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基于ZigBee與51內核的射頻無線傳感器網絡節點設計方案
來源:電子技術網
作者:余謙
摘要: ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的個域網協議,是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通信技術。文中提出了一種基于ZigBee與51內核的高頻無線傳感器網絡節點的硬件設計方案,方案中詳細介紹了其各組成模塊的設計原理。并且該方案以Chipcon公司的CC2430為基礎,可應用于基于ZigBee協議的各種軟硬件開發。
關鍵詞: 無線網絡 CC2430 ZigBee MCU
Abstract:
Key words :

  0 引 言

 
  近年來,無線傳感器網絡技術得到了飛速發展,由于2.4 GHz 通信頻段免費、開放等特性,各種基于該頻段的通信協議,如Wi-Fi、藍牙等技術已相當成熟,并得到了廣泛應用。ZigBee 是一種基于IEEE802.15.4 標準的低功耗個域網協議,該協議基于2.4 GHz 頻段,是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通信技術,近年來廣泛應用于各種射頻通信領域,如區域定位、視距數據傳輸、物聯網標簽、車用無線電子設備等。
 
  以Chipcon 公司基于ZigBee 協議的系列產品為代表的SOC(片上系統)也日趨成熟。因此,方案設計了一個成本低廉、性能穩定、功能齊全的開發系統一直是相關研究的一個重要組成。本文將提出一種基于ZigBee 與51 內核的射頻無線傳感器網絡節點硬件設計方案。該設計方案圍繞Chipcon 公司的CC2430芯片,該芯片滿足ZigBee 協議的物理層要求,并集成了一個51 內核的MCU,價格低廉,具備很好的開發潛力。設計方案采用了模塊化設計方法,能夠應用于各種基于ZigBee 協議的軟硬件開發。本方案將詳細介紹其各模塊的原理與設計方法。
 
  1 系統總體框架
 
  該系統總體上分為兩個部分:第一部分是控制器與射頻模塊部分;第二部分是外圍擴展電路部分。具體的系統框架圖如圖1 所示。
 
  
 
  2 控制器與射頻模塊設計方案
 
  主控電路是整個系統的核心,它負責整個節點的全面調度與控制。考慮到設備運行維護的便利性、系統的集成性等特點,主控電路除具備數據的處理能力外,還能夠存儲一定量的數據。本設計采用了基于ZigBee 技術的射頻芯片CC2430為核心。該器件集成了51 內核的MCU 控制器與RF 收發器,因此控制器模塊與射頻模塊部分采用了整體設計模式。同時,片上還具備FLASH 存儲器,能方便地存儲數據。該器件體積小,性能穩定,運算速度快,可擴展性能好,能較好滿足本設計的各種需要。
 
  2.1 CC2430 控制器電路配置
 
  在本設計中,主控單元承擔外圍器件擴展與控制、A/D轉換、數據傳輸等功能。CC2430 屬于高度集成的SOC 系統,其I/O 口設計緊湊,并具備復用功能,因此,在設計中需要盡量節約I/O 口的使用,必要時可對其進行擴展。同時,設計還應具備在線下載與調試功能,以方便工程應用的需要。
 
  2.1.1 I/O口配置
 
  CC2430 具有21 個數字I/O 口引腳,即P0、P1、P2.它們均是8 位I/O 口。每個口都可以單獨設置為通用I/O 或外部設備I/O.除了兩個高輸出口P1_0 和P1_1 之外,其余均用于輸出。本設計相關I/O 口通過插接件形式進行預留,以方便不同場合使用及擴展,具體如圖2 所示。
 
  
 
  2.1.2 調試接口
 
  本設計CC2430 具備在線調試與下載功能,可根據需要進行自由配置。圖3 所示是CC2430 調試接口圖,該接口通過調試接口引腳P2.2 與P2.1 組成,它們分別用作調試時鐘與調試數據信號引腳。
 
 
  2.2 時鐘與復位
 
  CC2430 的晶振采用二級設計,一級是32 MHz,另一級是32.768 kHz.在CC2430 整機工作模式下(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。同時,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 具備上電復位功能,也可采用手動復位。只需要將第10 引腳RESETn 強行拉至低電平,即可完成復位。
 
  
 
  2.3 CC2430 射頻模塊
 
  CC2430 射頻模塊部分的設計如圖5 所示。在本設計中,CC2430 除P2_3 和P2_4 引腳預留外接晶振外,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.
 
