基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)

引言
    隨著社會(huì)的需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)以其低復(fù)雜度、低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生活中的應(yīng)用越來越廣泛。尤其是一些片上系統(tǒng)(SoC)的出現(xiàn)，大大降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)難度。在應(yīng)用這些片上系統(tǒng)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)時(shí)，由于片上系統(tǒng)本身的無線通信部分的發(fā)射功率都很小(如CC2531的發(fā)射功率只有4．5 dBm)，加上其接收靈敏度也固定在一定水平，這樣就限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信距離，常見的傳輸距離為幾百米不等。而在一些特定的應(yīng)用環(huán)境中，要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的安放距離達(dá)到一公里以上甚至更遠(yuǎn)。
    本文介紹一種基于核心芯片CC2531的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，應(yīng)用TI公司的2．4 GHz的射頻前端芯片CC2591來提高無線通信部分的發(fā)射功率，進(jìn)一步改善其接收靈敏度，從而延長(zhǎng)通信距離。

1 核心芯片介紹
1．1 CC2531
    CC2531是TI公司推出的具有USB功能的用于IEEE 802．15．4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2531集成了2．4 G．Hz的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051 MCU、在系統(tǒng)可編程的256 KB Flash、8 KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能；發(fā)射功率為4．5 dBm(可調(diào))，接收機(jī)的接收靈敏度為-97 dBm。
1．2 CC2591
    CC2591是TI公司推出的工作在2．4 GHz，面向低功耗與低電壓無線應(yīng)用，集成度很高的射頻前端芯片。CC2591的內(nèi)部集成功率放大器(PA)的增益為22 dB，最大發(fā)射功率為+22 dBm(輸入+5 dBm)，輸出1 dB壓縮點(diǎn)+19 dBm，接收部分內(nèi)部集成的LNA分高低接收增益分別為11 dBm、1 dBm，噪聲系數(shù)為4．8 dB，接收靈敏度改善6 dB。

2 總體設(shè)計(jì)
    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。核心芯片CC2531結(jié)合其外圍電路(如晶振、A／D基準(zhǔn)電壓、存儲(chǔ)器、傳感器及調(diào)試接口等)，加上必需的電源模塊以及射頻前端芯片CC2591，構(gòu)成了本方案的硬件系統(tǒng)。在應(yīng)用于不同的領(lǐng)域時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳感器、電源、A／D基準(zhǔn)電壓、存儲(chǔ)器等均可進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。CC2531和CC2591部分的硬件設(shè)計(jì)則較為固定。

3 性能參數(shù)預(yù)算
3．1 發(fā)射功率預(yù)算
    根據(jù)CC2531和CC2591的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知：CC2531RF端口的發(fā)射功率最大為+4．5 dBm，修改TXPOWER寄存器的值可調(diào)節(jié)其發(fā)射功率，范圍為-22～+4．5dBm。連接CC2591后，CC2591發(fā)射模式下PA增益最大為22 dB，則對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率范圍為+22～10 dBm(最大值由PA本身決定，最小值可以更小)。綜合考慮其PA的1 dBm壓縮點(diǎn)(19 dBm)和系統(tǒng)功耗等因素，設(shè)定其TX-POWER=0xD5，即CC2531的輸出功率為1 dBm，CC2591
的發(fā)射功率為19 dBm是較理想的大功率輸出參考設(shè)定(僅供參考，實(shí)際中可能會(huì)有變化)。
3．2 接收靈敏度估算
    CC2591處于接收高增益模式時(shí)，HGM=1，其外部天線連同內(nèi)部T／R選擇器到內(nèi)部LNA的噪聲系數(shù)NF為4．8 dB，后端CC2531內(nèi)部可解析的信號(hào)的信噪比SNR為3 dB(保證誤碼率在一定水平)，單信道發(fā)射接收帶寬BW可設(shè)為1 MHz或5 MHz。根據(jù)公式，當(dāng)正常室溫T0=290 K時(shí)，1 Hz帶寬的噪聲功率為N0=-174 dBm，接收靈敏度S=-174 dBm+NF+SNR+10log(BW)。
    代入?yún)?shù)可得：接收帶寬5 MHz時(shí)，接收靈敏度S=-99．2 dBm。
3．3 通信距離估算
    在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，任意兩點(diǎn)之間通信，環(huán)境給傳輸波帶來的損耗一般無法定量估算，而且根據(jù)環(huán)境變化千差萬別。在不考慮外界影響和傳輸損耗，電磁波在理想情況下傳播的條件下，無線通信傳輸距離的計(jì)算公式如下：
    Loss=32．44+20lgd+201gFreq
    天線增益暫不考慮(需要根據(jù)實(shí)際購(gòu)買天線參數(shù)而定)。鏈路損耗預(yù)算Loss為118．2 dBm(不計(jì)非理想損耗)，頻率Freq以CC2531的RF中心頻率2450 MHz計(jì)算，可得無線通信傳輸距離d=7．93 km。實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到這個(gè)距離，此值僅供參考。

