Zigbee開(kāi)發(fā)技術(shù)及實(shí)踐第3章Zigbee硬件設(shè)計(jì)課件

Zigbee開(kāi)發(fā)技術(shù)及實(shí)踐第3章Zigbee硬件設(shè)計(jì)Zigbee開(kāi)發(fā)技術(shù)及實(shí)踐第3章Zigbee硬件設(shè)計(jì)

理解硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)。

掌握CC2530核心板、路由器底板和協(xié)調(diào)器底板的設(shè)計(jì)。

了解低功耗設(shè)計(jì)。

理解硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)。

掌握CC

本章將詳細(xì)講解Zigbee的硬件設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)、Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)、Zigbee節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)，其中：

硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)主要包括需求分析、元器件選型以及設(shè)計(jì)的基本原則。3.1概述

本章將詳細(xì)講解Zigbee的硬件設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)分別介紹Zigbee核心板、Zigbee協(xié)調(diào)器底板和路由器底板的硬件設(shè)計(jì)。

Zigbee節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)主要講解在低功耗設(shè)計(jì)過(guò)程中所要考慮的問(wèn)題以及需要注意的事項(xiàng)。Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)分別介紹Zigbee核心板

作為硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，啟動(dòng)一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，要綜合考慮各個(gè)方面，比如性價(jià)比、市場(chǎng)的需要、整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的需求等，以便提出合適的硬件解決方案。下面以基于CC2530Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的原理圖和PCB的繪制為例，來(lái)講解硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)。3.2設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)

作為硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，啟動(dòng)一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，3.2.1原理圖設(shè)計(jì)

硬件原理圖設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一份規(guī)范的原理圖對(duì)設(shè)計(jì)PCB具有指導(dǎo)性意義，是做好一款產(chǎn)品的基礎(chǔ)。原理圖設(shè)計(jì)的基本要求：規(guī)范、清晰、準(zhǔn)確、易讀。原理圖設(shè)計(jì)的一般過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。

1.確定需求

詳細(xì)理解設(shè)計(jì)需求，從需求中整理出電路功能模塊和性能指標(biāo)要求等，這些要求有助于器件選型和電路的設(shè)計(jì)。要設(shè)計(jì)Zigbee節(jié)點(diǎn)，首先要了解Zigbee節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備的基本功能：無(wú)線傳輸及組網(wǎng)、LED燈的顯示、按鍵、供電模塊等。了解基本需求后需要進(jìn)行硬件的選型。3.2.1原理圖設(shè)計(jì)

硬件原理圖設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的2.確定核心CPU

根據(jù)功能和性能需求制定總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)CPU進(jìn)行選型。CPU選型有以下幾點(diǎn)

要求：

性價(jià)比高。

容易開(kāi)發(fā)，體現(xiàn)在硬件調(diào)試工具種類(lèi)多，參考設(shè)計(jì)多，硬件資源豐富，成功案例多。2.確定核心CPU

根據(jù)功能和性能需求制定總體可擴(kuò)展性好。

根據(jù)要求選擇CC2530作為Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件核心CPU，其優(yōu)勢(shì)在于CC2530可以滿足設(shè)計(jì)的需求、性價(jià)比，穩(wěn)定性比較高，可參考的設(shè)計(jì)方案比較多?？蓴U(kuò)展性好。

根據(jù)要求選擇CC2530作為Zigbee3.參考成功案例

針對(duì)已經(jīng)選定的CPU芯片，選擇一個(gè)與需求比較接近的成功參考設(shè)計(jì)。一般CPU生產(chǎn)商或合作方都會(huì)對(duì)每款CPU芯片做若干開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證，廠家公開(kāi)給用戶的參考設(shè)計(jì)圖也是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以參考并細(xì)讀CPU芯片手冊(cè)或找廠商進(jìn)行確認(rèn)。

TI給出了CC2530芯片手冊(cè)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中仔細(xì)閱讀芯片手冊(cè)，可以減少設(shè)計(jì)的誤差。CC2530芯片手冊(cè)給出了設(shè)計(jì)方案以及注意事項(xiàng)。3.參考成功案例

針對(duì)已經(jīng)選定的CPU芯片，選圖3-1所示為CC2530芯片手冊(cè)給出的設(shè)計(jì)參考方案，其中注明CC2530芯片反面接地，建議用封裝為0402的外圍電容電阻等元器件，并且制作的PCB厚度最好為1

mm。圖3-1所示為CC2530芯片手冊(cè)給出的設(shè)計(jì)參考方案，其中注

圖3-1CC2530芯片手冊(cè)參考方案圖3-1CC2530芯片手冊(cè)參考方案

4.對(duì)外圍器件的選型

根據(jù)需求對(duì)外設(shè)功能模塊進(jìn)行元器件選型，元器件選型應(yīng)該遵守以下原則。

普遍性原則：所選的元器件要被廣泛使用驗(yàn)證過(guò)，盡量少用冷、偏芯片，減少風(fēng)險(xiǎn)。

性價(jià)比高原則：在功能、性能、使用率都相近的情況下，盡量選擇價(jià)格比較低的元器件，減少成本。

采購(gòu)方便原則：盡量選擇容易買(mǎi)到、供貨周期短的元器件。4.對(duì)外圍器件的選型

根據(jù)需求對(duì)外設(shè)功能模塊進(jìn)持續(xù)發(fā)展原則：盡量選擇在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)的元器件。

可替代原則：盡量選擇引腳到引腳兼容種類(lèi)比較多的元器件。

向上兼容原則：盡量選擇以前老產(chǎn)品用過(guò)的元器件。

資源節(jié)約原則：盡量用上元器件的全部功能和管腳。

在CC2530節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用的外圍元件比較少，都是一些常見(jiàn)且容易購(gòu)買(mǎi)、性價(jià)比高的元器件，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中外圍器件的選擇比較容易。持續(xù)發(fā)展原則：盡量選擇在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)的元器件5.設(shè)計(jì)基本原則

硬件原理圖的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵守以下基本原則：

數(shù)字電源和模擬電源分割。

數(shù)字地和模擬地分割，單點(diǎn)接地，數(shù)字地可以直接接機(jī)殼地(大地)，機(jī)殼地必須接大地。

各功能布局要合理，整份原理圖需要布局均衡，避免有些地方很擁擠，而有些地方很松散。

可調(diào)元器件(如電位器)、切換開(kāi)關(guān)等對(duì)應(yīng)的功能需弄清楚。5.設(shè)計(jì)基本原則

硬件原理圖的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵守以下重要的控制或信號(hào)線需標(biāo)明流向及用文字標(biāo)明功能。

元件參數(shù)/數(shù)值必須準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)，功率電阻一定要標(biāo)明功率值，高耐壓濾波電容需標(biāo)明耐壓值。