  本設計采用單極天線,為了獲得最好的通信性能,應采用非平衡變壓器,以達到阻抗匹配的作用。
 
  如圖5 所示,分立器件L321、L331、L341 以及C341 構成非平衡變壓器,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,所以需要針對天線到RF 引腳的反饋傳輸線設計阻抗匹配。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,微帶傳輸線實際上就是λ/2 阻抗匹配。
 
  
 
  TXRX_SWITCH 是一個模擬電源輸出引腳, 可為CC2430 內部的低噪聲放大器(LNA)和功率放大器(PA)提供校準電壓。此引腳必須通過外接DC 電路連接至RF_n 和RF_p 引腳。當CC2430 處于接收狀態時,TXRX_SWITCH內部接地,為LNA 提供偏置電壓,引腳上可得到低電平;當芯片處于發送狀態時,TXRX_SWITCH 內部接供電電壓,為PA 提供偏置電壓,引腳上可測得高電平。另外,該電路的外接天線采用SMA 接口。
 
  3 外圍擴展電路
 
  以CC2430 為核心的無線傳感器網絡節點在實際使用中,可配備相應外圍電路,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,可對射頻與主控模塊進行相應的開發與調試。
 
  3.1 外部電源電路
 
  本設計的電源電路主要由TPS79533 低壓穩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載瞬態效應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128×64 點陣式液晶顯示器,同時,為節約主控芯片I/O 口資源,采用了串/ 并口轉換芯片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,還可在設計中采用相應的放大管,如9015 來驅動液晶顯示器背光顯示。
 
  3.2.2 鍵盤電路
 
  本設計可通過按鍵電路調節各種參數,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 轉換的功能,可通過軟件實現鍵盤功能,從而節約了I/O 口資源。
 
 
  3.3 通信電路
 
  通信電路負責節點與PC 機之間的數據收發,以實現數據下載、調試等功能。CC2430 采用RS232 通信模式,具體電路如圖9 所示。本設計采用經典設計的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,在實際使用中,大家經常采用筆記本電腦對節點進行在線調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 轉換電路。筆者發現,在轉換電路的選取上,市面上存在基于PL2602、SP3223E 等器件的轉換電路可以選擇。PL2602 雖然價格便宜,但并不適應CC2430 的高比特率傳輸,而SP3223E 雖然價格較貴,但對CC2430 的支持較好,這也是在實際使用中需要注意的。 
 
  4 硬件工藝特點
 
  由于以CC2430 為核心的無線傳感器網絡節點工作在2.4 GHz 的高頻環境中,因此對其EMI 要求較高。無線傳感器網絡節點的PCB 也有相應的具體設計要求。
 
  由于射頻模塊工作頻率高,在具體的PCB 設計中,根據TI 公司的相關文檔,可使用雙層PCB.如果希望減小PCB 尺寸,也可采取4 層PCB 設計。其具體要求如下:
 
  (1) 若采用雙層PCB 設計,則頂層用于元件的放置與信號連接,通過大面積敷銅,以降低干擾。
 
  (2) 電源濾波要求較高,退耦電容器應盡可能靠近供電引腳,并且通過單獨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,具體設計可使用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字設備,那么必須避開RF 電路。
 
  (6) 系統應采用大規模接地方式,以消除干擾。可將PCB 底層設計為接地層。
 
  5 結 語
 
  本文先介紹了無線傳感器網絡的組成單元,并提出了一種基于CC2430的無線傳感器網絡節點及其外圍擴展電路的硬件設計方案, 方案介紹了各個硬件模塊的工作原理和設計方法。其中,方案詳細介紹了控制器與射頻模塊電路和外圍擴展電路,包括外部電源電路、液晶顯示與鍵盤電路、通信電路,并介紹了本方案在PCB 設計時應注意的相關工藝要點。該方案在實際使用過程中性能穩定,工作良好,對同類型的設計方案也具有一定的指導意義。
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