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1、,第3章 Zigbee硬件设计,3.1 概述3.2 设计规则及注意事项3.3 硬件总体设计3.4 低功耗设计,理解硬件设计规则及注意事项。掌握CC2530核心板、路由器底板和协调器底板的设计。了解低功耗设计。,本章将详细讲解Zigbee的硬件设计，主要内容包括硬件设计规则及注意事项、Zigbee节点硬件总体设计、Zigbee节点低功耗设计，其中：硬件设计规则及注意事项主要包括需求分析、元器件选型以及设计的基本原则。,3.1 概述,Zigbee节点硬件总体设计分别介绍Zigbee核心板、Zigbee协调器底板和路由器底板的硬件设计。Zigbee节点低功耗设计主要讲解在低功耗设计过程中所要考虑的问
2、题以及需要注意的事项。,作为硬件系统的设计者，启动一个硬件开发项目，要综合考虑各个方面，比如性价比、市场的需要、整个系统架构的需求等，以便提出合适的硬件解决方案。下面以基于CC2530 Zigbee节点硬件设计的原理图和PCB的绘制为例，来讲解硬件设计规则及注意事项。,3.2 设计规则及注意事项,3.2.1 原理图设计硬件原理图设计是产品设计的理论基础，设计一份规范的原理图对设计PCB具有指导性意义，是做好一款产品的基础。原理图设计的基本要求：规范、清晰、准确、易读。原理图设计的一般过程包括以下几个方面。1.确定需求详细理解设计需求，从需求中整理出电路功能模块和性能指标要求等，这些要求有助于器
3、件选型和电路的设计。要设计Zigbee节点，首先要了解Zigbee节点应该具备的基本功能：无线传输及组网、LED灯的显示、按键、供电模块等。了解基本需求后需要进行硬件的选型。,2.确定核心CPU根据功能和性能需求制定总体设计方案，对CPU进行选型。CPU选型有以下几点要求：性价比高。容易开发，体现在硬件调试工具种类多，参考设计多，硬件资源丰富，成功案例多。,可扩展性好。根据要求选择CC2530作为Zigbee节点硬件核心CPU，其优势在于CC2530可以满足设计的需求、性价比，稳定性比较高，可参考的设计方案比较多。,3.参考成功案例针对已经选定的CPU芯片，选择一个与需求比较接近的成功参考设计
4、。一般CPU生产商或合作方都会对每款CPU芯片做若干开发板进行验证，厂家公开给用户的参考设计图也是经过严格验证的，所以在设计过程中可以参考并细读CPU芯片手册或找厂商进行确认。TI给出了CC2530芯片手册，在设计过程中仔细阅读芯片手册，可以减少设计的误差。CC2530芯片手册给出了设计方案以及注意事项。,图3-1所示为CC2530芯片手册给出的设计参考方案，其中注明CC2530芯片反面接地，建议用封装为0402的外围电容电阻等元器件，并且制作的PCB厚度最好为1mm。,图3-1 CC2530芯片手册参考方案,4.对外围器件的选型根据需求对外设功能模块进行元器件选型，元器件选型应该遵守以下原则
5、。普遍性原则：所选的元器件要被广泛使用验证过，尽量少用冷、偏芯片，减少风险。性价比高原则：在功能、性能、使用率都相近的情况下，尽量选择价格比较低的元器件，减少成本。采购方便原则：尽量选择容易买到、供货周期短的元器件。,持续发展原则：尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件。可替代原则：尽量选择引脚到引脚兼容种类比较多的元器件。向上兼容原则：尽量选择以前老产品用过的元器件。资源节约原则：尽量用上元器件的全部功能和管脚。在CC2530节点硬件设计的过程中，采用的外围元件比较少，都是一些常见且容易购买、性价比高的元器件，所以在设计过程中外围器件的选择比较容易。,5.设计基本原则硬件原理图的设计应该遵
6、守以下基本原则：数字电源和模拟电源分割。数字地和模拟地分割，单点接地，数字地可以直接接机壳地(大地)，机壳地必须接大地。各功能布局要合理，整份原理图需要布局均衡，避免有些地方很拥挤，而有些地方很松散。可调元器件(如电位器)、切换开关等对应的功能需弄清楚。,重要的控制或信号线需标明流向及用文字标明功能。元件参数/数值必须准确标识，功率电阻一定要标明功率值，高耐压滤波电容需标明耐压值。保证系统每个模块资源不能冲突，例如，同一I2C总线上的设备地址不能相同等。阅读系统所有芯片手册，注意其未用输入管脚是否需要做外部处理，如果需要，一定要做相应的外部处理。在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发的方