保證系統(tǒng)每個(gè)模塊資源不能沖突，例如，同一I2C總線上的設(shè)備地址不能相同等。

閱讀系統(tǒng)所有芯片手冊(cè)，注意其未用輸入管腳是否需要做外部處理，如果需要，一定要做相應(yīng)的外部處理。

在不增加硬件設(shè)計(jì)難度的情況下盡量保證軟件開(kāi)發(fā)的方便，或者以小的硬件設(shè)計(jì)難度來(lái)?yè)Q取更多方便、可靠、高效的軟件設(shè)計(jì)，這點(diǎn)需要硬件設(shè)計(jì)人員懂得底層軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試，要求較高。重要的控制或信號(hào)線需標(biāo)明流向及用文字標(biāo)明功能。

3.2.2PCB設(shè)計(jì)

在原理圖繪制完成后，可以對(duì)相應(yīng)的PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)。在PCB設(shè)計(jì)中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟。

1.電源、地線的處理

電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會(huì)使產(chǎn)品的性能下降，甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對(duì)電、地線的布線要認(rèn)真對(duì)待，把電、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。3.2.2PCB設(shè)計(jì)

在原理圖繪制完成后，可以對(duì)注意事項(xiàng)包括以下幾點(diǎn)。

盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線

>

電源線

>

信號(hào)線。通常信號(hào)線寬為0.2～0.3

mm，最精細(xì)寬度可達(dá)0.05～0.07

mm，電源線為1.2～2.5

mm。

對(duì)數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路，即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用(模擬電路的地線不能這樣使用)。

用大面積銅層作地線用，在PCB上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線用，或是做成多層板，電源、地線各占用一層。注意事項(xiàng)包括以下幾點(diǎn)。

盡量加寬電源、地線寬度，2.數(shù)字電路與模擬電路的共地處理

當(dāng)前PCB不再是單一功能電路(數(shù)字或模擬電路)，而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時(shí)就需要考慮它們之間互相干擾的問(wèn)題，特別是地線上的噪音干擾，數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)。

對(duì)信號(hào)線：高頻的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件。2.數(shù)字電路與模擬電路的共地處理

當(dāng)前PCB不對(duì)地線：PCB對(duì)外界只有一個(gè)連接點(diǎn)，所以必須在PCB內(nèi)部處理數(shù)、模共地的問(wèn)題；而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實(shí)際上是分開(kāi)、互不相連的，只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)，數(shù)字地與模擬地由一點(diǎn)短接。對(duì)地線：PCB對(duì)外界只有一個(gè)連接點(diǎn)，所以必須在PCB內(nèi)3.信號(hào)線布在電(地)層上

在多層PCB上布線時(shí)，由于在信號(hào)線層沒(méi)有布完的線剩下的已經(jīng)不多，再多加層數(shù)就會(huì)造成浪費(fèi)，也會(huì)給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應(yīng)增加了，為解決這個(gè)矛盾，可以考慮在電(地)層上進(jìn)行布線。首先應(yīng)考慮用電源層，其次才是地層(因?yàn)樽詈檬潜Ａ舻貙拥耐暾?。3.信號(hào)線布在電(地)層上

在多層PCB上布線

為了便于設(shè)備維護(hù)以及擴(kuò)展使用，將Zigbee硬件分為三部分，即CC2530核心板、協(xié)調(diào)器底板和路由器底板。CC2530核心板是協(xié)調(diào)器底板和路由器底板共用的電路板，其上有CC2530芯片。3.3硬件總體設(shè)計(jì)

為了便于設(shè)備維護(hù)以及擴(kuò)展使用，將Zigbee將CC2530核心板獨(dú)立出來(lái)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

便于設(shè)備的維護(hù)。一旦CC2530核心板或者協(xié)調(diào)器底板和路由器底板出現(xiàn)問(wèn)題，便于及時(shí)更換。

便于設(shè)備靈活使用。CC2530既可以配合協(xié)調(diào)器底板使用，也可以配合路由器底板使用，并且還可以與網(wǎng)關(guān)配合使用(網(wǎng)關(guān)上預(yù)留CC2530核心板插座)。

推薦協(xié)調(diào)器底板和CC2530核心板組合使用作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，路由器底板和CC2530核心板組合使用作為Zigbee路由器或Zigbee終端節(jié)點(diǎn)。將CC2530核心板獨(dú)立出來(lái)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

便3.3.1CC2530核心板設(shè)計(jì)

CC2530核心板(采用TI公司的CC2530F256芯片)集成了CC2530芯片正常工作時(shí)所有的外部電路(包括SMA接口，以連接2.4

G天線)。

CC2530核心板原理圖的設(shè)計(jì)主要是參照TI公司給出的CC2530使用手冊(cè)中的方案來(lái)設(shè)計(jì)的，其參考方案如圖3-1所示。3.3.1CC2530核心板設(shè)計(jì)

CC2530核自行設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)如下：

CC2530引腳10、21、24、27、28、29、31和39需要接2.6～3.6

V電源，引腳1、2、3和4接地。

另外根據(jù)需求添加了一些去耦電容、電源指示燈以及復(fù)位電路。

引腳30需要連接提供基準(zhǔn)電流的56

kΩ外部精密偏置電阻器。

引腳40為1.8

V數(shù)字供電退耦，不需要外接電路，只需要接1

μF的退耦電容。自行設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)如下：

CC2530引腳10射頻部分完全參照TI給出的參考方案，引腳22和引腳23接32

MHz晶振，引腳32和33接32.768

kHz時(shí)鐘晶振。

最終的設(shè)計(jì)原理圖如圖3-2所示，原理圖中的ZIGBEE-Board為CC2530核心板的插座板，它將由I/O口引出以便供路由器底板和協(xié)調(diào)器底板擴(kuò)展使用，其中P0.6需要接10kΩ的上拉電阻。射頻部分完全參照TI給出的參考方案，引腳22和引腳23

圖3-2CC2530原理圖圖3-2CC2530原理圖

圖3-3CC2530核心板實(shí)物圖圖3-3CC2530核心板實(shí)物圖

3.3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器底板與CC2530核心板配合使用可以提供豐富的硬件支持資源，用于進(jìn)行功能的演示和開(kāi)發(fā)等。協(xié)調(diào)器底板集成了電源接口、JTAG接口、按鍵、LED和LCD、RS232和RS485接口、蜂鳴器、傳感器模塊、電位器、時(shí)鐘模塊和外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊等。同時(shí)還提供外部擴(kuò)展接口，可以根據(jù)需求連接相應(yīng)的電路，其參考原理圖如圖3-4所示。3.3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器底板與CC253

圖3-4協(xié)調(diào)器原理圖圖3-4協(xié)調(diào)器原理圖

1.電源模塊

協(xié)調(diào)器底板采用外部5

V電源供電，通過(guò)電源適配器與電源接口相連，由協(xié)調(diào)器底板上的電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為3.3

V電壓為整個(gè)電路板供電。另外還提供5

V備用電源接口。電源部分原理圖如圖3-5所示。1.電源模塊

協(xié)調(diào)器底板采用外部5?V電源供電

圖3-5電源部分設(shè)計(jì)圖3-5電源部分設(shè)計(jì)

其中：

POWER為電源插口，輸出5

V電壓，PowerSW為開(kāi)關(guān)，5

V電壓經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲和濾波電路后，由電壓轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為3.3

V電壓為整個(gè)電路板供電。

電壓轉(zhuǎn)換電路采用AMS11173.3

V電壓轉(zhuǎn)換芯片，其中C4為輸入旁路電容，C5為輸出旁路電容，建議用鉭電容。

JP1和JP2為5

V外擴(kuò)電源接口。其中：

POWER為電源插口，輸出5?V電壓，P

圖3-6JTAG電路圖3-6JTAG電路2.

