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基于CC2430的ZigBee无线传感系统电路设计

作者:时间:2017-10-31来源:网络

   是一种基于IEEE802.15.4标准的个域网协议,是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术。文中提出了一种基于 与51内核的高频无线网络节点的硬件设计方案,方案中详细介绍了其各组成模块的设计原理。并且该方案以Chipcon 公司的为基础,可应用于基于协议的各种软硬件开发。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/369411.htm

  无线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。

   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。 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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  外围扩展电路

  以CC2430 为核心的无线网络节点在实际使用中,可配备相应外围电路,主要包括外部电源电路、显示与按键电路、串口与USB 通信电路等。通过这些电路,可对射频与主控模块进行相应的开发与调试。

  电源电路

  本设计的电源电路主要由TPS79533 低压稳压器及其外围器件组成。TPS79533 输出3.3 V 电压,其输入电压范围是2.7 ~ 5.5 V,并具有较高的电源抑制比、超低噪声、较好的电压线性和负载瞬态效应以及较小的电压漂移。其具体电路如图6 所示。

  液晶显示电路

  液晶显示电路可采用128&TImes;64 点阵式液晶显示器,同时,为节约主控芯片I/O 口资源,采用了串/ 并口转换芯片74HC595d.具体电路如图7 所示。为了使液晶显示器具备合适的背光亮度,还可在设计中采用相应的放大管,如9015 来驱动液晶显示器背光显示。

  通信电路

  通信电路负责节点与PC 机之间的数据收发,以实现数据下载、调试等功能。CC2430 采用RS232 通信模式,具体电路如图9 所示。本设计采用经典设计的RS232 电路,控制芯片采用了广泛使用的SP3223E,其RXD1 与TXD1 引脚可与CC2430 的P0.2 与P0.3 引脚直接相连接。

  需要注意的是,在实际使用中,大家经常采用笔记本电脑对节点进行在线调试和程序下载等操作,而笔记本电脑一般不具备串口,需要外接USB-RS232转换电路。笔者发现,在转换电路的选取上,市面上存在基于PL2602、SP3223E等器件的转换电路可以选择。PL2602 虽然价格便宜,但并不适应CC2430 的高比特率传输,而SP3223E 虽然价格较贵,但对CC2430 的支持较好,这也是在实际使用中需要注意的。

电子发烧友网技术编辑点评分析:

  本文提出了一种基于CC2430的无线网络节点及其外围扩展电路的硬件设计,介绍了控制器与射频模块电路和外围扩展电路,包括外部电源电路、液晶显示与键盘电路、通信电路。该方案在实际使用过程中性能稳定,工作良好,对同类型的设计方案也具有一定的指导意义。当然,在传感领域还有很多无线传输技术,如蓝牙、射频、wifi等,若读者有高见不妨在评论处多探讨。
大家如有问题,欢迎在评论处讨论。

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关键词: 传感器 ZigBee CC2430

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