基于CC2430的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

摘要：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計成本低廉，功耗低，并擁有簡單而靈活的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)用非常廣泛。采用集射頻與微控制器于一體的片上系統(tǒng)CC2430作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心器件，提出帶功率放大器的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的系統(tǒng)設(shè)計方案，并給出該系統(tǒng)電路原理圖。硬件測試結(jié)果表明，節(jié)點硬件接收靈敏度高，通信距離也較理想。

關(guān)鍵詞：CC2430；ZigBee；無線網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點；功率放大器

目前GSM和3G等無線移動通信技術(shù)以及藍(lán)牙、WiFi、Ad-hoc等無線局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，但其設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，功耗較大、成本很高，不適合應(yīng)用在一些低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的場合，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭自動化以及玩具等領(lǐng)域。ZigBee網(wǎng)絡(luò)在通信過程中只需一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，用以建立網(wǎng)絡(luò)并管理和協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，而無需成本高昂、體積龐大的基站。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者既是網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點，又可作為網(wǎng)絡(luò)與其他有線或無線網(wǎng)絡(luò)互連的網(wǎng)關(guān)節(jié)點。ZigBee是一種低復(fù)雜度、低功耗和低成本的低速率無線連接技術(shù)，基于ZigBee技術(shù)的無線系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用已成為研究熱點。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線組網(wǎng)通信技術(shù)。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它有自己的無線標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)來實現(xiàn)通信。這些傳感器只需很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳送到另一個傳感器，所以通信效率非常高。ZigBee是一個由多達(dá)65 000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，類似移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。其中每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連接。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計

2．1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

圖l為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)總體框圖，該系統(tǒng)由CC2430器件模塊和無線收發(fā)模塊組成。CC2430射頻器件模塊由CC2430器件和相關(guān)外圍電路構(gòu)成。雖然CC2430內(nèi)部集成有無線收發(fā)器和805l內(nèi)核，可以簡化電路設(shè)計，在單片機和無線收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在空曠地面的通信距離是lO～100 m，這個距離有時不能滿足應(yīng)用需要。在CC2430器件與天線之間加一級接口電路即無線收發(fā)模塊，用來放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據(jù)傳送距離。

2．2 CC2430器件模塊

CC22430器件模塊的電路原理如圖2所示。該模塊主要包括3．3 V和1．8 V電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路和復(fù)位電路。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供，這里由內(nèi)部電路提供，需外加晶體振蕩器和2個負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。R2和R3為偏置電阻，電阻R3主要用來為32 MHz的晶振提供合適的工作電流。用1個32 MHz的石英諧振器(X1)和2只電容(C9和C10)構(gòu)成1個32 MHz的晶振電路。用1個32．768 kHz的石英諧振器(X2)和2個電容(C7和C8)構(gòu)成1個32．768 kHz的晶振電路。CC2430射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是115+j180 Ω，阻抗匹配電路應(yīng)根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計采用50Ω單極子天線，由于CC2430的差分射頻端口具有兩個端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路(平衡／非平衡轉(zhuǎn)換電路)完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由電感(L1、L2，L3)和電容(C15、C17、C26)構(gòu)成。

CC2430內(nèi)部使用1．8 V工作電壓，適合于電池供電的設(shè)備，外部數(shù)字I／O接口使用3．3 V電壓，以保持和3．3 V邏輯器件兼容。CC2430片上集成有自流穩(wěn)壓器，能將3．3 V電壓轉(zhuǎn)換為1．8 V電壓，這樣只有3．3 V電源的設(shè)備無需外加電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。C1、C11、C15等為去耦電容，主要用于電源濾波，以提高器件的工作穩(wěn)定性。