JTAG接口

JTAG接口是連接仿真器下載調(diào)試程序的接口，其原理圖如圖3-6所示。

由于CC2530的P2.1和P2.2為CC2530的調(diào)試接口，所以上述原理圖中，JTAG接口有效的連線只有四條：地線、電源線、CC2530引腳的P2.1和P2.2(即DC和DD引腳)。其中JTAG接口的引腳1接地線，引腳7接電源，引腳3和引腳4分別接DD和DC，其余引腳懸空。SW1為復(fù)位按鍵。2.?JTAG接口

JTAG接口是連接仿真器下3.按鍵

協(xié)調(diào)器底板有6個(gè)按鍵，分別為4個(gè)AD按鍵和2個(gè)I/O按鍵，可根據(jù)應(yīng)用需要由軟件設(shè)置以實(shí)現(xiàn)不同的功能，如圖3-7所示。3.按鍵

協(xié)調(diào)器底板有6個(gè)按鍵，分別為4個(gè)AD

圖3-7按鍵電路圖圖3-7按鍵電路圖

其中，AD按鍵接CC2530的P0.6，通過(guò)軟件設(shè)置它們的電壓來(lái)區(qū)分按鍵，另外兩個(gè)I/O按鍵分別接CC2530的P0.4和P0.5。

4.

LED燈

協(xié)調(diào)器底板上有四個(gè)LED指示燈，分別接CC2530的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3，其中P1.2、P1.3、P1.4和外部擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊共用引腳，如圖3-8所示。其中，AD按鍵接CC2530的P0.6，通過(guò)軟件設(shè)置它

圖3-8LED電路圖圖3-8LED電路圖5.

LCD

液晶顯示屏采用FYD128

×

64單色屏，具有4位/8位并行、2線/3線串行多種接口方式，本設(shè)計(jì)采用SPI端口來(lái)驅(qū)動(dòng)，如圖3-9所示。5.?LCD

液晶顯示屏采用FYD128?×?

圖3-9LCD原理圖圖3-9LCD原理圖

在上述原理圖中：

FYD128

×

64采用5

V供電。

通過(guò)跳線JP22(LCDEN)選擇與CC2530引腳相連。

CS為L(zhǎng)CD模塊片選端，接CC2530的P1.6引腳；SID為串行數(shù)據(jù)輸入端，接CC2530的P1.5引腳；SCLK為串行同步時(shí)鐘，上升沿時(shí)讀取SID數(shù)據(jù)，接CC2530的P1.4引腳。

FYD128

×

64使用串口通信模式時(shí)，PSB應(yīng)設(shè)置為低電平，所以將PSB接地。在上述原理圖中：

FYD128?×?64采用5?6.

RS232和RS485接口

RS232和RS485接口共用了CC2530的P0.2和P0.3引腳，P0.2為串口的RX，P0.3為串口的TX，通過(guò)跳線JP6選擇使用RS232或者RS485，如圖3-10所示。6.?RS232和RS485接口

RS232和

圖3-10RS232和RS485跳線選擇圖3-10RS232和RS485跳線選擇

RS232串口芯片采用MAX3232。MAX3232為雙電荷泵3.0～5.0

V供電，確保在

120

Kb/s數(shù)據(jù)速率下維持RS232電路電平，并且具有兩路接收器和兩路驅(qū)動(dòng)器功能，如圖3-11所示。RS232串口芯片采用MAX3232。MAX3232為

圖3-11MAX232原理圖圖3-11MAX232原理圖

其中：

MAX3232芯片的引腳9和引腳10分別為T(mén)2I和R2O，分別與CC2530的RX和TX相接。

MAX3232的引腳7和引腳8為T(mén)2O和R2I，與計(jì)算機(jī)或者網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。

RS485電路部分采用MAX3485芯片。MAX3485驅(qū)動(dòng)芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片，用于RS-485通信的低功耗收發(fā)器，具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，如圖3-12所示。其中：

MAX3232芯片的引腳9和引腳10分別

圖3-12RS485電路原理圖圖3-12RS485電路原理圖

MAX3485的引腳1和引腳4分別通過(guò)跳線連接CC2530的RX和TX。

MAX3485的引腳6和引腳7分別與RS485總線A、B連接，R2為終端電阻。MAX3485的引腳1和引腳4分別通過(guò)跳線連接CC25

圖3-13蜂鳴器原理圖圖3-13蜂鳴器原理圖

引腳2和引腳3是MAX3232的控制端，利用P2.0對(duì)MAX3485芯片進(jìn)行收/發(fā)控制。

7.蜂鳴器

蜂鳴器兩端加直流電壓即可工作，其驅(qū)動(dòng)電路如圖3-13所示。

其中，三極管Q1起開(kāi)關(guān)作用，通過(guò)跳線JP9選擇使用CC2530的P2.0控制三極管的基極，三極管基極的低電平使三極管關(guān)閉，蜂鳴器兩端的電壓差使蜂鳴器發(fā)聲。而基極高電平則使三極管飽和導(dǎo)通，此時(shí)蜂鳴器兩端不產(chǎn)生電壓差或者電壓差不足以使蜂鳴器發(fā)出聲音，從而使蜂鳴器停止發(fā)聲。引腳2和引腳3是MAX3232的控制端，利用P2.0對(duì)8.傳感器模塊

協(xié)調(diào)器底板上集成的傳感器模塊由兩部分組成，即溫度傳感器和光敏傳感器。

溫度傳感器采用的是DS18B20，DS18B20為數(shù)字溫度傳感器，測(cè)量范圍為

-55～+125℃,最高12位分辨率，精度可達(dá)到

±0.5℃。

DS18B20溫度傳感器的原理圖比較簡(jiǎn)單，DS18B20有3個(gè)引腳，分別接電源線、地線和I/O引腳，I/O引腳通過(guò)跳線JP14選擇CC2530的P1.7控制采集DS18B20的溫度值，如圖3-14所示。8.傳感器模塊

協(xié)調(diào)器底板上集成的傳感器模塊由光敏傳感器采用光敏電阻，光敏電阻為光電傳感器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，無(wú)光時(shí)為高阻狀態(tài)，光照增強(qiáng)時(shí)，電阻減小，通過(guò)與固定電阻R3的分壓作用，引起電位的變化，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器采集到的電壓值來(lái)計(jì)算光照強(qiáng)度，如圖3-15所示。通過(guò)跳線JP15選擇CC2530的P0.7引腳來(lái)采集光敏電阻的電壓值。光敏傳感器采用光敏電阻，光敏電阻為光電傳感器，將光信號(hào)

