基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件设计

摘要：ZigBee是一种基于IEEE802．15．4标准的个域网协议，是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。文中介绍了一种基于Zig Bee与51内核的高频无线传感器网络节点的硬件设计方法，并详细介绍了其各组成模块的设计原理。该设计以Chipcon公司的CC2430为基础，可应用于基于ZigBee协议的各种软硬件开发。
关键词：ZigBee；CC2430；无线传感器网络节点；51内核

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，设计一个成本低廉、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。本文将介绍一种基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件设计。该设计围绕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。本文将详细介绍其各模块的设计方法与原理。

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。