基于无线传输的电能质量监测系统
2 无线收发器
在常用的无线传感协议中，ZigBee以其覆盖范围宽、容量大、组网简单、网络可自由扩展、联网耗时低、安全、低功耗、低成本等优势受到更多的关注，本系统选用CC2530 ZigBee模块作为无线收发器，CC2530是TI在2009年推出的，在CC2430的基础上根据CC2430实际应用的一些问题做了一些改进，存储容量最大支持到256 KB，可编程的输出功率高达4．5 dBm，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，通信距离最远可以达到400 m，对于中小型工厂，不用外加功放来扩展距离，只需要一个汇聚节点即可满足全厂范围内的电能质量监测，强大的5通道DMA控制器使硬件外设能实现数据的高效传输，从而满足系统实时监测的需求。
CC2530电路原理如图2所示，CC2530与S3C2440通过UART0连接，与DSP通过串口连接。电路中的C251，C261，L1共同作用为CC2530的内部PA和LNA提供直流偏置，C252，L261和C262，L252分别是LC巴伦电路的低通滤波电路和高通滤波电路，它们负责差分信号和单端信号之间的转换和阻抗匹配，L2，C1，L3是pi型滤波电路。
2．1 射频电路及天线设计
为了提高射频模块的兼容性和抗干扰性，同时方便调试，本设计将数据采集、分析及处理模块与射频收发模块分别设计成2个不同的PCB CC2530芯片及其外围电路、电源以及接口电路集成在长度36 mm、宽度25 mm的印制电路板上。
PCB板设计采用双层板，为了避免两层接地层沿铜皮走线产生电位差，在上下两层的开放区和芯片底部添加过孔，使整个模块能够充分接地，使地面保持等电位。导通口距离计算公式如下：
式中：c表示光的传输速率；εr表示板子的介电常数，本设计中为63．2 mil。
采用Cadence的Allegro PCB Design GXL软件进行手工布线，生成PCB版图。布线的时候要注意以下几个方面以提高其电磁兼容性：
(1)在敏感信号周围用接地孔，或者用封闭的壳来进行屏蔽，减少干扰。
(2)在射频端口采用差分线路以提高抗干扰能力，布差分线的时候采用Cadence的约束管理器，使设计的PCB满足差分走线长度匹配规则。
(3)采用ADS的line_calc工具进行馈线设计实现阻抗匹配，避免反射信号。
(4)晶振下层不布线，走线尽量短，并远离其他敏感器件。
2．1．1 天线设计
设计采用印制倒F天线，选择相对介电常数为4．5，敷铜厚度是0．035 mm，厚度为1．0 mm的FR-4板材，倒F天线的结构如图3所示。天线的建模与仿真采用HFSS软件，参考TI公司提供的2．4G IFA的设计尺寸，以及文献中关于倒F天线的输入阻抗与天线尺寸之间的关系，通过分析计算，反复微调各个参数，在谐振频率约为2．45 GHz，阻抗接近于50 Ω时，设计的天线参数见表1。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201809/388659.htm
2．1．2 巴伦电路设计
CC2530的收发是通过差分端口RF_P，RF_N来完成信息的收发的，因为CC2530射频端口是一个差分端口，而天线端是单端口，所以需要匹配电路进行端口转换并实现天线的50 Ω到差分端口的阻抗匹配，图2中的L261，C262，L252，C253组成巴伦电路用以平衡转不平衡。巴伦电路的L，C计算公式如下：
式中：Zout和Zin分别是芯片射频端口和天线端口需要匹配的阻抗值。根据TI的CC2530的芯片手册，系统在工作频率，射频端口的阻抗是(69+j29)Ω，倒F天线的特征阻抗是50 Ω，可以计算得到各元件参数值。
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