圖3-14溫度傳感器的原理圖

圖3-14溫度傳感器的原理圖

圖3-15光敏電阻的原理圖圖3-15光敏9.電位器

電位器用于模擬一個(gè)傳感器的電壓輸出，旋轉(zhuǎn)旋鈕可以讓輸出電壓發(fā)生0～3.3

V的變化，引起AD采樣值的變化，用來(lái)演示開(kāi)發(fā)板中CC2530的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，如圖3-16所示。

其中，W1為電位器，有三個(gè)引腳，引腳1接電源，引腳3接地線，引腳2通過(guò)跳線JP16與CC2530的P0.7相連，通過(guò)P0.7采集電壓值。9.電位器

電位器用于模擬一個(gè)傳感器的電壓輸出

圖3-16電位器的原理圖圖3-16電位器的原理圖10.時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊采用DS1302時(shí)鐘芯片，采用獨(dú)立電池供電。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的時(shí)鐘芯片，采用2線同步串行接口與CPU進(jìn)行通信，可以一次讀寫(xiě)一個(gè)寄存器的值，也可以采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或寄存器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，工作電壓寬達(dá)2.5～5.5

V，如圖3-17所示。10.時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊采用DS1302時(shí)鐘芯

圖3-17DS1302時(shí)鐘模塊的原理圖圖3-17DS1302時(shí)鐘模塊的原理圖

其中：

DS1302的引腳1和引腳8是電源引腳。這里采用兩種供電方式。引腳1由協(xié)調(diào)器底板統(tǒng)一供電，C16為去耦電容。引腳8連接3

V紐扣電池，當(dāng)協(xié)調(diào)器底板斷電后，電池可以持續(xù)為DS1302供電，使DS1302正常工作。

DS1302引腳2和引腳3兩個(gè)引腳接32.768

kHz時(shí)鐘晶振。

DS1302引腳4為GND，直接接地即可。

DS1302引腳5、6、7為工作引腳。引腳5為復(fù)位引腳，引腳6為數(shù)據(jù)的輸入/輸出引腳，其中：

DS1302的引腳1和引腳8是電源引腳。引腳7為串行時(shí)鐘輸入引腳，通過(guò)跳線JP8分別與CC2530的P0.0、P0.1、P1.1相連。

11.外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊

外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT45DB161D芯片。AT45DB161D是一款串行接口的FLASH存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量為16

Mbit(2

M字節(jié))，內(nèi)部有兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，采用2.7～3.6

V電源供電，如圖3-18所示。

AT45DB161有8個(gè)引腳，各個(gè)引腳的作用如下：

引腳6和引腳7分別為電源和地引腳，直接接電源線和地線即可。引腳7為串行時(shí)鐘輸入引腳，通過(guò)跳線JP8分別與CC2530的引腳5為硬件寫(xiě)保護(hù)引腳，接高電平，禁止寫(xiě)保護(hù)。

引腳3為復(fù)位引腳外接復(fù)位電路。

引腳4為芯片的片選端(CS)，與CC2530的P1.2引腳相連接。

引腳2為串行時(shí)鐘輸入引腳(SCK)，與CC2530的P1.3引腳相連接。

引腳1為串行數(shù)據(jù)輸入引腳(MOSI)，與CC2530的P1.5引腳相連接。

引腳8為串行數(shù)據(jù)輸出引腳(MISO)，與CC2530的P1.4引腳相連接。引腳5為硬件寫(xiě)保護(hù)引腳，接高電平，禁止寫(xiě)保護(hù)。

圖3-18外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊AT45DB161的原理圖圖3-18外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊AT45DB161的原理圖

AT45DB161存儲(chǔ)芯片與CC2530連接要通過(guò)“AT45EN”跳線組的選擇，在使用外部擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊時(shí)要將“JP19(AT45EN)”跳線組插上跳線帽。

12.

CC2530插槽及擴(kuò)展接口

協(xié)調(diào)器底板給出了CC2530核心板的插槽和擴(kuò)展接口，如圖3-19所示。JP20和JP21為CC2530核心板的插槽。JP17和JP18為協(xié)調(diào)器底板引出的擴(kuò)展接口，擴(kuò)展接口將P0和P1預(yù)留出來(lái)，用于連接其他的外擴(kuò)傳感器或進(jìn)行其他功能的擴(kuò)展。AT45DB161存儲(chǔ)芯片與CC2530連接要通過(guò)“A

圖3-19CC2530核心板插槽和擴(kuò)展接口圖3-19CC2530核心板插槽和擴(kuò)展接口3.4.3路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由器底板與協(xié)調(diào)器底板相比，減少了一些功能(例如，去掉了串口接口，減少了按鍵等)。它集成了電源模塊、LED指示燈、按鍵、JTAG接口、光敏電阻、DS18B20溫度傳感器、電位器、CC2530核心板插槽和擴(kuò)展接口。其中LED指示燈、JTAG接口、各種傳感器、CC2530核心板插槽和擴(kuò)展接口的設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器底板完全相同，但路由器底板沒(méi)有AD按鍵，只有I/O控制按鍵。路由器底板原理圖如圖3-20所示。3.4.3路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由器底板與協(xié)調(diào)器底板

圖3-20路由器底板原理圖圖3-20路由器底板原理圖考慮到項(xiàng)目的實(shí)際需要，路由器底板的電源有兩種供電方式，外接電源供電和電池供電。外接電源供電和協(xié)調(diào)器底板完全相同，不同的是電池供電，電池采用兩節(jié)1.5

V的五號(hào)電池串聯(lián)得到3.0

V電壓為路由器底板進(jìn)行供電。通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)選擇外接電源供電還是電池供電，如圖3-21所示?？紤]到項(xiàng)目的實(shí)際需要，路由器底板的電源有兩種供電方式，

圖3-21路由器底板部分電源電路圖3-21路由器底板部分電源電路

Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件低功耗設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面考慮。

1.選擇低功耗的器件

能夠直接降低功耗的方法就是選擇低功耗的元器件。在Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中選擇了將射頻收發(fā)電路與MCU集成到一起(片上系統(tǒng)Soc)的CC2530芯片，可以降低多個(gè)器件組合可能帶來(lái)的能量損耗，并且CC2530本身具有低功耗的性能，當(dāng)微控制器內(nèi)核運(yùn)行在

32

MHz時(shí)，RX為24

mA，TX為29

mA。3.4低功耗設(shè)計(jì)

Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件低功耗設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面考2.去除不必要的器件

在硬件平臺(tái)上的器件都是要消耗能量的，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮需要哪些器件，不需要哪些器件，不需要大而全的電路，而是要簡(jiǎn)而實(shí)用的電路，因此在電路設(shè)計(jì)中要去除不必要的器件和接插件。器件減少可以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)計(jì)成功率，降低調(diào)試難度，所以系統(tǒng)的精簡(jiǎn)十分重要。在Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，每個(gè)設(shè)備都預(yù)留了擴(kuò)展接口，擴(kuò)展的傳感器連接到采集節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展接口上，當(dāng)需要某種傳感器時(shí)將其與終端節(jié)點(diǎn)相連，不需要某種傳感器時(shí)將其從終端節(jié)點(diǎn)上去除。2.去除不必要的器件