4 無線通信模塊原理
    在整體框圖中提到的CC2531的主要外圍電路這里不再介紹，CC2531和CC2591的連接電路如圖2所示。其中包括芯片間RF差分信號(hào)線的匹配鏈路、RF信號(hào)到天線的匹配電路、CC2591控制信號(hào)線，以及電源的退耦濾波部分。
    其中，供電線的退耦濾波部分，B1為磁珠，選擇時(shí)應(yīng)注意其有效濾波的頻率范圍；同時(shí)，其他元器件也要選擇應(yīng)用于高頻的電容、電感等。RF信號(hào)到天線的匹配電路部分，天線的連接端口使用SMA接口(母頭)，用于電路測(cè)量時(shí)可以使頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接入更方便，同樣可以接帶對(duì)應(yīng)SMA接頭的天線。對(duì)于CC2591的3個(gè)使能控制，分配如下：P0．1→HGM_EN，P1．1→PA_EN，P1．4→LNA_EN。其中，控制HGM_ EN的P0．1可以由任意的GPIO代替，另外兩個(gè)則不能變動(dòng)。它們要分別映射到系統(tǒng)協(xié)議棧內(nèi)部接口和寄存器。

5 PCB電路實(shí)現(xiàn)
    相比于原理圖的設(shè)計(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)PCB電路板時(shí)將遇到更多、更實(shí)際的問題。根據(jù)圖2給出的原理圖，設(shè)計(jì)出射頻信號(hào)線部分的布線。圖3展示的為芯片間的射頻差分走線，圖4展示的為CC2591連接天線的射頻走線。    圖3和圖4主要展示了射頻走線部分的布線設(shè)計(jì)，采用射頻中最常見的孤島式布線。因其工作頻率在2．4GHz，且最大功率達(dá)到20 dBm的水平，在原理圖中看不到很多反射，但是在PCB中可能由于布線的不合理造成部分地方的較大反射、能量的堆積，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的失敗。因此，所有的RF信號(hào)線盡量設(shè)計(jì)成直線式。

    天線連接部分選用SMA接頭。圖4中，連接元件B8和SMA接頭的部分為50 Ω微帶線，實(shí)際生產(chǎn)中要進(jìn)行阻抗控制。最后是表面鋪銅地的設(shè)計(jì)，要保證射頻信號(hào)的良好接地。
    PCB設(shè)計(jì)完成實(shí)際投產(chǎn)過程中，由于介電常數(shù)和介質(zhì)高度等參數(shù)不能理想地按照預(yù)想設(shè)定，不可避免地會(huì)存在偏差，所以要時(shí)刻注意其參數(shù)變化，及時(shí)調(diào)整。
    設(shè)定單信道發(fā)送，CC2531內(nèi)部TXPOWER=0xD5(典型發(fā)射功率+1 dBm)，測(cè)量出中心頻點(diǎn)在2．401 GHz時(shí)，功率為+19．21 dBm。雖然受其他因素影響，此結(jié)果比預(yù)定的輸出功率偏大，但是可以接受。結(jié)果證明，該系統(tǒng)中射頻鏈路部分的傳輸較為理想，在實(shí)際電路中的反射和損耗控制在工程可接受范圍之內(nèi)。對(duì)應(yīng)的接收鏈路，也可預(yù)測(cè)出其反射和損耗是可以接受的。

結(jié)語(yǔ)
    根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了以增大發(fā)射功率來延長(zhǎng)傳輸距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。由測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可知，加入功率放發(fā)單元確實(shí)大大地提升了節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。由于受設(shè)備和測(cè)量條件的限制，對(duì)一些其他參數(shù)的測(cè)量并未進(jìn)行，這是日后要完善的地方，對(duì)于電路的改進(jìn)也是日后工作的重點(diǎn)之一。