Zigbee开发技术及实践(丁春强)第3章.ppt

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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

2、中所要考虑的问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

3、求等，这些要求有助于器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

4、，选择一个与需求比较接近的成功参考设计。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1 mm。,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

5、模块进行元器件选型，元器件选型应该遵守以下原则。 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

6、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

7、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：

8、地线 电源线 信号线。通常信号线宽为0.20.3 mm，最精细宽度可达0.050.07 mm，电源线为1.22.5 mm。 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

9、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

10、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CC2530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

11、(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2.4 G天线)。 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2.63.6 V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56 k外部精密偏置电阻器。 引脚40为1.8 V数字供电退耦，不需要外接电路，只需要接1 F的退耦电容。,射频部分

12、完全参照TI给出的参考方案，引脚22和引脚23接32 MHz晶振，引脚32和33接32.768 kHz时钟晶振。 最终的设计原理图如图3-2所示，原理图中的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

13、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. 电源模块 协调器底板采用外部5 V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3.3 V电压为整个电路板供电。另外还提供5 V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5 V电压，PowerSW为开关，5 V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3.3 V电压为整个电路板供电。 电压转换电路采用AMS1117 3.3 V电压转换芯片，其中C4

14、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5 V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

15、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. 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FYD128 64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： FYD128

16、64采用5 V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为串行同步时钟，上升沿时读取SID数据，接CC2530的P1.4引脚。 FYD128 64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RS48

17、5跳线选择,RS232串口芯片采用MAX3232。MAX3232为双电荷泵3.05.0 V供电，确保在 120 Kb/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 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3-1

18、2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

19、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12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

20、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03.3 V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

21、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、分、时、日、星期、月和年，工作电压宽达2.55.5 V，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3 V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。

22、 DS1302引脚2和引脚3两个引脚接32.768 kHz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、P0.1、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16 Mbit(2 M字节)，内部有两个数据缓冲区，采用2.73.6 V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：

23、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“J

24、P19(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

25、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1.5 V的五号电池串联得到3.0 V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

26、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 32 MHz时，RX为24 mA，TX为29 mA。,3.4 低功耗设计,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

27、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，CC2

28、530的工作电压是2.03.6 V，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35 V的传感器，那么当电池电压降到3 V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

29、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。,