7、便，或者以小的硬件设计难度来换取更多方便、可靠、高效的软件设计，这点需要硬件设计人员懂得底层软件的开发调试，要求较高。,3.2.2 PCB设计在原理图绘制完成后，可以对相应的PCB进行设计。在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤。1.电源、地线的处理电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。,注意事项包括以下几点。尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线。通常信号线宽为0.20.3mm，最精细宽度可达0.050.07mm，电源
8、线为1.22.5mm。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网来使用(模拟电路的地线不能这样使用)。用大面积铜层作地线用，在PCB上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用，或是做成多层板，电源、地线各占用一层。,2.数字电路与模拟电路的共地处理当前PCB不再是单一功能电路(数字或模拟电路)，而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰的问题，特别是地线上的噪音干扰，数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强。对信号线：高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。,对地线：PCB对外界只有一个连接点，所以必须在PCB内部处理数、模共地的问题；而在板内部数
9、字地和模拟地实际上是分开、互不相连的，只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)，数字地与模拟地由一点短接。,3.信号线布在电(地)层上在多层PCB上布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下的已经不多，再多加层数就会造成浪费，也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电(地)层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层(因为最好是保留地层的完整性)。,为了便于设备维护以及扩展使用，将Zigbee硬件分为三部分，即CC2530核心板、协调器底板和路由器底板。CC2530核心板是协调器底板和路由器底板共用的电路板，其上有CC2530芯片。,3.3 硬件总体设计,将CC
10、2530核心板独立出来主要有两个优点：便于设备的维护。一旦CC2530核心板或者协调器底板和路由器底板出现问题，便于及时更换。便于设备灵活使用。CC2530既可以配合协调器底板使用，也可以配合路由器底板使用，并且还可以与网关配合使用(网关上预留CC2530核心板插座)。推荐协调器底板和CC2530核心板组合使用作为Zigbee网络协调器，路由器底板和CC2530核心板组合使用作为Zigbee路由器或Zigbee终端节点。,3.3.1 CC2530核心板设计CC2530核心板(采用TI公司的CC2530F256芯片)集成了CC2530芯片正常工作时所有的外部电路(包括SMA接口，以连接2.4G天
11、线)。CC2530核心板原理图的设计主要是参照TI公司给出的CC2530使用手册中的方案来设计的，其参考方案如图3-1所示。,自行设计时的注意事项如下：CC2530引脚10、21、24、27、28、29、31和39需要接2.63.6V电源，引脚1、2、3和4接地。另外根据需求添加了一些去耦电容、电源指示灯以及复位电路。引脚30需要连接提供基准电流的56k外部精密偏置电阻器。引脚40为1.8V数字供电退耦，不需要外接电路，只需要接1F的退耦电容。,射频部分完全参照TI给出的参考方案，引脚22和引脚23接32MHz晶振，引脚32和33接32.768kHz时钟晶振。最终的设计原理图如图3-2所示，原
