基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点设计方案

摘 要：ZigBee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ZigBee与51内核的高频无线传感器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。

0 引 言

近年来，无线传感器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。

方案设计了一个成本低廉、性能稳定、功能齐全的开发系统一直是相关研究的一个重要组成。本文将提出一种基于ZigBee 与51 内核的射频无线传感器网络节点硬件设计方案。该设计方案围绕CC2430芯片，该芯片满足ZigBee 协议的物理层要求，并集成了一个51 内核的MCU,价格低廉，具备很好的开发潜力。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。本方案将详细介绍其各模块的原理与设计方法。

1 系统总体框架

该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。具体的系统框架图如图1 所示。

2 控制器与射频模块设计方案

主控电路是整个系统的核心，它负责整个节点的全面调度与控制。考虑到设备运行维护的便利性、系统的集成性等特点，主控电路除具备数据的处理能力外，还能够存储一定量的数据。本设计采用了基于ZigBee 技术的射频芯片CC2430为核心。该器件集成了51 内核的MCU 控制器与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。同时，片上还具备FLASH 存储器，能方便地存储数据。该器件体积小，性能稳定，运算速度快，可扩展性能好，能较好满足本设计的各种需要。

2.1 CC2430 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。CC2430 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。

2.1.1 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。

2.1.2 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。

2.2 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。

2.3 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。