基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件设计

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1、基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件设计[导读]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。文中介绍了一种基于ZigBee与51内核的高频无线传感器网络节点的硬件设计方法，并详细介绍了其各组成模块的设摘要：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。文中介绍了一种基于ZigBee与51内核的高频无线传感器网络节点的硬件设计方法，并详细介绍了其各组成模块的设计原理。该设计以Chipcon公司的CC

2、2430为基础，可应用于基于ZigBee协议的各种软硬件开发。关键词：ZigBee；CC2430；无线传感器网络节点；51内核0引言    近年来，无线传感器网络技术得到了飞速发展，由于2．4GHz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2．4GHz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。以Chipco

3、n公司基于ZigBee协议的系列产品为代表的SOC(片上系统)也日趋成熟。因此，设计一个成本低廉、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。本文将介绍一种基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件设计。该设计围绕Chipcon公司的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。本文将详细介绍其各模块的设计方法与原理。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

4、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

5、要。2．1CC2430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。2．1．1I／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

6、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32MHz，另一级是32．768kHz。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32．768kHz晶振工作；在PM3模式下，两者全关。同时，在RBI

7、AS1和RBIAS2(22、26引脚)引脚上须外接1％精密电阻，为32MHz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。2．3CC2430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

8、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