12、理图中的ZIGBEE-Board为CC2530核心板的插座板，它将由I/O口引出以便供路由器底板和协调器底板扩展使用，其中P0.6需要接10 k的上拉电阻。,图3-2 CC2530原理图,图3-3 CC2530核心板实物图,3.3.2 协调器节点设计协调器底板与CC2530核心板配合使用可以提供丰富的硬件支持资源，用于进行功能的演示和开发等。协调器底板集成了电源接口、JTAG接口、按键、LED和LCD、RS232和RS485接口、蜂鸣器、传感器模块、电位器、时钟模块和外扩存储模块等。同时还提供外部扩展接口，可以根据需求连接相应的电路，其参考原理图如图3-4所示。,图3-4 协调器原理图,1.电
13、源模块协调器底板采用外部5V电源供电，通过电源适配器与电源接口相连，由协调器底板上的电源转换模块转换为3.3V电压为整个电路板供电。另外还提供5V备用电源接口。电源部分原理图如图3-5所示。,图3-5 电源部分设计,其中：POWER为电源插口，输出5V电压，PowerSW为开关，5V电压经过保险丝和滤波电路后，由电压转换电路将其转换为3.3V电压为整个电路板供电。电压转换电路采用AMS1117 3.3V电压转换芯片，其中C4为输入旁路电容，C5为输出旁路电容，建议用钽电容。JP1和JP2为5V外扩电源接口。,图3-6 JTAG电路,2.JTAG接口JTAG接口是连接仿真器下载调试程序的接口，其
14、原理图如图3-6所示。由于CC2530的P2.1和P2.2为CC2530的调试接口，所以上述原理图中，JTAG接口有效的连线只有四条：地线、电源线、CC2530引脚的P2.1和P2.2(即DC和DD引脚)。其中JTAG接口的引脚1接地线，引脚7接电源，引脚3和引脚4分别接DD和DC，其余引脚悬空。SW1为复位按键。,3.按键协调器底板有6个按键，分别为4个AD按键和2个I/O按键，可根据应用需要由软件设置以实现不同的功能，如图3-7所示。,图3-7 按键电路图,其中，AD按键接CC2530的P0.6，通过软件设置它们的电压来区分按键，另外两个I/O按键分别接CC2530的P0.4和P0.5。4
15、.LED灯协调器底板上有四个LED指示灯，分别接CC2530的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3，其中P1.2、P1.3、P1.4和外部扩展存储模块共用引脚，如图3-8所示。,图3-8 LED电路图,5.LCD液晶显示屏采用FYD12864单色屏，具有4位/8位并行、2线/3线串行多种接口方式，本设计采用SPI端口来驱动，如图3-9所示。,图3-9 LCD原理图,在上述原理图中：FYD12864采用5V供电。通过跳线JP22(LCD EN)选择与CC2530引脚相连。CS为LCD模块片选端，接CC2530的P1.6引脚；SID为串行数据输入端，接CC2530的P1.5引脚；SCLK为串行同
16、步时钟，上升沿时读取SID数据，接CC2530的P1.4引脚。FYD12864使用串口通信模式时，PSB应设置为低电平，所以将PSB接地。,6.RS232和RS485接口RS232和RS485接口共用了CC2530的P0.2和P0.3引脚，P0.2为串口的RX，P0.3为串口的TX，通过跳线JP6选择使用RS232或者RS485，如图3-10所示。,图3-10 RS232和RS485跳线选择,RS232串口芯片采用MAX3232。MAX3232为双电荷泵3.05.0V供电，确保在120Kb/s数据速率下维持RS232电路电平，并且具有两路接收器和两路驱动器功能，如图3-11所示。,图3-11
17、MAX232原理图,其中：MAX3232芯片的引脚9和引脚10分别为T2I和R2O，分别与CC2530的RX和TX相接。MAX3232的引脚7和引脚8为T2O和R2I，与计算机或者网关进行通信。RS485电路部分采用MAX3485芯片。MAX3485驱动芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片，用于RS-485通信的低功耗收发器，具有一个驱动器和一个接收器，如图3-12所示。,图3-12 RS485电路原理图,MAX3485的引脚1和引脚4分别通过跳线连接CC2530的RX和TX。MAX3485的引脚6和引脚7分别与RS485总线A、B连接，R2为终端电阻。,图3-13 蜂鸣器原理图,引脚2
