引言

近年來，無線傳感器網絡技術得到了飛速發(fā)展，由于2.4GHz通信頻段免費、開放等特性，各種基于該頻段的通信協(xié)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(xié)議，該協(xié)議基于2.4GHz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(qū)域定位、視距數(shù)據(jù)傳輸、物聯(lián)網標簽、車用無線電子設備等。以Chipcon公司基于ZigBee協(xié)議的系列產品為代表的SOC（片上系統(tǒng)）也日趨成熟。因此，設計一個成本低廉、性能穩(wěn)定、功能齊全的開發(fā)系統(tǒng)一直是相關研究的一個重要組成。本文將介紹一種基于ZigBee與51內核的射頻無線傳感器網絡節(jié)點硬件設計。該設計圍繞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51內核的MCU，價格低廉，具備很好的開發(fā)潛力。設計采用了模塊化設計方法，能夠應用于各種基于ZigBee協(xié)議的軟硬件開發(fā)。本文將詳細介紹其各模塊的設計方法與原理。

1系統(tǒng)總體框架

該系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的核心，它負責整個節(jié)點的全面調度與控制?？紤]到設備運行維護的便利性、系統(tǒng)的集成性等特點，主控電路除具備數(shù)據(jù)的處理能力外，還能夠存儲一定量的數(shù)據(jù)。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(fā)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(shù)據(jù)。該器件體積小，性能穩(wěn)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。

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(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋C2430屬于高度集成的SOC系統(tǒng),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(jié)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。

I/O口配置

CC2430具有21個數(shù)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(jù)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(shù)據(jù)信號引腳。

2.2時鐘與復位

CC2430的晶振采用二級設計，一級是32MHz，另一級是32.768kHz。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32.768kHz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32MHz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弓腳RESETn強行拉至低電平，即可完成復位。

圖4時鐘電路

2.3CC2430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。，這部分阻抗由非平衡變壓器和PCB微帶傳輸線組成,X為PCB傳輸線上微波波長，微帶傳輸線實際上就是A/2阻抗匹配。

圖5CC2430非平衡-平衡變壓器

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(tài)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(fā)送狀態(tài)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(jié)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(fā)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(wěn)壓器及其外圍器件組成。TPS79533輸出3.3V電壓，其輸入電壓范圍是2.7～5.5V，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(tài)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128X64點陣式液晶顯示器，同時，為節(jié)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(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(xiàn)鍵盤功能，從而節(jié)約了I/O口資源。

3.3通信電路

通信電路負責節(jié)點與PC機之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)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弓|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(jié)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(fā)現(xiàn),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(jié)點工作在2.4GHz的高頻環(huán)境中，因此對其EMI要求較高。無線傳感器網絡節(jié)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(jù)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：

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。

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。

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。

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。

如果在PCB上要使用高速外接數(shù)字設備，那么必須避開RF電路。

系統(tǒng)應采用大規(guī)模接地方式，以消除干擾。可將PCB底層設計為接地層。

5結語

本文介紹了無線傳感器網絡的組成單元，基于CC2430的無線傳感器網絡節(jié)點及其外圍擴展電路的硬件設計和實現(xiàn)方案，并介紹了各個硬件模塊的設計方案和工作原理。其中,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，并介紹了本設計在PCB設計時應注意的相關工藝要點。該設計在實際使用過程中性能穩(wěn)定，工作良好，對同類型的，基于2.4GHz頻段的高頻電路設計具有一定的指導意義。

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