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,，方案設(shè)計(jì)了一個(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,。本文將提出一種基于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)方案,。該設(shè)計(jì)方案圍繞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)方案采用了模塊化設(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)。本方案將詳細(xì)介紹其各模塊的原理與設(shè)計(jì)方法,。

 

　　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?？紤]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?。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(zhǎng)，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L(zhǎng)NA 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128×64 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：

 

　?。?） 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。

 

　?。?） 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,。

 

　?。?） 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。

 

　?。?）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。

 

　?。?） 系統(tǒng)應(yīng)采用大規(guī)模接地方式,，以消除干擾?？蓪CB 底層設(shè)計(jì)為接地層,。

 

　　5 結(jié) 語

 

　　本文先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成單元，并提出了一種基于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)方案,， 方案介紹了各個(gè)硬件模塊的工作原理和設(shè)計(jì)方法。其中,，方案詳細(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,，并介紹了本方案在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的相關(guān)工藝要點(diǎn)。該方案在實(shí)際使用過程中性能穩(wěn)定,，工作良好,，對(duì)同類型的設(shè)計(jì)方案也具有一定的指導(dǎo)意義。