基于ZigBee與51內(nèi)核的射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

引言

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，特別是在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。由于2.4 GHz通信頻段的免費(fèi)、開放等特性，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。然而，ZigBee作為一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，憑借其低成本、低功耗和近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在射頻通信領(lǐng)域取得了顯著的應(yīng)用成果。本文將詳細(xì)介紹一種基于ZigBee與51內(nèi)核的射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)探討主控芯片的選型及其在設(shè)計(jì)中的作用。

主控芯片選型

在基于ZigBee與51內(nèi)核的射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，主控芯片的選擇至關(guān)重要。目前市場(chǎng)上有多款芯片能夠滿足ZigBee協(xié)議要求，并集成51內(nèi)核的MCU。其中，Chipcon公司的CC2430芯片以其高度集成、低功耗、高性能的特點(diǎn)成為該領(lǐng)域的優(yōu)選之一。

CC2430芯片概述

CC2430是Chipcon公司推出的一款符合ZigBee協(xié)議的2.4 GHz IEEE 802.15.4無線收發(fā)器芯片。該芯片集成了增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核、高性能RF收發(fā)器、8KB RAM以及多種模擬數(shù)字外設(shè)，非常適合于低功耗無線應(yīng)用。其主要特點(diǎn)包括：

• 集成度高：集成了RF收發(fā)器、MCU、內(nèi)存和多種外設(shè)，減少了外部元件需求，降低了系統(tǒng)成本。

• 低功耗：支持多種低功耗模式，包括休眠模式和待機(jī)模式，能夠顯著延長電池壽命。

• 高性能：具備256KB的Flash存儲(chǔ)器和強(qiáng)大的8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)算速度快，能夠滿足復(fù)雜應(yīng)用的需求。

• 通信能力強(qiáng)：支持ZigBee協(xié)議，具備強(qiáng)大的通信能力，能夠構(gòu)建穩(wěn)定可靠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

CC2430在設(shè)計(jì)中的作用

在基于ZigBee與51內(nèi)核的射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，CC2430作為主控芯片，承擔(dān)著多項(xiàng)核心功能：

1. 數(shù)據(jù)處理：CC2430的增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠處理來自傳感器的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的計(jì)算和處理，然后將結(jié)果通過無線方式發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)或上位機(jī)。

2. 無線通信：CC2430集成的RF收發(fā)器支持ZigBee協(xié)議，能夠與其他ZigBee設(shè)備進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和傳輸。該收發(fā)器具備高靈敏度和低噪聲特性，能夠在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的通信。

3. 存儲(chǔ)管理：CC2430內(nèi)置的Flash存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)程序代碼、配置信息和臨時(shí)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。同時(shí)，該存儲(chǔ)器還支持在線編程和調(diào)試，方便開發(fā)者進(jìn)行開發(fā)和維護(hù)。

4. 外設(shè)控制：CC2430集成了多種模擬數(shù)字外設(shè)，如ADC、DAC、定時(shí)器、PWM等，能夠方便地控制各種外部設(shè)備，如傳感器、LED指示燈、LCD顯示屏等。這些外設(shè)的集成減少了外部元件的需求，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

系統(tǒng)總體框架

基于ZigBee與51內(nèi)核的射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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。具體框架圖如下所示：

[系統(tǒng)總體框架圖]

├── 控制器與射頻模塊部分

│   └── CC2430芯片

├── 外圍擴(kuò)展電路部分

│   ├── 外部電源電路

│   ├── 顯示與按鍵電路

│   ├── 串口與USB通信電路

│   └── 其他外設(shè)電路

└── 天線

控制器與射頻模塊設(shè)計(jì)方案

主控電路設(shè)計(jì)

主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的全面調(diào)度與控制。在本設(shè)計(jì)中，采用CC2430芯片作為主控芯片，該芯片集成了51內(nèi)核的MCU和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。

主控電路的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面：

1. 數(shù)據(jù)處理能力：確保CC2430的MCU能夠處理來自傳感器的原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行必要的計(jì)算和處理。

2. 無線通信能力：利用CC2430集成的RF收發(fā)器實(shí)現(xiàn)與其他ZigBee設(shè)備的無線通信，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。

3. 存儲(chǔ)能力：利用CC2430內(nèi)置的Flash存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序代碼、配置信息和臨時(shí)數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4. 可擴(kuò)展性：設(shè)計(jì)應(yīng)具備良好的可擴(kuò)展性，方便后續(xù)功能的增加和升級(jí)。

