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基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點通信模塊設計
黃玉立,童 玲,,田 雨 電子科技大學
摘要: 本文介紹一種基于核心芯片CC2531的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計,應用TI公司的2.4 GHz的射頻前端芯片CC2591來提高無線通信部分的發(fā)射功率,,進一步改善其接收靈敏度,從而延長通信距離,。
Abstract:
Key words :

引言
    隨著社會的需求,,無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network,WSN)以其低復雜度,、低成本,、低功耗、網(wǎng)絡節(jié)點多等優(yōu)點,,在實際生活中的應用越來越廣泛,。尤其是一些片上系統(tǒng)(SoC)的出現(xiàn),,大大降低了無線傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)難度,。在應用這些片上系統(tǒng)進行無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)時,由于片上系統(tǒng)本身的無線通信部分的發(fā)射功率都很小(如CC2531的發(fā)射功率只有4.5 dBm),,加上其接收靈敏度也固定在一定水平,,這樣就限制了無線傳感器網(wǎng)絡的通信距離,常見的傳輸距離為幾百米不等,。而在一些特定的應用環(huán)境中,,要求網(wǎng)絡節(jié)點間的安放距離達到一公里以上甚至更遠。
    本文介紹一種基于核心芯片CC2531的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計,,應用TI公司的2.4 GHz的射頻前端芯片CC2591來提高無線通信部分的發(fā)射功率,,進一步改善其接收靈敏度,從而延長通信距離,。

1 核心芯片介紹
1.1 CC2531
    CC2531是TI公司推出的具有USB功能的用于IEEE 802.15.4,、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點,。CC2531集成了2.4 G.Hz的RF收發(fā)器,、增強工業(yè)標準的8051 MCU、在系統(tǒng)可編程的256 KB Flash,、8 KB RAM和許多其他強大的功能,;發(fā)射功率為4.5 dBm(可調(diào)),接收機的接收靈敏度為-97 dBm,。
1.2 CC2591
    CC2591是TI公司推出的工作在2.4 GHz,,面向低功耗與低電壓無線應用,集成度很高的射頻前端芯片,。CC2591的內(nèi)部集成功率放大器(PA)的增益為22 dB,,最大發(fā)射功率為+22 dBm(輸入+5 dBm),,輸出1 dB壓縮點+19 dBm,接收部分內(nèi)部集成的LNA分高低接收增益分別為11 dBm,、1 dBm,,噪聲系數(shù)為4.8 dB,接收靈敏度改善6 dB,。

2 總體設計
    根據(jù)設計要求,,系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。核心芯片CC2531結合其外圍電路(如晶振,、A/D基準電壓,、存儲器、傳感器及調(diào)試接口等),,加上必需的電源模塊以及射頻前端芯片CC2591,,構成了本方案的硬件系統(tǒng)。在應用于不同的領域時,,對應的傳感器,、電源、A/D基準電壓,、存儲器等均可進行相應的調(diào)整,。CC2531和CC2591部分的硬件設計則較為固定。

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3 性能參數(shù)預算
3.1 發(fā)射功率預算
    根據(jù)CC2531和CC2591的數(shù)據(jù)手冊可知:CC2531RF端口的發(fā)射功率最大為+4.5 dBm,,修改TXPOWER寄存器的值可調(diào)節(jié)其發(fā)射功率,,范圍為-22~+4.5dBm。連接CC2591后,,CC2591發(fā)射模式下PA增益最大為22 dB,,則對應的發(fā)射功率范圍為+22~10 dBm(最大值由PA本身決定,最小值可以更小),。綜合考慮其PA的1 dBm壓縮點(19 dBm)和系統(tǒng)功耗等因素,,設定其TX-POWER=0xD5,即CC2531的輸出功率為1 dBm,,CC2591
的發(fā)射功率為19 dBm是較理想的大功率輸出參考設定(僅供參考,,實際中可能會有變化)。
3.2 接收靈敏度估算
    CC2591處于接收高增益模式時,,HGM=1,,其外部天線連同內(nèi)部T/R選擇器到內(nèi)部LNA的噪聲系數(shù)NF為4.8 dB,后端CC2531內(nèi)部可解析的信號的信噪比SNR為3 dB(保證誤碼率在一定水平),,單信道發(fā)射接收帶寬BW可設為1 MHz或5 MHz,。根據(jù)公式,當正常室溫T0=290 K時,,1 Hz帶寬的噪聲功率為N0=-174 dBm,,接收靈敏度S=-174 dBm+NF+SNR+10log(BW),。
    代入?yún)?shù)可得:接收帶寬5 MHz時,接收靈敏度S=-99.2 dBm,。
3.3 通信距離估算
    在現(xiàn)實環(huán)境中,,任意兩點之間通信,環(huán)境給傳輸波帶來的損耗一般無法定量估算,,而且根據(jù)環(huán)境變化千差萬別,。在不考慮外界影響和傳輸損耗,電磁波在理想情況下傳播的條件下,,無線通信傳輸距離的計算公式如下:
    Loss=32.44+20lgd+201gFreq
    天線增益暫不考慮(需要根據(jù)實際購買天線參數(shù)而定),。鏈路損耗預算Loss為118.2 dBm(不計非理想損耗),頻率Freq以CC2531的RF中心頻率2450 MHz計算,,可得無線通信傳輸距離d=7.93 km,。實際應用中達不到這個距離,此值僅供參考,。

