基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点设计方案 传感器, 网络, 无线

forsuccess

0 引 言
　　近年来，无线传感器网络技术得到了飞速发展，由于2.4 GHz 通信频段免费、开放等特性，各种基于该频段的通信协议，如Wi-Fi、蓝牙等技术已相当成熟，并得到了广泛应用。ZigBee 是一种基于IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议，该协议基于2.4 GHz 频段，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术，近年来广泛应用于各种射频通信领域，如区域定位、视距数据传输、物联网标签、车用无线电子设备等。
　　以Chipcon 公司基于ZigBee 协议的系列产品为代表的SOC（片上系统）也日趋成熟。因此，方案设计了一个成本低廉、性能稳定、功能齐全的开发系统一直是相关研究的一个重要组成。本文将提出一种基于ZigBee 与51 内核的射频无线传感器网络节点硬件设计方案。该设计方案围绕Chipcon 公司的CC2430芯片，该芯片满足ZigBee 协议的物理层要求，并集成了一个51 内核的MCU，价格低廉，具备很好的开发潜力。设计方案采用了模块化设计方法，能够应用于各种基于ZigBee 协议的软硬件开发。本方案将详细介绍其各模块的原理与设计方法。
　　1 系统总体框架
　　该系统总体上分为两个部分：第一部分是控制器与射频模块部分；第二部分是外围扩展电路部分。具体的系统框架图如图1 所示。

　　

　　2 控制器与射频模块设计方案
　　主控电路是整个系统的核心，它负责整个节点的全面调度与控制。考虑到设备运行维护的便利性、系统的集成性等特点，主控电路除具备数据的处理能力外，还能够存储一定量的数据。本设计采用了基于ZigBee 技术的射频芯片CC2430为核心。该器件集成了51 内核的MCU 控制器与RF 收发器，因此控制器模块与射频模块部分采用了整体设计模式。同时，片上还具备FLASH 存储器，能方便地存储数据。该器件体积小，性能稳定，运算速度快，可扩展性能好，能较好满足本设计的各种需要。
　　2.1 CC2430 控制器电路配置
　　在本设计中，主控单元承担外围器件扩展与控制、A/D转换、数据传输等功能。CC2430 属于高度集成的SOC 系统，其I/O 口设计紧凑，并具备复用功能，因此，在设计中需要尽量节约I/O 口的使用，必要时可对其进行扩展。同时，设计还应具备在线下载与调试功能，以方便工程应用的需要。
　　2.1.1 I/O口配置
　　CC2430 具有21 个数字I/O 口引脚，即P0、P1、P2.它们均是8 位I/O 口。每个口都可以单独设置为通用I/O 或外部设备I/O.除了两个高输出口P1_0 和P1_1 之外，其余均用于输出。本设计相关I/O 口通过插接件形式进行预留，以方便不同场合使用及扩展，具体如图2 所示。

　　

　　2.1.2 调试接口
　　本设计CC2430 具备在线调试与下载功能，可根据需要进行自由配置。图3 所示是CC2430 调试接口图，该接口通过调试接口引脚P2.2 与P2.1 组成，它们分别用作调试时钟与调试数据信号引脚。

　　　2.2 时钟与复位

　　CC2430 的晶振采用二级设计，一级是32 MHz，另一级是32.768 kHz.在CC2430 整机工作模式下（PM0），这两种晶振需共同工作；而在PM1 和PM2 电源模式下（省电模式），只有32.768 kHz 晶振工作；在PM3 模式下，两者全关。同时，在RBIAS1 和RBIAS2（22、26 引脚）引脚上须外接1% 精密电阻，为32 MHz 晶振提供精确偏置电流的具体电路如图4所示。
　　CC2430 具备上电复位功能，也可采用手动复位。只需要将第10 引脚RESETn 强行拉至低电平，即可完成复位。

　　

　　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128×64 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CC2430 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
　　本文先介绍了无线传感器网络的组成单元，并提出了一种基于CC2430的无线传感器网络节点及其外围扩展电路的硬件设计方案， 方案介绍了各个硬件模块的工作原理和设计方法。其中，方案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，并介绍了本方案在PCB 设计时应注意的相关工艺要点。该方案在实际使用过程中性能稳定，工作良好，对同类型的设计方案也具有一定的指导意义。