基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)

基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)1核心芯片介紹

1．1CC2531

CC2531是TI公司推出的具有USB功能的用于IEEE802．15．4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2531集成了2．4G．Hz的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU、在系統(tǒng)可編程的256KBFlash、8KBRAM和許多其他強(qiáng)大的功能；發(fā)射功率為4．5dBm(可調(diào))，接收機(jī)的接收靈敏度為-97dBm。

1．2CC2591

CC2591是TI公司推出的工作在2．4GHz，面向低功耗與低電壓無線應(yīng)用，集成度很高的射頻前端芯片。CC2591的內(nèi)部集成功率放大器(PA)的增益為22dB，最大發(fā)射功率為+22dBm(輸入+5dBm)，輸出1dB壓縮點(diǎn)+19dBm，接收部分內(nèi)部集成的LNA分高低接收增益分別為11dBm、1dBm，噪聲系數(shù)為4．8dB，接收靈敏度改善6dB。2總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。核心芯片CC2531結(jié)合其外圍電路(如晶振、A／D基準(zhǔn)電壓、存儲(chǔ)器、傳感器及調(diào)試接口等)，加上必需的電源模塊以及射頻前端芯片CC2591，構(gòu)成了本方案的硬件系統(tǒng)。在應(yīng)用于不同的領(lǐng)域時(shí)，對(duì)應(yīng)的傳感器、電源、A／D基準(zhǔn)電壓、存儲(chǔ)器等均可進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。CC2531和CC2591部分的硬件設(shè)計(jì)則較為固定。3性能參數(shù)預(yù)算

3．1發(fā)射功率預(yù)算

根據(jù)CC2531和CC2591的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知：CC2531RF端口的發(fā)射功率最大為+4．5dBm，修改TXPOWER寄存器的值可調(diào)節(jié)其發(fā)射功率，范圍為-22～+4．5dBm。連接CC2591后，CC2591發(fā)射模式下PA增益最大為22dB，則對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率范圍為+22～10dBm(最大值由PA本身決定，最小值可以更小)。綜合考慮其PA的1dBm壓縮點(diǎn)(19dBm)和系統(tǒng)功耗等因素，設(shè)定其TX-POWER=0xD5，即CC2531的輸出功率為1dBm，CC2591

的發(fā)射功率為19dBm是較理想的大功率輸出參考設(shè)定(僅供參考，實(shí)際中可能會(huì)有變化)。

3．2接收靈敏度估算

CC2591處于接收高增益模式時(shí)，HGM=1，其外部天線連同內(nèi)部T／R選擇器到內(nèi)部LNA的噪聲系數(shù)NF為4．8dB，后端CC2531內(nèi)部可解析的信號(hào)的信噪比SNR為3dB(保證誤碼率在一定水平)，單信道發(fā)射接收帶寬BW可設(shè)為1MHz或5MHz。根據(jù)公式，當(dāng)正常室溫T0=290K時(shí)，1Hz帶寬的噪聲功率為N0=-174dBm，接收靈敏度S=-174dBm+NF+SNR+10log(BW)。

代入?yún)?shù)可得：接收帶寬5MHz時(shí)，接收靈敏度S=-99．2dBm。

3．3通信距離估算

在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，任意兩點(diǎn)之間通信，環(huán)境給傳輸波帶來的損耗一般無法定量估算，而且根據(jù)環(huán)境變化千差萬別。在不考慮外界影響和傳輸損耗，電磁波在理想情況下傳播的條件下，無線通信傳輸距離的計(jì)算公式如下：

Loss=32．44+20lgd+201gFreq

天線增益暫不考慮(需要根據(jù)實(shí)際購買天線參數(shù)而定)。鏈路損耗預(yù)算Loss為118．2dBm(不計(jì)非理想損耗)，頻率Freq以CC2531的RF中心頻率2450MHz計(jì)算，可得無線通信傳輸距離d=7．93km。實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到這個(gè)距離，此值僅供參考。4無線通信模塊原理

在整體框圖中提到的CC2531的主要外圍電路這里不再介紹，CC2531和CC2591的連接電路如圖2所示。其中包括芯片間RF差分信號(hào)線的匹配鏈路、RF信號(hào)到天線的匹配電路、CC2591控制信號(hào)線，以及電源的退耦濾波部分。

其中，供電線的退耦濾波部分，B1為磁珠，選擇時(shí)應(yīng)注意其有效濾波的頻率范圍；同時(shí)，其他元器件也要選擇應(yīng)用于高頻的電容、電感等。RF信號(hào)到天線的匹配電路部分，天線的連接端口使用SMA接口(母頭)，用于電路測量時(shí)可以使頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接入更方便，同樣可以接帶對(duì)應(yīng)SMA接頭的天線。對(duì)于CC2591的3個(gè)使能控制，分配如下：P0．1→HGM_EN，P1．1→PA_EN，P1．4→LNA_EN。其中，控制HGM_EN的P0．1可以由任意的GPIO代替，另外兩個(gè)則不能變動(dòng)。它們要分別映射到系統(tǒng)協(xié)議棧內(nèi)部接口和寄存器。5PCB電路實(shí)現(xiàn)

相比于原理圖的設(shè)計(jì)，在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)PCB電路板時(shí)將遇到更多、更實(shí)際的問題。根據(jù)圖2給出的原理圖，設(shè)計(jì)出射頻信號(hào)線部分的布線。圖3展示的為芯片間的射頻差分走線，圖4展示的為CC2591連接天線的射頻走線。

圖3和圖4主要展示了射頻走線部分的布線設(shè)計(jì)，采用射頻中最常見的孤島式布線。因其工作頻率在2．4GHz，且最大功率達(dá)到20dBm的水平，在原理圖中看不到很多反射，但是在PCB中可能由于布線的不合理造成部分地方的較大反射、能量的堆積，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的失敗。因此，所有的RF信號(hào)線盡量設(shè)計(jì)成直線式。

天線連接部分選用SMA接頭。圖4中，連接元件B8和SMA接頭的部分為50Ω微帶線，實(shí)際生產(chǎn)中要進(jìn)行阻抗控制。最后是表面鋪銅地的設(shè)計(jì)，要保證射頻信號(hào)的良好接地。

PCB設(shè)計(jì)完成實(shí)際投產(chǎn)過程中，由于介電常數(shù)和介質(zhì)高度等參數(shù)不能理想地按照預(yù)想設(shè)定，不可避免地會(huì)存在偏差，所以要時(shí)刻注意其參數(shù)變化，及時(shí)調(diào)整。

設(shè)定單信道發(fā)送，CC2531內(nèi)部TXPOWER=0xD5(典型發(fā)射功率+1dBm)，測量出中心頻點(diǎn)在2．401GHz時(shí)，功率為+19．21dBm。雖然受其他因素影響，此結(jié)果比預(yù)定的輸出功率偏大，但是可以接受。結(jié)果證明，該系統(tǒng)中射頻鏈路部分的傳輸較為理想，在實(shí)際電路中的反射和損耗控制在工程可接受范圍之內(nèi)。對(duì)應(yīng)的接收鏈路，也可預(yù)測出其反射和損耗是可以接受的。結(jié)語