4 無線通信模塊原理
    在整體框圖中提到的CC2531的主要外圍電路這里不再介紹,,CC2531和CC2591的連接電路如圖2所示。其中包括芯片間RF差分信號線的匹配鏈路,、RF信號到天線的匹配電路,、CC2591控制信號線,,以及電源的退耦濾波部分,。
    其中,供電線的退耦濾波部分,,B1為磁珠,,選擇時應注意其有效濾波的頻率范圍;同時,,其他元器件也要選擇應用于高頻的電容,、電感等。RF信號到天線的匹配電路部分,,天線的連接端口使用SMA接口(母頭),,用于電路測量時可以使頻譜儀和矢量網(wǎng)絡分析儀的接入更方便,同樣可以接帶對應SMA接頭的天線,。對于CC2591的3個使能控制,,分配如下:P0.1→HGM_EN,P1.1→PA_EN,,P1.4→LNA_EN,。其中,控制HGM_ EN的P0.1可以由任意的GPIO代替,,另外兩個則不能變動,。它們要分別映射到系統(tǒng)協(xié)議棧內(nèi)部接口和寄存器,。

5 PCB電路實現(xiàn)
    相比于原理圖的設計,在實際設計和生產(chǎn)PCB電路板時將遇到更多,、更實際的問題,。根據(jù)圖2給出的原理圖,設計出射頻信號線部分的布線,。圖3展示的為芯片間的射頻差分走線,,圖4展示的為CC2591連接天線的射頻走線。    圖3和圖4主要展示了射頻走線部分的布線設計,,采用射頻中最常見的孤島式布線,。因其工作頻率在2.4GHz,且最大功率達到20 dBm的水平,,在原理圖中看不到很多反射,,但是在PCB中可能由于布線的不合理造成部分地方的較大反射、能量的堆積,,導致設計和生產(chǎn)的失敗,。因此,所有的RF信號線盡量設計成直線式,。

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    天線連接部分選用SMA接頭,。圖4中,連接元件B8和SMA接頭的部分為50 Ω微帶線,,實際生產(chǎn)中要進行阻抗控制,。最后是表面鋪銅地的設計,要保證射頻信號的良好接地,。
    PCB設計完成實際投產(chǎn)過程中,,由于介電常數(shù)和介質(zhì)高度等參數(shù)不能理想地按照預想設定,不可避免地會存在偏差,,所以要時刻注意其參數(shù)變化,,及時調(diào)整。
    設定單信道發(fā)送,,CC2531內(nèi)部TXPOWER=0xD5(典型發(fā)射功率+1 dBm),,測量出中心頻點在2.401 GHz時,功率為+19.21 dBm,。雖然受其他因素影響,,此結果比預定的輸出功率偏大,但是可以接受,。結果證明,,該系統(tǒng)中射頻鏈路部分的傳輸較為理想,在實際電路中的反射和損耗控制在工程可接受范圍之內(nèi),。對應的接收鏈路,,也可預測出其反射和損耗是可以接受的,。

結語
    根據(jù)實際要求,設計和生產(chǎn)了以增大發(fā)射功率來延長傳輸距離的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點,。由測量得到的數(shù)據(jù)可知,,加入功率放發(fā)單元確實大大地提升了節(jié)點的發(fā)射功率。由于受設備和測量條件的限制,,對一些其他參數(shù)的測量并未進行,,這是日后要完善的地方,對于電路的改進也是日后工作的重點之一,。
 

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