在硬3.選擇合適的電源

電源部分是系統(tǒng)的能量來(lái)源，在選擇電源時(shí)要充分了解電源的放電及其他特性，讓電源充分發(fā)揮自身的能力。設(shè)計(jì)中所要了解的就是電源的穩(wěn)定電壓輸出是多少，電源的額定容量是多少，電源所能提供的最大電流是多少等。

4.綜合考慮所有器件的工作電壓范圍

一個(gè)系統(tǒng)的正常工作運(yùn)行不僅僅是微處理器的正常工作，還包括其他器件的正常工作，因此在選擇器件的過(guò)程中要充分考慮所有器件的供電范圍。3.選擇合適的電源

電源部分是系統(tǒng)的能量來(lái)源，例如，CC2530的工作電壓是2.0～3.6

V，那么為了能夠盡量延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的時(shí)間，要盡量選擇供電范圍與CC2530相近的其他器件。如果選擇了一個(gè)工作電壓為3～5

V的傳感器，那么當(dāng)電池電壓降到3

V以下后，雖然CC2530可以正常工作，但是傳感器已經(jīng)失效，所以要盡量選擇外圍器件與微處理器的正常工作電壓相近的器件。例如，CC2530的工作電壓是2.0～3.6?V，那么為了能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統(tǒng)功耗。例如：

CC2530芯片有4種電源管理模式，這4種模式下工作電流是不同的，所以功耗也各不相同，充分發(fā)揮系統(tǒng)工作時(shí)的集中管理模式就可以有效降低器件的功耗。

CC2530芯片的發(fā)射功率是可以調(diào)節(jié)的，可以根據(jù)自身的實(shí)際需要調(diào)節(jié)發(fā)射功率，即在滿足條件的情況下盡量調(diào)低系統(tǒng)功耗，這樣也可以有助于降低系統(tǒng)功耗。5.器件特性

有效利用器件的特性及自身的需求也CC2530有片內(nèi)的FLASH存儲(chǔ)單元，對(duì)FLASH的讀寫(xiě)都需要消耗電量，根據(jù)FLASH的讀寫(xiě)特性設(shè)計(jì)讀寫(xiě)方法，也可以降低系統(tǒng)功耗。

CC2530有片內(nèi)的FLASH存儲(chǔ)單元，對(duì)FLASH的

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該能夠掌握以下內(nèi)容：

原理圖設(shè)計(jì)的基本要求：規(guī)范、清晰、準(zhǔn)確、易讀。

在硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)功能和性能的需求制定合適的方案，選取合適的CPU及外圍元件。小結(jié)

通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該能夠掌握以下內(nèi)容：

Zigbee硬件分為三部分，即CC2530核心板、協(xié)調(diào)器底板和路由器底板。

協(xié)調(diào)器底板集成了LED、LCD、RS232、電源接口、JTAG接口、蜂鳴器、時(shí)鐘模塊、按鍵以及傳感器模塊。

路由器底板集成了LED、電源接口、JTAG接口、蜂鳴器、按鍵以及傳感器模塊。Zigbee硬件分為三部分，即CC2530核心板、協(xié)調(diào)Zigbee開(kāi)發(fā)技術(shù)及實(shí)踐第3章Zigbee硬件設(shè)計(jì)Zigbee開(kāi)發(fā)技術(shù)及實(shí)踐第3章Zigbee硬件設(shè)計(jì)

理解硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)。

掌握CC2530核心板、路由器底板和協(xié)調(diào)器底板的設(shè)計(jì)。

了解低功耗設(shè)計(jì)。

理解硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)。

掌握CC

本章將詳細(xì)講解Zigbee的硬件設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容包括硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)、Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)、Zigbee節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)，其中：

硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)主要包括需求分析、元器件選型以及設(shè)計(jì)的基本原則。3.1概述

本章將詳細(xì)講解Zigbee的硬件設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)分別介紹Zigbee核心板、Zigbee協(xié)調(diào)器底板和路由器底板的硬件設(shè)計(jì)。

Zigbee節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)主要講解在低功耗設(shè)計(jì)過(guò)程中所要考慮的問(wèn)題以及需要注意的事項(xiàng)。Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)分別介紹Zigbee核心板

作為硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，啟動(dòng)一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，要綜合考慮各個(gè)方面，比如性價(jià)比、市場(chǎng)的需要、整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的需求等，以便提出合適的硬件解決方案。下面以基于CC2530Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的原理圖和PCB的繪制為例，來(lái)講解硬件設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)。3.2設(shè)計(jì)規(guī)則及注意事項(xiàng)

作為硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，啟動(dòng)一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，3.2.1原理圖設(shè)計(jì)

硬件原理圖設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一份規(guī)范的原理圖對(duì)設(shè)計(jì)PCB具有指導(dǎo)性意義，是做好一款產(chǎn)品的基礎(chǔ)。原理圖設(shè)計(jì)的基本要求：規(guī)范、清晰、準(zhǔn)確、易讀。原理圖設(shè)計(jì)的一般過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。

1.確定需求

詳細(xì)理解設(shè)計(jì)需求，從需求中整理出電路功能模塊和性能指標(biāo)要求等，這些要求有助于器件選型和電路的設(shè)計(jì)。要設(shè)計(jì)Zigbee節(jié)點(diǎn)，首先要了解Zigbee節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備的基本功能：無(wú)線傳輸及組網(wǎng)、LED燈的顯示、按鍵、供電模塊等。了解基本需求后需要進(jìn)行硬件的選型。3.2.1原理圖設(shè)計(jì)

硬件原理圖設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的2.確定核心CPU

根據(jù)功能和性能需求制定總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)CPU進(jìn)行選型。CPU選型有以下幾點(diǎn)

要求：

性價(jià)比高。

容易開(kāi)發(fā)，體現(xiàn)在硬件調(diào)試工具種類(lèi)多，參考設(shè)計(jì)多，硬件資源豐富，成功案例多。2.確定核心CPU

根據(jù)功能和性能需求制定總體可擴(kuò)展性好。

根據(jù)要求選擇CC2530作為Zigbee節(jié)點(diǎn)硬件核心CPU，其優(yōu)勢(shì)在于CC2530可以滿足設(shè)計(jì)的需求、性價(jià)比，穩(wěn)定性比較高，可參考的設(shè)計(jì)方案比較多?？蓴U(kuò)展性好。

根據(jù)要求選擇CC2530作為Zigbee3.參考成功案例

針對(duì)已經(jīng)選定的CPU芯片，選擇一個(gè)與需求比較接近的成功參考設(shè)計(jì)。一般CPU生產(chǎn)商或合作方都會(huì)對(duì)每款CPU芯片做若干開(kāi)發(fā)板進(jìn)行驗(yàn)證，廠家公開(kāi)給用戶的參考設(shè)計(jì)圖也是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)證的，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以參考并細(xì)讀CPU芯片手冊(cè)或找廠商進(jìn)行確認(rèn)。

TI給出了CC2530芯片手冊(cè)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中仔細(xì)閱讀芯片手冊(cè)，可以減少設(shè)計(jì)的誤差。CC2530芯片手冊(cè)給出了設(shè)計(jì)方案以及注意事項(xiàng)。3.參考成功案例

