基于CC2430的ZigBee無線傳感系統電路設計

　　ZigBee 是一種基于IEEE802.15.4標準的個域網協議，是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通信技術。文中提出了一種基于ZigBee 與51內核的高頻無線傳感器網絡節點的硬件設計方案，方案中詳細介紹了其各組成模塊的設計原理。并且該方案以Chipcon 公司的CC2430為基礎，可應用于基于ZigBee協議的各種軟硬件開發。

　　無線傳感器網絡技術得到了飛速發展，由于2.4 GHz 通信頻段免費、開放等特性，各種基于該頻段的通信協議，如Wi-Fi、藍牙等技術已相當成熟，并得到了廣泛應用。ZigBee 是一種基于IEEE802.15.4 標準的低功耗個域網協議，該協議基于2.4 GHz 頻段，是一種低成本、低功耗的近距離無線組網通信技術，近年來廣泛應用于各種射頻通信領域，如區域定位、視距數據傳輸、物聯網標簽、車用無線電子設備等。

　　CC2430 控制器電路配置

　　在本設計中，主控單元承擔外圍器件擴展與控制、A/D 轉換、數據傳輸等功能。CC2430 屬于高度集成的SOC 系統，其I/O 口設計緊湊，并具備復用功能，因此，在設計中需要盡量節約I/O 口的使用，必要時可對其進行擴展。同時，設計還應具備在線下載與調試功能，以方便工程應用的需要。

　　I/O 口配置

　　CC2430 具有21 個數字I/O 口引腳，即P0、P1、P2.它們均是8 位I/O口。每個口都可以單獨設置為通用I/O 或外部設備I/O.除了兩個高輸出口P1_0和P1_1 之外，其余均用于輸出。本設計相關I/O 口通過插接件形式進行預留，以方便不同場合使用及擴展，具體如圖2 所示。

　　調試接口

　　本設計CC2430 具備在線調試與下載功能，可根據需要進行自由配置。圖3 所示是CC2430 調試接口圖，該接口通過調試接口引腳P2.2 與P2.1 組成，它們分別用作調試時鐘與調試數據信號引腳。

　　時鐘與復位

　　CC2430 的晶振采用二級設計，一級是32 MHz，另一級是32.768 kHz.在CC2430 整機工作模式下（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。同時，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 具備上電復位功能，也可采用手動復位。只需要將第10 引腳RESETn 強行拉至低電平，即可完成復位。

　　CC2430 射頻模塊

　　CC2430 射頻模塊部分的設計如圖5 所示。在本設計中，CC2430 除P2_3 和P2_4 引腳預留外接晶振外，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.，本設計采用單極天線，為了獲得最好的通信性能，應采用非平衡變壓器，以達到阻抗匹配的作用。

　　如圖5 所示，分立器件L321、L331、L341 以及C341 構成非平衡變壓器，用來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，所以需要針對天線到RF 引腳的反饋傳輸線設計阻抗匹配。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，微帶傳輸線實際上就是λ/2 阻抗匹配。

　　TXRX_SWITCH 是一個模擬電源輸出引腳， 可為CC2430 內部的低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA） 提供校準電壓。此引腳必須通過外接DC 電路連接至RF_n 和RF_p 引腳。當CC2430 處于接收狀態時，TXRX_SWITCH 內部接地，為LNA 提供偏置電壓，引腳上可得到低電平；當芯片處于發送狀態時，TXRX_SWITCH 內部接供電電壓，為PA 提供偏置電壓，引腳上可測得高電平。另外，該電路的外接天線采用SMA 接口。

　　外圍擴展電路

　　以CC2430 為核心的無線傳感器網絡節點在實際使用中，可配備相應外圍電路，主要包括外部電源電路、顯示與按鍵電路、串口與USB 通信電路等。通過這些電路，可對射頻與主控模塊進行相應的開發與調試。

　　電源電路

　　本設計的電源電路主要由TPS79533 低壓穩壓器及其外圍器件組成。TPS79533 輸出3.3 V 電壓，其輸入電壓范圍是2.7 ~ 5.5 V，并具有較高的電源抑制比、超低噪聲、較好的電壓線性和負載瞬態效應以及較小的電壓漂移。其具體電路如圖6 所示。

　　液晶顯示電路

　　液晶顯示電路可采用128&TImes;64 點陣式液晶顯示器，同時，為節約主控芯片I/O 口資源，采用了串/ 并口轉換芯片74HC595d.具體電路如圖7 所示。為了使液晶顯示器具備合適的背光亮度，還可在設計中采用相應的放大管，如9015 來驅動液晶顯示器背光顯示。

　　通信電路

　　通信電路負責節點與PC 機之間的數據收發，以實現數據下載、調試等功能。CC2430 采用RS232 通信模式，具體電路如圖9 所示。本設計采用經典設計的RS232 電路，控制芯片采用了廣泛使用的SP3223E，其RXD1 與TXD1 引腳可與CC2430 的P0.2 與P0.3 引腳直接相連接。

　　需要注意的是，在實際使用中，大家經常采用筆記本電腦對節點進行在線調試和程序下載等操作，而筆記本電腦一般不具備串口，需要外接USB-RS232轉換電路。筆者發現，在轉換電路的選取上，市面上存在基于PL2602、SP3223E等器件的轉換電路可以選擇。PL2602 雖然價格便宜，但并不適應CC2430 的高比特率傳輸，而SP3223E 雖然價格較貴，但對CC2430 的支持較好，這也是在實際使用中需要注意的。

電子發燒友網技術編輯點評分析：

　　本文提出了一種基于CC2430的無線傳感器網絡節點及其外圍擴展電路的硬件設計，介紹了控制器與射頻模塊電路和外圍擴展電路，包括外部電源電路、液晶顯示與鍵盤電路、通信電路。該方案在實際使用過程中性能穩定，工作良好，對同類型的設計方案也具有一定的指導意義。當然，在傳感領域還有很多無線傳輸技術，如藍牙、射頻、wifi等，若讀者有高見不妨在評論處多探討。
大家如有問題，歡迎在評論處討論。

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