18、和引脚3是MAX3232的控制端，利用P2.0对MAX3485芯片进行收/发控制。7.蜂鸣器蜂鸣器两端加直流电压即可工作，其驱动电路如图3-13所示。其中，三极管Q1起开关作用，通过跳线JP9选择使用CC2530的P2.0控制三极管的基极，三极管基极的低电平使三极管关闭，蜂鸣器两端的电压差使蜂鸣器发声。而基极高电平则使三极管饱和导通，此时蜂鸣器两端不产生电压差或者电压差不足以使蜂鸣器发出声音，从而使蜂鸣器停止发声。,8.传感器模块协调器底板上集成的传感器模块由两部分组成，即温度传感器和光敏传感器。温度传感器采用的是DS18B20，DS18B20为数字温度传感器，测量范围为-55+125,最高1
19、2位分辨率，精度可达到0.5。DS18B20温度传感器的原理图比较简单，DS18B20有3个引脚，分别接电源线、地线和I/O引脚，I/O引脚通过跳线JP14选择CC2530的P1.7控制采集DS18B20的温度值，如图3-14所示。,光敏传感器采用光敏电阻，光敏电阻为光电传感器，将光信号转换为电信号，无光时为高阻状态，光照增强时，电阻减小，通过与固定电阻R3的分压作用，引起电位的变化，通过AD转换器采集到的电压值来计算光照强度，如图3-15所示。通过跳线JP15选择CC2530的P0.7引脚来采集光敏电阻的电压值。,图3-14 温度传感器的原理图,图3-15 光敏电阻的原理图,9.电位器电位器
20、用于模拟一个传感器的电压输出，旋转旋钮可以让输出电压发生03.3V的变化，引起AD采样值的变化，用来演示开发板中CC2530的数模转换功能，如图3-16所示。其中，W1为电位器，有三个引脚，引脚1接电源，引脚3接地线，引脚2通过跳线JP16与CC2530的P0.7相连，通过P0.7采集电压值。,图3-16 电位器的原理图,10.时钟模块时钟模块采用DS1302时钟芯片，采用独立电池供电。DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的时钟芯片，采用2线同步串行接口与CPU进行通信，可以一次读写一个寄存器的值，也可以采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或寄存器数据，实时时钟可提供秒
21、、分、时、日、星期、月和年，工作电压宽达2.55.5V，如图3-17所示。,图3-17 DS1302时钟模块的原理图,其中：DS1302的引脚1和引脚8是电源引脚。这里采用两种供电方式。引脚1由协调器底板统一供电，C16为去耦电容。引脚8连接3V纽扣电池，当协调器底板断电后，电池可以持续为DS1302供电，使DS1302正常工作。DS1302引脚2和引脚3两个引脚接32.768kHz时钟晶振。DS1302引脚4为GND，直接接地即可。DS1302引脚5、6、7为工作引脚。引脚5为复位引脚，引脚6为数据的输入/输出引脚，,引脚7为串行时钟输入引脚，通过跳线JP8分别与CC2530的P0.0、P0
22、.1、P1.1相连。11.外扩存储模块外扩存储模块采用ATMEL公司生产的AT45DB161D芯片。AT45DB161D是一款串行接口的FLASH存储器，存储容量为16Mbit(2M字节)，内部有两个数据缓冲区，采用2.73.6V电源供电，如图3-18所示。AT45DB161有8个引脚，各个引脚的作用如下：引脚6和引脚7分别为电源和地引脚，直接接电源线和地线即可。,引脚5为硬件写保护引脚，接高电平，禁止写保护。引脚3为复位引脚外接复位电路。引脚4为芯片的片选端(CS)，与CC2530的P1.2引脚相连接。引脚2为串行时钟输入引脚(SCK)，与CC2530的P1.3引脚相连接。引脚1为串行数据输
