ZigBee射頻無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

選自TI無(wú)線連接論壇

編輯：付斌

0 引 言

近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(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(fèi)、開(kāi)放等特性，各種基于該頻段的通信協(xié)議，如Wi-Fi、藍(lán)牙等技術(shù)已相當(dāng)成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。ZigBee 是一種基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)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)線組網(wǎng)通信技術(shù)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于各種射頻通信領(lǐng)域，如區(qū)域定位、視距數(shù)據(jù)傳輸、物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽、車用無(wú)線電子設(shè)備等。

1 系統(tǒng)總體框架

該系統(tǒng)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(kuò)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(shè)計(jì)方案

主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的全面調(diào)度與控制?？紤]到設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的便利性、系統(tǒng)的集成性等特點(diǎn)，主控電路除具備數(shù)據(jù)的處理能力外，還能夠存儲(chǔ)一定量的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)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(nèi)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(shè)計(jì)模式。同時(shí)，片上還具備FLASH 存儲(chǔ)器，能方便地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。該器件體積小，性能穩(wěn)定，運(yùn)算速度快，可擴(kuò)展性能好，能較好滿足本設(shè)計(jì)的各種需要。

2.1 CC2430 控制器電路配置

在本設(shè)計(jì)中，主控單元承擔(dān)外圍器件擴(kuò)展與控制、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。CC2430 屬于高度集成的SOC 系統(tǒng)，其I/O 口設(shè)計(jì)緊湊，并具備復(fù)用功能，因此，在設(shè)計(jì)中需要盡量節(jié)約I/O 口的使用，必要時(shí)可對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，設(shè)計(jì)還應(yīng)具備在線下載與調(diào)試功能，以方便工程應(yīng)用的需要。

2.1.1 I/O口配置

CC2430 具有21 個(gè)數(shù)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(dú)設(shè)置為通用I/O 或外部設(shè)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(shè)計(jì)相關(guān)I/O 口通過(guò)插接件形式進(jìn)行預(yù)留，以方便不同場(chǎng)合使用及擴(kuò)展，具體如圖2 所示。

2.1.2 調(diào)試接口

本設(shè)計(jì)CC2430 具備在線調(diào)試與下載功能，可根據(jù)需要進(jìn)行自由配置。圖3 所示是CC2430 調(diào)試接口圖，該接口通過(guò)調(diào)試接口引腳P2.2 與P2.1 組成，它們分別用作調(diào)試時(shí)鐘與調(diào)試數(shù)據(jù)信號(hào)引腳。

2.2 時(shí)鐘與復(fù)位

CC2430 的晶振采用二級(jí)設(shè)計(jì)，一級(jí)是32 MHz,另一級(jí)是32.768 kHz.在CC2430 整機(jī)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(fù)位功能，也可采用手動(dòng)復(fù)位。只需要將第10 引腳RESETn 強(qiáng)行拉至低電平，即可完成復(fù)位。

2.3 CC2430 射頻模塊

CC2430 射頻模塊部分的設(shè)計(jì)如圖5 所示。在本設(shè)計(jì)中，CC2430 除P2_3 和P2_4 引腳預(yù)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(shè)計(jì)采用單極天線，為了獲得最好的通信性能，應(yīng)采用非平衡變壓器，以達(dá)到阻抗匹配的作用。

如圖5 所示，分立器件L321、L331、L341 以及C341 構(gòu)成非平衡變壓器，用來(lái)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(duì)天線到RF 引腳的反饋傳輸線設(shè)計(jì)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(zhǎng)，微帶傳輸線實(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(nèi)部的低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA）提供校準(zhǔn)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(dāng)CC2430 處于接收狀態(tài)時(shí)，TXRX_SWITCH內(nèi)部接地，為L(zhǎng)NA 提供偏置電壓，引腳上可得到低電平；當(dāng)芯片處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，TXRX_SWITCH 內(nèi)部接供電電壓，為PA 提供偏置電壓，引腳上可測(cè)得高電平。另外，該電路的外接天線采用SMA 接口。