射頻模塊設(shè)計(jì)

射頻模塊是實(shí)現(xiàn)無線通信的關(guān)鍵部分。在本設(shè)計(jì)中，CC2430的RF收發(fā)器通過天線與其他ZigBee設(shè)備進(jìn)行通信。射頻模塊的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面：

1. 天線設(shè)計(jì)：選擇合適的天線類型和尺寸，確保良好的通信性能。在本設(shè)計(jì)中，采用單極天線，并通過非平衡變壓器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

2. 阻抗匹配：通過設(shè)計(jì)非平衡變壓器和PCB微帶傳輸線實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，確保RF信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

3. 電源管理：為RF收發(fā)器提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，確保其在各種工作模式下都能正常工作。

I/O口配置與調(diào)試接口

CC2430具有21個(gè)數(shù)字I/O口引腳（P0、P1、P2），這些I/O口可以單獨(dú)設(shè)置為通用I/O或外部設(shè)備I/O。在設(shè)計(jì)中，需要合理配置這些I/O口，以滿足系統(tǒng)的需求。同時(shí)，CC2430還具備在線調(diào)試與下載功能，方便開發(fā)者進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。調(diào)試接口通過P2.2和P2.1引腳組成，分別用作調(diào)試時(shí)鐘與調(diào)試數(shù)據(jù)信號(hào)引腳。

外圍擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)方案

外部電源電路

外部電源電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。在本設(shè)計(jì)中，采用TPS79533低壓穩(wěn)壓器及其外圍器件組成電源電路。TPS79533輸出3.3V電壓，輸入電壓范圍為2.7V至5.5V，并具備較高的電源抑制比、超低噪聲和較好的電壓線性等特性。

顯示與按鍵電路

顯示與按鍵電路用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。液晶顯示電路可采用128×64點(diǎn)陣式液晶顯示器，并通過串/并口轉(zhuǎn)換芯片74HC595d節(jié)約主控芯片I/O口資源。為了使液晶顯示器具備合適的背光亮度，設(shè)計(jì)中還采用了相應(yīng)的放大管如9015來驅(qū)動(dòng)液晶顯示器背光顯示。按鍵電路具備上、下、左、右、確定、退出六個(gè)按鍵，通過分壓電路將分壓值輸入CC2430的P0.6端子，實(shí)現(xiàn)鍵盤功能。

串口與USB通信電路

串口與USB通信電路負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、調(diào)試等功能。CC2430采用RS232通信模式，控制芯片采用廣泛使用的SP3223E。需要注意的是，在實(shí)際使用中，筆記本電腦一般不具備串口，需要外接USB-RS232轉(zhuǎn)換電路。在選擇轉(zhuǎn)換電路時(shí)，應(yīng)考慮其對(duì)CC2430的支持情況，確保高比特率傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

PCB設(shè)計(jì)要求

由于以CC2430為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在2.4 GHz的高頻環(huán)境中，對(duì)其EMI要求較高。因此，在PCB設(shè)計(jì)中需要注意以下幾個(gè)方面：

1. 雙層或四層PCB設(shè)計(jì)：根據(jù)需求選擇合適的PCB層數(shù)。若采用雙層PCB設(shè)計(jì)，則頂層用于元件的放置與信號(hào)連接，通過大面積敷銅降低干擾；若希望減小PCB尺寸，可采用四層PCB設(shè)計(jì)。

2. 電源濾波：電源濾波要求較高，退耦電容器應(yīng)盡可能靠近供電引腳，并通過單獨(dú)的過孔連接到印刷電路板的接地面。

3. 接地設(shè)計(jì)：芯片的接地引腳距離使用單獨(dú)過孔的封裝引腳越近越好，以減小干擾。

結(jié)論

本文提出了一種基于ZigBee與51內(nèi)核的射頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，以Chipcon公司的CC2430芯片為核心，通過高度集成的SOC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、高性能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)方案采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，能夠應(yīng)用于各種基于ZigBee協(xié)議的軟硬件開發(fā)。通過詳細(xì)分析主控芯片的選型及其在設(shè)計(jì)中的作用，以及系統(tǒng)總體框架、控制器與射頻模塊、外圍擴(kuò)展電路和PCB設(shè)計(jì)等方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，本文為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。