23、入引脚(MOSI)，与CC2530的P1.5引脚相连接。引脚8为串行数据输出引脚(MISO)，与CC2530的P1.4引脚相连接。,图3-18 外扩存储模块AT45DB161的原理图,AT45DB161存储芯片与CC2530连接要通过“AT45 EN”跳线组的选择，在使用外部扩展存储模块时要将“JP19(AT45 EN)”跳线组插上跳线帽。12.CC2530插槽及扩展接口协调器底板给出了CC2530核心板的插槽和扩展接口，如图3-19所示。JP20和JP21为CC2530核心板的插槽。JP17和JP18为协调器底板引出的扩展接口，扩展接口将P0和P1预留出来，用于连接其他的外扩传感器或进行其他
24、功能的扩展。,图3-19 CC2530核心板插槽和扩展接口,3.4.3 路由器节点设计路由器底板与协调器底板相比，减少了一些功能(例如，去掉了串口接口，减少了按键等)。它集成了电源模块、LED指示灯、按键、JTAG接口、光敏电阻、DS18B20温度传感器、电位器、CC2530核心板插槽和扩展接口。其中LED指示灯、JTAG接口、各种传感器、CC2530核心板插槽和扩展接口的设计和协调器底板完全相同，但路由器底板没有AD按键，只有I/O控制按键。路由器底板原理图如图3-20所示。,图3-20 路由器底板原理图,考虑到项目的实际需要，路由器底板的电源有两种供电方式，外接电源供电和电池供电。外接电源
25、供电和协调器底板完全相同，不同的是电池供电，电池采用两节1.5V的五号电池串联得到3.0V电压为路由器底板进行供电。通过开关来选择外接电源供电还是电池供电，如图3-21所示。,图3-21 路由器底板部分电源电路,Zigbee节点硬件低功耗设计主要从以下几个方面考虑。1.选择低功耗的器件能够直接降低功耗的方法就是选择低功耗的元器件。在Zigbee节点硬件设计中选择了将射频收发电路与MCU集成到一起(片上系统Soc)的CC2530芯片，可以降低多个器件组合可能带来的能量损耗，并且CC2530本身具有低功耗的性能，当微控制器内核运行在32MHz时，RX为24mA，TX为29mA。,3.4 低功耗设计
26、,2.去除不必要的器件 在硬件平台上的器件都是要消耗能量的，在进行电路设计过程中要充分考虑需要哪些器件，不需要哪些器件，不需要大而全的电路，而是要简而实用的电路，因此在电路设计中要去除不必要的器件和接插件。器件减少可以降低设计风险，提高设计成功率，降低调试难度，所以系统的精简十分重要。在Zigbee节点硬件设计的过程当中，每个设备都预留了扩展接口，扩展的传感器连接到采集节点的扩展接口上，当需要某种传感器时将其与终端节点相连，不需要某种传感器时将其从终端节点上去除。,3.选择合适的电源电源部分是系统的能量来源，在选择电源时要充分了解电源的放电及其他特性，让电源充分发挥自身的能力。设计中所要了解的
27、就是电源的稳定电压输出是多少，电源的额定容量是多少，电源所能提供的最大电流是多少等。4.综合考虑所有器件的工作电压范围一个系统的正常工作运行不仅仅是微处理器的正常工作，还包括其他器件的正常工作，因此在选择器件的过程中要充分考虑所有器件的供电范围。,例如，CC2530的工作电压是2.03.6V，那么为了能够尽量延长整个系统稳定工作的时间，要尽量选择供电范围与CC2530相近的其他器件。如果选择了一个工作电压为35V的传感器，那么当电池电压降到3V以下后，虽然CC2530可以正常工作，但是传感器已经失效，所以要尽量选择外围器件与微处理器的正常工作电压相近的器件。,5.器件特性有效利用器件的特性及自
28、身的需求也可以降低系统功耗。例如：CC2530芯片有4种电源管理模式，这4种模式下工作电流是不同的，所以功耗也各不相同，充分发挥系统工作时的集中管理模式就可以有效降低器件的功耗。CC2530芯片的发射功率是可以调节的，可以根据自身的实际需要调节发射功率，即在满足条件的情况下尽量调低系统功耗，这样也可以有助于降低系统功耗。,CC2530有片内的FLASH存储单元，对FLASH的读写都需要消耗电量，根据FLASH的读写特性设计读写方法，也可以降低系统功耗。,通过本章的学习，学生应该能够掌握以下内容：原理图设计的基本要求：规范、清晰、准确、易读。在硬件的设计过程中，要根据功能和性能的需求制定合适的方案，选取合适的CPU及外围元件。,小 结,Zigbee硬件分为三部分，即CC2530核心板、协调器底板和路由器底板。协调器底板集成了LED、LCD、RS232、电源接口、JTAG接口、蜂鸣器、时钟模块、按键以及传感器模块。路由器底板集成了LED、电源接口、JTAG接口、蜂鸣器、按键以及传感器模块。,