針對(duì)已經(jīng)選定的CPU芯片，選圖3-1所示為CC2530芯片手冊(cè)給出的設(shè)計(jì)參考方案，其中注明CC2530芯片反面接地，建議用封裝為0402的外圍電容電阻等元器件，并且制作的PCB厚度最好為1

mm。圖3-1所示為CC2530芯片手冊(cè)給出的設(shè)計(jì)參考方案，其中注

圖3-1CC2530芯片手冊(cè)參考方案圖3-1CC2530芯片手冊(cè)參考方案

4.對(duì)外圍器件的選型

根據(jù)需求對(duì)外設(shè)功能模塊進(jìn)行元器件選型，元器件選型應(yīng)該遵守以下原則。

普遍性原則：所選的元器件要被廣泛使用驗(yàn)證過(guò)，盡量少用冷、偏芯片，減少風(fēng)險(xiǎn)。

性價(jià)比高原則：在功能、性能、使用率都相近的情況下，盡量選擇價(jià)格比較低的元器件，減少成本。

采購(gòu)方便原則：盡量選擇容易買(mǎi)到、供貨周期短的元器件。4.對(duì)外圍器件的選型

根據(jù)需求對(duì)外設(shè)功能模塊進(jìn)持續(xù)發(fā)展原則：盡量選擇在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)的元器件。

可替代原則：盡量選擇引腳到引腳兼容種類(lèi)比較多的元器件。

向上兼容原則：盡量選擇以前老產(chǎn)品用過(guò)的元器件。

資源節(jié)約原則：盡量用上元器件的全部功能和管腳。

在CC2530節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用的外圍元件比較少，都是一些常見(jiàn)且容易購(gòu)買(mǎi)、性價(jià)比高的元器件，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中外圍器件的選擇比較容易。持續(xù)發(fā)展原則：盡量選擇在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)的元器件5.設(shè)計(jì)基本原則

硬件原理圖的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵守以下基本原則：

數(shù)字電源和模擬電源分割。

數(shù)字地和模擬地分割，單點(diǎn)接地，數(shù)字地可以直接接機(jī)殼地(大地)，機(jī)殼地必須接大地。

各功能布局要合理，整份原理圖需要布局均衡，避免有些地方很擁擠，而有些地方很松散。

可調(diào)元器件(如電位器)、切換開(kāi)關(guān)等對(duì)應(yīng)的功能需弄清楚。5.設(shè)計(jì)基本原則

硬件原理圖的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵守以下重要的控制或信號(hào)線需標(biāo)明流向及用文字標(biāo)明功能。

元件參數(shù)/數(shù)值必須準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)，功率電阻一定要標(biāo)明功率值，高耐壓濾波電容需標(biāo)明耐壓值。

保證系統(tǒng)每個(gè)模塊資源不能沖突，例如，同一I2C總線上的設(shè)備地址不能相同等。

閱讀系統(tǒng)所有芯片手冊(cè)，注意其未用輸入管腳是否需要做外部處理，如果需要，一定要做相應(yīng)的外部處理。

在不增加硬件設(shè)計(jì)難度的情況下盡量保證軟件開(kāi)發(fā)的方便，或者以小的硬件設(shè)計(jì)難度來(lái)?yè)Q取更多方便、可靠、高效的軟件設(shè)計(jì)，這點(diǎn)需要硬件設(shè)計(jì)人員懂得底層軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試，要求較高。重要的控制或信號(hào)線需標(biāo)明流向及用文字標(biāo)明功能。

3.2.2PCB設(shè)計(jì)

在原理圖繪制完成后，可以對(duì)相應(yīng)的PCB進(jìn)行設(shè)計(jì)。在PCB設(shè)計(jì)中，布線是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟。

1.電源、地線的處理

電源、地線的考慮不周到而引起的干擾，會(huì)使產(chǎn)品的性能下降，甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對(duì)電、地線的布線要認(rèn)真對(duì)待，把電、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。3.2.2PCB設(shè)計(jì)

在原理圖繪制完成后，可以對(duì)注意事項(xiàng)包括以下幾點(diǎn)。

盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的關(guān)系是：地線

>

電源線

>

信號(hào)線。通常信號(hào)線寬為0.2～0.3

mm，最精細(xì)寬度可達(dá)0.05～0.07

mm，電源線為1.2～2.5

mm。

對(duì)數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路，即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用(模擬電路的地線不能這樣使用)。

用大面積銅層作地線用，在PCB上把沒(méi)被用上的地方都與地相連接作為地線用，或是做成多層板，電源、地線各占用一層。注意事項(xiàng)包括以下幾點(diǎn)。

盡量加寬電源、地線寬度，2.數(shù)字電路與模擬電路的共地處理

當(dāng)前PCB不再是單一功能電路(數(shù)字或模擬電路)，而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時(shí)就需要考慮它們之間互相干擾的問(wèn)題，特別是地線上的噪音干擾，數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng)。

對(duì)信號(hào)線：高頻的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件。2.數(shù)字電路與模擬電路的共地處理

當(dāng)前PCB不對(duì)地線：PCB對(duì)外界只有一個(gè)連接點(diǎn)，所以必須在PCB內(nèi)部處理數(shù)、模共地的問(wèn)題；而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實(shí)際上是分開(kāi)、互不相連的，只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)，數(shù)字地與模擬地由一點(diǎn)短接。對(duì)地線：PCB對(duì)外界只有一個(gè)連接點(diǎn)，所以必須在PCB內(nèi)3.信號(hào)線布在電(地)層上

在多層PCB上布線時(shí)，由于在信號(hào)線層沒(méi)有布完的線剩下的已經(jīng)不多，再多加層數(shù)就會(huì)造成浪費(fèi)，也會(huì)給生產(chǎn)增加一定的工作量，成本也相應(yīng)增加了，為解決這個(gè)矛盾，可以考慮在電(地)層上進(jìn)行布線。首先應(yīng)考慮用電源層，其次才是地層(因?yàn)樽詈檬潜Ａ舻貙拥耐暾?。3.信號(hào)線布在電(地)層上

在多層PCB上布線

為了便于設(shè)備維護(hù)以及擴(kuò)展使用，將Zigbee硬件分為三部分，即CC2530核心板、協(xié)調(diào)器底板和路由器底板。CC2530核心板是協(xié)調(diào)器底板和路由器底板共用的電路板，其上有CC2530芯片。3.3硬件總體設(shè)計(jì)

為了便于設(shè)備維護(hù)以及擴(kuò)展使用，將Zigbee將CC2530核心板獨(dú)立出來(lái)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

便于設(shè)備的維護(hù)。一旦CC2530核心板或者協(xié)調(diào)器底板和路由器底板出現(xiàn)問(wèn)題，便于及時(shí)更換。

便于設(shè)備靈活使用。CC2530既可以配合協(xié)調(diào)器底板使用，也可以配合路由器底板使用，并且還可以與網(wǎng)關(guān)配合使用(網(wǎng)關(guān)上預(yù)留CC2530核心板插座)。

