定，工作良好，對(duì)同類型的，基于2．4 GHz頻段的高頻電路設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。