基于ZigBee與51內核的射頻無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計

摘要：ZigBee是一種基于IEEE802．15．4標準的個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，是一種低成本、低功耗的近距離無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信技術(shù)。文中介紹了一種基于Zig Bee與51內核的高頻無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計方法，并詳細介紹了其各組成模塊的設計原理。該設計以Chipcon公司的CC2430為基礎，可應用于基于ZigBee協(xié)議的各種軟硬件開(kāi)發(fā)。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2430；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)；51內核

0 引言
近年來(lái)，無(wú)線(xiàn)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、開(kāi)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(shù)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(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(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信技術(shù)，近年來(lái)廣泛應用于各種射頻通信領(lǐng)域，如區域定位、視距數據傳輸、物聯(lián)網(wǎng)標簽、車(chē)用無(wú)線(xiàn)電子設備等。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)也日趨成熟。因此，設計一個(gè)成本低廉、性能穩定、功能齊全的開(kāi)發(fā)系統一直是相關(guān)研究的一個(gè)重要組成。本文將介紹一種基于ZigBee與51內核的射頻無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計。該設計圍繞Chipcon公司的CC2430芯片，該芯片滿(mǎn)足ZigBee協(xié)議的物理層要求，并集成了一個(gè)51內核的MCU，價(jià)格低廉，具備很好的開(kāi)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(kāi)發(fā)。本文將詳細介紹其各模塊的設計方法與原理。

1 系統總體框架
該系統總體上分為兩個(gè)部分：第一部分是控制器與射頻模塊部分：第二部分是外圍擴展電路部分。具體的系統框架圖如圖1所示。

2 控制器與射頻模塊設計方案
主控電路是整個(gè)系統的核心，它負責整個(gè)節點(diǎn)的全面調度與控制?？紤]到設備運行維護的便利性、系統的集成性等特點(diǎn)，主控電路除具備數據的處理能力外，還能夠存儲一定量的數據。本設計采用了基于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(shí)，片上還具備FLASH存儲器，能方便地存儲數據。該器件體積小，性能穩定，運算速度快，可擴展性能好，能較好滿(mǎn)足本設計的各種需要。
2．1 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、數據傳輸等功能。CC2430屬于高度集成的SOC系統，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約I／O口的使用，必要時(shí)可對其進(jìn)行擴展。同時(shí)，設計還應具備在線(xiàn)下載與調試功能，以方便工程應用的需要。
2．1．1 I／O口配置
CC2430具有21個(gè)數字I／O口引腳，即P0、P1、P2。它們均是8位I／O口。每個(gè)口都可以單獨設置為通用I／O或外部設備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。本設計相關(guān)I／O口通過(guò)插接件形式進(jìn)行預留，以方便不同場(chǎng)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(xiàn)調試與下載功能，可根據需要進(jìn)行自由配置。圖3所示是CC2430調試接口圖，該接口通過(guò)調試接口引腳P2．2與P2．1組成，它們分別用作調試時(shí)鐘與調試數據信號引腳。

2．2 時(shí)鐘與復位
CC2430的晶振采用二級設計，一級是32 MHz，另一級是32．768 kHz。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32．768 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具備上電復位功能，也可采用手動(dòng)復位。只需要將第10引腳RESETn強行拉至低電平，即可完成復位。
2．3 CC2430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(xiàn)，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(lái)連接差分輸出端和單極天線(xiàn)。由于天線(xiàn)距離RF引腳有一段距離，所以需要針對天線(xiàn)到RF引腳的反饋傳輸線(xiàn)設計阻抗匹配。由于是單極天線(xiàn)，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(xiàn)組成，λ為PCB傳輸線(xiàn)上微波波長(cháng)，微帶傳輸線(xiàn)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(guò)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(shí)，TXRX SWITCH內部接地，為L(cháng)NA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(shí)，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(xiàn)采用SMA接口。

3 外圍擴展電路
以CC2430為核心的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在實(shí)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(guò)這些電路，可對射頻與主控模塊進(jìn)行相應的開(kāi)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(xiàn)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(pán)電路
3．2．1 液晶顯示電路
液晶顯示電路可采用128x64點(diǎn)陣式液晶顯示器，同時(shí)，為節約主控芯片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(lái)驅動(dòng)液晶顯示器背光顯示。
3．2．2 鍵盤(pán)電路
本設計可通過(guò)按鍵電路調節各種參數，并通過(guò)液晶顯示電路顯示。如圖8所示，鍵盤(pán)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轉換的功能，可通過(guò)軟件實(shí)現鍵盤(pán)功能，從而節約了I／O口資源。

3．3 通信電路
通信電路負責節點(diǎn)與PC機之間的數據收發(fā)，以實(shí)現數據下載、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(jīng)典設計的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節點(diǎn)進(jìn)行在線(xiàn)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，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(jià)格便宜，但并不適應CC2430的高比特率傳輸，而SP3223E雖然價(jià)格較貴，但對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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)工作在2．4 GHz的高頻環(huán)境中，因此對其EMI要求較高。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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設計。其具體要求如下：
(1)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(guò)大面積敷銅，以降低干擾。
(2)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(guò)單獨的過(guò)孔連接到印刷電路板的接地面。
(3)芯片的接地引腳，距離使用單獨過(guò)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，具體設計可使用0603或0402封裝的貼片元器件。
(5)如果在PCB上要使用高速外接數字設備，那么必須避開(kāi)RF電路。
(6)系統應采用大規模接地方式，以消除干擾?？蓪CB底層設計為接地層。

5 結語(yǔ)
本文介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的組成單元，基于CC2430的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)及其外圍擴展電路的硬件設計和實(shí)現方案，并介紹了各個(gè)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(pán)電路、通信電路，并介紹了本設計在PCB設計時(shí)應注意的相關(guān)工藝要點(diǎn)。該設計在實(shí)際使用過(guò)程中性能穩定，工作良好，對同類(lèi)型的，基于2．4 GHz頻段的高頻電路設計具有一定的指導意義。