推薦協(xié)調(diào)器底板和CC2530核心板組合使用作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，路由器底板和CC2530核心板組合使用作為Zigbee路由器或Zigbee終端節(jié)點(diǎn)。將CC2530核心板獨(dú)立出來(lái)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

便3.3.1CC2530核心板設(shè)計(jì)

CC2530核心板(采用TI公司的CC2530F256芯片)集成了CC2530芯片正常工作時(shí)所有的外部電路(包括SMA接口，以連接2.4

G天線)。

CC2530核心板原理圖的設(shè)計(jì)主要是參照TI公司給出的CC2530使用手冊(cè)中的方案來(lái)設(shè)計(jì)的，其參考方案如圖3-1所示。3.3.1CC2530核心板設(shè)計(jì)

CC2530核自行設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)如下：

CC2530引腳10、21、24、27、28、29、31和39需要接2.6～3.6

V電源，引腳1、2、3和4接地。

另外根據(jù)需求添加了一些去耦電容、電源指示燈以及復(fù)位電路。

引腳30需要連接提供基準(zhǔn)電流的56

kΩ外部精密偏置電阻器。

引腳40為1.8

V數(shù)字供電退耦，不需要外接電路，只需要接1

μF的退耦電容。自行設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)如下：

CC2530引腳10射頻部分完全參照TI給出的參考方案，引腳22和引腳23接32

MHz晶振，引腳32和33接32.768

kHz時(shí)鐘晶振。

最終的設(shè)計(jì)原理圖如圖3-2所示，原理圖中的ZIGBEE-Board為CC2530核心板的插座板，它將由I/O口引出以便供路由器底板和協(xié)調(diào)器底板擴(kuò)展使用，其中P0.6需要接10kΩ的上拉電阻。射頻部分完全參照TI給出的參考方案，引腳22和引腳23

圖3-2CC2530原理圖圖3-2CC2530原理圖

圖3-3CC2530核心板實(shí)物圖圖3-3CC2530核心板實(shí)物圖

3.3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器底板與CC2530核心板配合使用可以提供豐富的硬件支持資源，用于進(jìn)行功能的演示和開(kāi)發(fā)等。協(xié)調(diào)器底板集成了電源接口、JTAG接口、按鍵、LED和LCD、RS232和RS485接口、蜂鳴器、傳感器模塊、電位器、時(shí)鐘模塊和外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊等。同時(shí)還提供外部擴(kuò)展接口，可以根據(jù)需求連接相應(yīng)的電路，其參考原理圖如圖3-4所示。3.3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器底板與CC253

圖3-4協(xié)調(diào)器原理圖圖3-4協(xié)調(diào)器原理圖

1.電源模塊

協(xié)調(diào)器底板采用外部5

V電源供電，通過(guò)電源適配器與電源接口相連，由協(xié)調(diào)器底板上的電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為3.3

V電壓為整個(gè)電路板供電。另外還提供5

V備用電源接口。電源部分原理圖如圖3-5所示。1.電源模塊

協(xié)調(diào)器底板采用外部5?V電源供電

圖3-5電源部分設(shè)計(jì)圖3-5電源部分設(shè)計(jì)

其中：

POWER為電源插口，輸出5

V電壓，PowerSW為開(kāi)關(guān)，5

V電壓經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)絲和濾波電路后，由電壓轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為3.3

V電壓為整個(gè)電路板供電。

電壓轉(zhuǎn)換電路采用AMS11173.3

V電壓轉(zhuǎn)換芯片，其中C4為輸入旁路電容，C5為輸出旁路電容，建議用鉭電容。

JP1和JP2為5

V外擴(kuò)電源接口。其中：

POWER為電源插口，輸出5?V電壓，P

圖3-6JTAG電路圖3-6JTAG電路2.

JTAG接口

JTAG接口是連接仿真器下載調(diào)試程序的接口，其原理圖如圖3-6所示。

由于CC2530的P2.1和P2.2為CC2530的調(diào)試接口，所以上述原理圖中，JTAG接口有效的連線只有四條：地線、電源線、CC2530引腳的P2.1和P2.2(即DC和DD引腳)。其中JTAG接口的引腳1接地線，引腳7接電源，引腳3和引腳4分別接DD和DC，其余引腳懸空。SW1為復(fù)位按鍵。2.?JTAG接口

JTAG接口是連接仿真器下3.按鍵

協(xié)調(diào)器底板有6個(gè)按鍵，分別為4個(gè)AD按鍵和2個(gè)I/O按鍵，可根據(jù)應(yīng)用需要由軟件設(shè)置以實(shí)現(xiàn)不同的功能，如圖3-7所示。3.按鍵

協(xié)調(diào)器底板有6個(gè)按鍵，分別為4個(gè)AD

圖3-7按鍵電路圖圖3-7按鍵電路圖

其中，AD按鍵接CC2530的P0.6，通過(guò)軟件設(shè)置它們的電壓來(lái)區(qū)分按鍵，另外兩個(gè)I/O按鍵分別接CC2530的P0.4和P0.5。

4.

LED燈

協(xié)調(diào)器底板上有四個(gè)LED指示燈，分別接CC2530的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3，其中P1.2、P1.3、P1.4和外部擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊共用引腳，如圖3-8所示。其中，AD按鍵接CC2530的P0.6，通過(guò)軟件設(shè)置它

圖3-8LED電路圖圖3-8LED電路圖5.

LCD

液晶顯示屏采用FYD128

×

64單色屏，具有4位/8位并行、2線/3線串行多種接口方式，本設(shè)計(jì)采用SPI端口來(lái)驅(qū)動(dòng)，如圖3-9所示。5.?LCD

液晶顯示屏采用FYD128?×?

圖3-9LCD原理圖圖3-9LCD原理圖

在上述原理圖中：

FYD128

×

64采用5

V供電。

通過(guò)跳線JP22(LCDEN)選擇與CC2530引腳相連。

CS為L(zhǎng)CD模塊片選端，接CC2530的P1.6引腳；SID為串行數(shù)據(jù)輸入端，接CC2530的P1.5引腳；SCLK為串行同步時(shí)鐘，上升沿時(shí)讀取SID數(shù)據(jù)，接CC2530的P1.4引腳。

FYD128

×

64使用串口通信模式時(shí)，PSB應(yīng)設(shè)置為低電平，所以將PSB接地。在上述原理圖中：

FYD128?×?64采用5?6.

