近年來，無線傳感器網絡技術得到了飛速發展，由于2.4 GHz 通信頻段免費、開放等特性，各種基于該頻段的通信協議，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議，該協議基于2.4 GHz 頻段，是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通信技術，近年來廣泛應用于各種射頻通信領域，如區域定位、視距數據傳輸、物聯網標簽、車用無線電子設備等。

 

　　以Chipcon 公司基于ZigBee 協議的系列產品為代表的SOC（片上系統）也日趨成熟。因此，方案設計了一個成本低廉、性能穩定、功能齊全的開發系統一直是相關研究的一個重要組成。本文將提出一種基于ZigBee 與51 內核的射頻無線傳感器網絡節點硬件設計方案。該設計方案圍繞Chipcon 公司的CC2430芯片，該芯片滿足ZigBee 協議的物理層要求，并集成了一個51 內核的MCU，價格低廉，具備很好的開發潛力。設計方案采用了模塊化設計方法，能夠應用于各種基于ZigBee 協議的軟硬件開發。本方案將詳細介紹其各模塊的原理與設計方法。

 

　　1 系統總體框架

 

　　該系統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的核心，它負責整個節點的全面調度與控制。考慮到設備運行維護的便利性、系統的集成性等特點，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。

 

　　2.1.1 I/O口配置

 

　　CC2430 具有21 個數字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據信號引腳。

 

 

　　2.2 時鐘與復位

 

　　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。同時，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，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 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，微帶傳輸線實際上就是λ/2 阻抗匹配。

 

　　

 

　　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；當芯片處于發送狀態時，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、較好的電壓線性和負載瞬態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128×64 點陣式液晶顯示器，同時，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各種參數，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，可通過軟件實現鍵盤功能，從而節約了I/O 口資源。

 

 

　　3.3 通信電路

 

　　通信電路負責節點與PC 機之間的數據收發，以實現數據下載、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，在實際使用中，大家經常采用筆記本電腦對節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點工作在2.4 GHz 的高頻環境中，因此對其EMI 要求較高。無線傳感器網絡節點的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：

 

　　（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，并且通過單獨的過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RF 電路。

 

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

 

　　5 結 語

 

　　本文先介紹了無線傳感器網絡的組成單元，并提出了一種基于CC2430的無線傳感器網絡節點及其外圍擴展電路的硬件設計方案， 方案介紹了各個硬件模塊的工作原理和設計方法。其中，方案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，并介紹了本方案在PCB 設計時應注意的相關工藝要點。該方案在實際使用過程中性能穩定，工作良好，對同類型的設計方案也具有一定的指導意義。