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基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件设计(2)

基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件设计(2)

2.3 CC2430射频模块
   
CC2430射频模块部分的设计如图5所示。在本设计中,CC2430除P2.3和P2.4引脚预留外接晶振外,P0.0至P2.2引脚全部引出作为接口。


    RF输入输出采用高阻抗差分式,引脚分别为RF_n与RF_p。
    本设计采用单极天线,为了获得最好的通信性能,应采用非平衡变压器,以达到阻抗匹配的作用。
    如图5所示,分立器件L321、L331、L341以及C341构成非平衡变压器,用来连接差分输出端和单极天线。由于天线距离RF引脚有一段距离,所以需要针对天线到RF引脚的反馈传输线设计阻抗匹配。由于是单极天线,所以匹配阻抗为50 Ω,这部分阻抗由非平衡变压器和PCB微带传输线组成,λ为PCB传输线上微波波长,微带传输线实际上就是λ/2阻抗匹配。
    TXRX_SWITCH是一个模拟电源输出引脚,可为CC2430内部的低噪声放大器(LNA)和功率放大器(PA)提供校准电压。此引脚必须通过外接DC电路连接至RF_n和RF_p引脚。当CC2430处于接收状态时,TXRX SWITCH内部接地,为LNA提供偏置电压,引脚上可得到低电平;当芯片处于发送状态时,TXRX SWITCH内部接供电电压,为PA提供偏置电压,引脚上可测得高电平。另外,该电路的外接天线采用SMA接口。

3 外围扩展电路
   
以CC2430为核心的无线传感器网络节点在实际使用中,可配备相应外围电路,主要包括外部电源电路、显示与按键电路、串口与USB通信电路等。通过这些电路,可对射频与主控模块进行相应的开发与调试。
3.1 外部电源电路
   
本设计的电源电路主要由TPS79533低压稳压器及其外围器件组成。TPS79533输出3.3 V电压,其输入电压范围是2.7~5.5 V,并具有较高的电源抑制比、超低噪声、较好的电压线性和负载瞬态效应以及较小的电压漂移。其具体电路如图6所示。


3.2 液晶显示与键盘电路
3.2.1 液晶显示电路
   
液晶显示电路可采用128x64点阵式液晶显示器,同时,为节约主控芯片I/O口资源,采用了串/并口转换芯片74HC595d。具体电路如图7所示。


    为了使液晶显示器具备合适的背光亮度,还可在设计中采用相应的放大管,如9015来驱动液晶显示器背光显示。

3.2.2 键盘电路
   
本设计可通过按键电路调节各种参数,并通过液晶显示电路显示。如图8所示,键盘具备上、下、左、右、确定、退出6个按键,其中,方向按键的电路为分压电路,其分压值输入的P0.6端子。该I/O口具备A/D转换的功能,可通过软件实现键盘功能,从而节约了I/O口资源。


3.3 通信电路
   
通信电路负责节点与PC机之间的数据收发,以实现数据下载、调试等功能。CC2430采用RS232通信模式,具体电路如图9所示。本设计采用经典设计的RS232电路,控制芯片采用了广泛使用的SP3223E,其RXD1与TXD1引脚可与CC2430的P0.2与P0.3引脚直接相连接。


    需要注意的是,在实际使用中,大家经常采用笔记本电脑对节点进行在线调试和程序下载等操作,而笔记本电脑一般不具备串口,需要外接USB-RS232转换电路。笔者发现,在转换电路的选取上,市面上存在基于PL2602、SP3223E等器件的转换电路可以选择。PL2602虽然价格便宜,但并不适应CC2430的高比特率传输,而SP3223E虽然价格较贵,但对CC2430的支持较好,这也是在实际使用中需要注意的。

4 硬件工艺特点
   
由于以CC2430为核心的无线传感器网络节点工作在2.4 GHz的高频环境中,因此对其EMI要求较高。无线传感器网络节点的PCB也有相应的具体设计要求。
    由于射频模块工作频率高,在具体的PCB设计中,根据TI公司的相关文档,可使用双层PCB。如果希望减小PCB尺寸,也可采取4层PCB设计。其具体要求如下:
    (1)若采用双层PCB设计,则顶层用于元件的放置与信号连接,通过大面积敷铜,以降低干扰。
    (2)电源滤波要求较高,退耦电容器应尽可能靠近供电引脚,并且通过单独的过孔连接到印刷电路板的接地面。
    (3)芯片的接地引脚,距离使用单独过孔的封装引脚越近越好,以减小干扰。
    (4)外接元件越小越好,必须使用表面贴装器件,具体设计可使用0603或0402封装的贴片元器件。
    (5)如果在PCB上要使用高速外接数字设备,那么必须避开RF电路。
    (6)系统应采用大规模接地方式,以消除干扰。可将PCB底层设计为接地层。

5 结语
   
本文介绍了无线传感器网络的组成单元,基于CC2430的无线传感器网络节点及其外围扩展电路的硬件设计和实现方案,并介绍了各个硬件模块的设计方案和工作原理。其中,详细介绍了控制器与射频模块电路和外围扩展电路,包括外部电源电路、液晶显示与键盘电路、通信电路,并介绍了本设计在PCB设计时应注意的相关工艺要点。该设计在实际使用过程中性能稳定,工作良好,对同类型的,基于2.4 GHz频段的高频电路设计具有一定的指导意义。
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