ZigBee射频无线传感器网络节点设计方案

嵌入式ARM 2019-03-15 17:33


选自TI无线连接论坛,原贴地址见底部“阅读原文”


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。

 

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。

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