基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点设计方案

引言

近年来，无线传感器网络技术得到了飞速发展，特别是在物联网、智能家居、工业自动化等领域的应用日益广泛。由于2.4 GHz通信频段的免费、开放等特性，基于该频段的通信协议如Wi-Fi、蓝牙等技术已相当成熟。然而，ZigBee作为一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，凭借其低成本、低功耗和近距离无线组网通信技术的优势，在射频通信领域取得了显著的应用成果。本文将详细介绍一种基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点设计方案，重点探讨主控芯片的选型及其在设计中的作用。

主控芯片选型

在基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点设计中，主控芯片的选择至关重要。目前市场上有多款芯片能够满足ZigBee协议要求，并集成51内核的MCU。其中，Chipcon公司的CC2430芯片以其高度集成、低功耗、高性能的特点成为该领域的优选之一。

CC2430芯片概述

CC2430是Chipcon公司推出的一款符合ZigBee协议的2.4 GHz IEEE 802.15.4无线收发器芯片。该芯片集成了增强型8051微控制器内核、高性能RF收发器、8KB RAM以及多种模拟数字外设，非常适合于低功耗无线应用。其主要特点包括：

• 集成度高：集成了RF收发器、MCU、内存和多种外设，减少了外部元件需求，降低了系统成本。

• 低功耗：支持多种低功耗模式，包括休眠模式和待机模式，能够显著延长电池寿命。

• 高性能：具备256KB的Flash存储器和强大的8051微控制器内核，运算速度快，能够满足复杂应用的需求。

• 通信能力强：支持ZigBee协议，具备强大的通信能力，能够构建稳定可靠的无线传感器网络。

CC2430在设计中的作用

在基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点设计中，CC2430作为主控芯片，承担着多项核心功能：

1. 数据处理：CC2430的增强型8051微控制器内核具备强大的数据处理能力，能够处理来自传感器的原始数据，进行必要的计算和处理，然后将结果通过无线方式发送给其他节点或上位机。

2. 无线通信：CC2430集成的RF收发器支持ZigBee协议，能够与其他ZigBee设备进行无线通信，实现数据的收发和传输。该收发器具备高灵敏度和低噪声特性，能够在复杂环境中实现稳定可靠的通信。

3. 存储管理：CC2430内置的Flash存储器可以存储程序代码、配置信息和临时数据，为系统的稳定运行提供了有力保障。同时，该存储器还支持在线编程和调试，方便开发者进行开发和维护。

4. 外设控制：CC2430集成了多种模拟数字外设，如ADC、DAC、定时器、PWM等，能够方便地控制各种外部设备，如传感器、LED指示灯、LCD显示屏等。这些外设的集成减少了外部元件的需求，降低了系统成本，提高了系统的集成度和可靠性。

系统总体框架

基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点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。具体框架图如下所示：

[系统总体框架图]

├── 控制器与射频模块部分

│   └── CC2430芯片

├── 外围扩展电路部分

│   ├── 外部电源电路

│   ├── 显示与按键电路

│   ├── 串口与USB通信电路

│   └── 其他外设电路

└── 天线

控制器与射频模块设计方案

主控电路设计

主控电路是整个系统的核心，负责整个节点的全面调度与控制。在本设计中，采用CC2430芯片作为主控芯片，该芯片集成了51内核的MCU和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。

主控电路的设计需要考虑以下几个方面：

1. 数据处理能力：确保CC2430的MCU能够处理来自传感器的原始数据，并进行必要的计算和处理。

2. 无线通信能力：利用CC2430集成的RF收发器实现与其他ZigBee设备的无线通信，确保数据的稳定传输。

3. 存储能力：利用CC2430内置的Flash存储器存储程序代码、配置信息和临时数据，确保系统的稳定运行。

4. 可扩展性：设计应具备良好的可扩展性，方便后续功能的增加和升级。

射频模块设计

射频模块是实现无线通信的关键部分。在本设计中，CC2430的RF收发器通过天线与其他ZigBee设备进行通信。射频模块的设计需要考虑以下几个方面：

1. 天线设计：选择合适的天线类型和尺寸，确保良好的通信性能。在本设计中，采用单极天线，并通过非平衡变压器实现阻抗匹配。

2. 阻抗匹配：通过设计非平衡变压器和PCB微带传输线实现阻抗匹配，确保RF信号的稳定传输。

3. 电源管理：为RF收发器提供稳定的电源供应，确保其在各种工作模式下都能正常工作。

I/O口配置与调试接口

CC2430具有21个数字I/O口引脚（P0、P1、P2），这些I/O口可以单独设置为通用I/O或外部设备I/O。在设计中，需要合理配置这些I/O口，以满足系统的需求。同时，CC2430还具备在线调试与下载功能，方便开发者进行开发和调试。调试接口通过P2.2和P2.1引脚组成，分别用作调试时钟与调试数据信号引脚。

外围扩展电路设计方案

外部电源电路

外部电源电路为系统提供稳定的电源供应。在本设计中，采用TPS79533低压稳压器及其外围器件组成电源电路。TPS79533输出3.3V电压，输入电压范围为2.7V至5.5V，并具备较高的电源抑制比、超低噪声和较好的电压线性等特性。

显示与按键电路

显示与按键电路用于实现人机交互。液晶显示电路可采用128×64点阵式液晶显示器，并通过串/并口转换芯片74HC595d节约主控芯片I/O口资源。为了使液晶显示器具备合适的背光亮度，设计中还采用了相应的放大管如9015来驱动液晶显示器背光显示。按键电路具备上、下、左、右、确定、退出六个按键，通过分压电路将分压值输入CC2430的P0.6端子，实现键盘功能。

串口与USB通信电路

串口与USB通信电路负责节点与PC机之间的数据收发，实现数据下载、调试等功能。CC2430采用RS232通信模式，控制芯片采用广泛使用的SP3223E。需要注意的是，在实际使用中，笔记本电脑一般不具备串口，需要外接USB-RS232转换电路。在选择转换电路时，应考虑其对CC2430的支持情况，确保高比特率传输的稳定性。

PCB设计要求

由于以CC2430为核心的无线传感器网络节点工作在2.4 GHz的高频环境中，对其EMI要求较高。因此，在PCB设计中需要注意以下几个方面：

1. 双层或四层PCB设计：根据需求选择合适的PCB层数。若采用双层PCB设计，则顶层用于元件的放置与信号连接，通过大面积敷铜降低干扰；若希望减小PCB尺寸，可采用四层PCB设计。

2. 电源滤波：电源滤波要求较高，退耦电容器应尽可能靠近供电引脚，并通过单独的过孔连接到印刷电路板的接地面。

3. 接地设计：芯片的接地引脚距离使用单独过孔的封装引脚越近越好，以减小干扰。

结论

本文提出了一种基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点设计方案，以Chipcon公司的CC2430芯片为核心，通过高度集成的SOC系统实现了低成本、低功耗、高性能的无线传感器网络节点。该设计方案采用了模块化设计方法，能够应用于各种基于ZigBee协议的软硬件开发。通过详细分析主控芯片的选型及其在设计中的作用，以及系统总体框架、控制器与射频模块、外围扩展电路和PCB设计等方面的设计要点，本文为无线传感器网络节点的设计提供了参考和借鉴。