RS232和RS485接口

RS232和RS485接口共用了CC2530的P0.2和P0.3引腳，P0.2為串口的RX，P0.3為串口的TX，通過(guò)跳線JP6選擇使用RS232或者RS485，如圖3-10所示。6.?RS232和RS485接口

RS232和

圖3-10RS232和RS485跳線選擇圖3-10RS232和RS485跳線選擇

RS232串口芯片采用MAX3232。MAX3232為雙電荷泵3.0～5.0

V供電，確保在

120

Kb/s數(shù)據(jù)速率下維持RS232電路電平，并且具有兩路接收器和兩路驅(qū)動(dòng)器功能，如圖3-11所示。RS232串口芯片采用MAX3232。MAX3232為

圖3-11MAX232原理圖圖3-11MAX232原理圖

其中：

MAX3232芯片的引腳9和引腳10分別為T(mén)2I和R2O，分別與CC2530的RX和TX相接。

MAX3232的引腳7和引腳8為T(mén)2O和R2I，與計(jì)算機(jī)或者網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。

RS485電路部分采用MAX3485芯片。MAX3485驅(qū)動(dòng)芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片，用于RS-485通信的低功耗收發(fā)器，具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，如圖3-12所示。其中：

MAX3232芯片的引腳9和引腳10分別

圖3-12RS485電路原理圖圖3-12RS485電路原理圖

MAX3485的引腳1和引腳4分別通過(guò)跳線連接CC2530的RX和TX。

MAX3485的引腳6和引腳7分別與RS485總線A、B連接，R2為終端電阻。MAX3485的引腳1和引腳4分別通過(guò)跳線連接CC25

圖3-13蜂鳴器原理圖圖3-13蜂鳴器原理圖

引腳2和引腳3是MAX3232的控制端，利用P2.0對(duì)MAX3485芯片進(jìn)行收/發(fā)控制。

7.蜂鳴器

蜂鳴器兩端加直流電壓即可工作，其驅(qū)動(dòng)電路如圖3-13所示。

其中，三極管Q1起開(kāi)關(guān)作用，通過(guò)跳線JP9選擇使用CC2530的P2.0控制三極管的基極，三極管基極的低電平使三極管關(guān)閉，蜂鳴器兩端的電壓差使蜂鳴器發(fā)聲。而基極高電平則使三極管飽和導(dǎo)通，此時(shí)蜂鳴器兩端不產(chǎn)生電壓差或者電壓差不足以使蜂鳴器發(fā)出聲音，從而使蜂鳴器停止發(fā)聲。引腳2和引腳3是MAX3232的控制端，利用P2.0對(duì)8.傳感器模塊

協(xié)調(diào)器底板上集成的傳感器模塊由兩部分組成，即溫度傳感器和光敏傳感器。

溫度傳感器采用的是DS18B20，DS18B20為數(shù)字溫度傳感器，測(cè)量范圍為

-55～+125℃,最高12位分辨率，精度可達(dá)到

±0.5℃。

DS18B20溫度傳感器的原理圖比較簡(jiǎn)單，DS18B20有3個(gè)引腳，分別接電源線、地線和I/O引腳，I/O引腳通過(guò)跳線JP14選擇CC2530的P1.7控制采集DS18B20的溫度值，如圖3-14所示。8.傳感器模塊

協(xié)調(diào)器底板上集成的傳感器模塊由光敏傳感器采用光敏電阻，光敏電阻為光電傳感器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，無(wú)光時(shí)為高阻狀態(tài)，光照增強(qiáng)時(shí)，電阻減小，通過(guò)與固定電阻R3的分壓作用，引起電位的變化，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器采集到的電壓值來(lái)計(jì)算光照強(qiáng)度，如圖3-15所示。通過(guò)跳線JP15選擇CC2530的P0.7引腳來(lái)采集光敏電阻的電壓值。光敏傳感器采用光敏電阻，光敏電阻為光電傳感器，將光信號(hào)

圖3-14溫度傳感器的原理圖

圖3-14溫度傳感器的原理圖

圖3-15光敏電阻的原理圖圖3-15光敏9.電位器

電位器用于模擬一個(gè)傳感器的電壓輸出，旋轉(zhuǎn)旋鈕可以讓輸出電壓發(fā)生0～3.3

V的變化，引起AD采樣值的變化，用來(lái)演示開(kāi)發(fā)板中CC2530的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，如圖3-16所示。

其中，W1為電位器，有三個(gè)引腳，引腳1接電源，引腳3接地線，引腳2通過(guò)跳線JP16與CC2530的P0.7相連，通過(guò)P0.7采集電壓值。9.電位器

電位器用于模擬一個(gè)傳感器的電壓輸出

圖3-16電位器的原理圖圖3-16電位器的原理圖10.時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊采用DS1302時(shí)鐘芯片，采用獨(dú)立電池供電。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的時(shí)鐘芯片，采用2線同步串行接口與CPU進(jìn)行通信，可以一次讀寫(xiě)一個(gè)寄存器的值，也可以采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或寄存器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，工作電壓寬達(dá)2.5～5.5

V，如圖3-17所示。10.時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊采用DS1302時(shí)鐘芯

圖3-17DS1302時(shí)鐘模塊的原理圖圖3-17DS1302時(shí)鐘模塊的原理圖

其中：

DS1302的引腳1和引腳8是電源引腳。這里采用兩種供電方式。引腳1由協(xié)調(diào)器底板統(tǒng)一供電，C16為去耦電容。引腳8連接3

V紐扣電池，當(dāng)協(xié)調(diào)器底板斷電后，電池可以持續(xù)為DS1302供電，使DS1302正常工作。

DS1302引腳2和引腳3兩個(gè)引腳接32.768

kHz時(shí)鐘晶振。

DS1302引腳4為GND，直接接地即可。

DS1302引腳5、6、7為工作引腳。引腳5為復(fù)位引腳，引腳6為數(shù)據(jù)的輸入/輸出引腳，其中：

DS1302的引腳1和引腳8是電源引腳。引腳7為串行時(shí)鐘輸入引腳，通過(guò)跳線JP8分別與CC2530的P0.0、P0.1、P1.1相連。

11.外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊

外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT45DB161D芯片。AT45DB161D是一款串行接口的FLASH存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量為16

Mbit(2

M字節(jié))，內(nèi)部有兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，采用2.7～3.6

V電源供電，如圖3-18所示。

AT45DB161有8個(gè)引腳，各個(gè)引腳的作用如下：

引腳6和引腳7分別為電源和地引腳，直接接電源線和地線即可。引腳7為串行時(shí)鐘輸入引腳，通過(guò)跳線JP8分別與CC2530的引腳5為硬件寫(xiě)保護(hù)引腳，接高電平，禁止寫(xiě)保護(hù)。

引腳3為復(fù)位引腳外接復(fù)位電路。

引腳4為芯片的片選端(CS)，與CC2530的P1.2引腳相連接。

引腳2為串行時(shí)鐘輸入引腳(SCK)，與CC2530的P1.3引腳相連接。

引腳1為串行數(shù)據(jù)輸入引腳(MOSI)，與CC2530的P1.5引腳相連接。

引腳8為串行數(shù)據(jù)輸出引腳(MISO)，與CC2530的P1.4引腳相連接。引腳5為硬件寫(xiě)保護(hù)引腳，接高電平，禁止寫(xiě)保護(hù)。

圖3-18外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊AT45DB161的原理圖圖3-18外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊AT45DB161的原理圖

AT45DB161存儲(chǔ)芯片與CC2530連接要通過(guò)“AT45EN”跳線組的選擇，在使用外部擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊時(shí)要將“JP19(AT45EN)”跳線組插上跳線帽。

12.

CC2530插槽