基于ZigBee的RS485硬件设计.doc

五邑大学本科毕业设计摘要当今时代，是一个信息化时代，信息的沟通能力是信息技术发达与否的首要体现。人工智能仪表读取、无线楼宇监控、工业控制及监测等等，这些现代化技术均需要信息沟通智能化的技术支持。当中，传感技术是信息沟通的最基本的技术。本设计完成了利用单片机CC2530实现Zigbee接口与RS485接口的通讯转换，为RS485接口与Zigbee无线通讯的协议转换提供硬件电路支持，并且其通讯过程采用光耦隔离式通信，以便因某一部分电路发生故障的时候能够保护通讯模块，从而节省成本损耗。同时考虑各个接口及单片机工作所需要的电源电路，完成RS485接口与Zigbee接口协议的转换模块硬件设计。基于Zigbee技术的无线传感器网络应用在Zigbee联盟和IEEE 802.15.4组织的推动下，结合其他无线技术可以实现无处不在的网络，这正是本次设计采用Zigbee无线网络的原因。关键词: Zigbee无线网络；CC2530；光耦隔离；RS485IVAbstractToday is an era of information communication. Communication skills of IT is the first embodiment whether information technology developed or not. AI meter reading, wireless building control, industrial control and monitoring . etc. These modern information communication technologies require intelligent technical support. Among them, the sensor technology is the most basic of information communication technology.The purpose of this design is that the use of single-chip CC2530 ZigBee interface with the RS485 interface communication switch, supported by the hardware circuit for RS485 interface with Zigbee wireless communication protocol conversion, optocoupler isolated communication and the communication process, in order due to the failure of a part of the circuit when able to protect the communication module, thus saving the cost of losses. Power circuit, taking into account the various interfaces and microcontroller needed for the work to complete the RS485 interface and the the ZigBee interface protocol conversion module hardware design. Based on the Zigbee Alliance and IEEE 802.15.4 organizations to promote, the the Zigbee technology of wireless sensor network applications, combined with other wireless technologies can achieve ubiquitous network, which is the design of Zigbee wireless network reasons.Keywords: Zigbee wireless network;CC2530;optocoupler isolated;RS485目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 Zigbee无线网络技术的研究背景11.2 目前ZigBee的发展状况和前景11.3 本设计的工作内容21.4 本章小结2第2章 zigbee无线网络原理32.1 Zigbee主要通信硬件介绍32.1.1光耦器件6N136芯片32.1.2单片机CC2530芯片32.1.3通信MAX485芯片52.2 光耦通信硬件设计框架62.3 本章小结6第3章 光耦RS485通信硬件设计73.1. 供电部分设计73.1.1主要芯片的电气参数73.1.2开关电源原理图83.2 通信部分设计93.2.1 CC2530单片机系统模块设计93.2.2光耦RS485模块103.3 光耦RS485通信电路板制作123.3.1 PCB图纸的制作123.3.2 制作实物电路板的过程介绍143.3.3 最终成型的电路板介绍153.4本章小结18第4章 Zigbee无线通信软件设计194.1 开发工具IAR Embedded Workbench介绍194.2 通信功能介绍194.3 本章小结20第5章 通信实验系统调试215.1 硬件调试215.2 系统集成调试225.2.1 有线通信传输调试（PC 下位机）225.2.2 无线通信传输调试（PC PC）235.2.3 无线通信传输调试（PC 下位机）235.3 本章小结23第6章 ZigBee无线通信设计总结与展望246.1 总结246.2 发展前景展望25参考文献26致 谢27第1章 绪论1.1 Zigbee无线网络技术的研究背景信息沟通能力是当前信息时代的重要体现。而传感技术是信息沟通的最基本的技术。无线传感网络就是由分布在监控范围内的许多传感器节点组成，以无线沟通的方式构建一个自组织互联网络系统，其功能是协作和感知、采集和处理范围内感知的对象。这样极大的方便了人类对客观世界的认识和观察。但同时，由于无线传感器网络组成的巨大化和数量化，这就要求每一个无线传感器节点必须控制在一定的成本和体积范围内。微电子技术、计算机技术和无线通讯技术的进一步提高，推动了各种多功能、低功耗传感器的发展，使其在微小体积内能集成信息采集、数据处理和互相之间无线通讯等优秀功能。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议的规定，Zigbee属于一种低功耗、短距离的无线通信技术。实际上，这一名称源于蜜蜂的八字舞，因为蜜蜂(BEE)是通过飞翔和类似“嗡嗡”(ZIG)的抖动翅膀的行为方式来与同伴传递信息，也就是说蜜蜂通过这样的方式在群体中建立了沟通网络。Zigbee技术是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低功耗、低复杂度的双向无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研发的有关组网、应用软件和通讯安全方面的技术。它主要用于功耗较低、距离较短且传输速率不高的各种电子设备之间进行信息传递以及周期性、间歇性和低反应时间数据传输的应用，并且具有独立的无线电通信标准，在无数微小传感器之间合作完成信息采集和监控。Zigbee网络模块相当于移动基站，通讯距离标准是75m，但因此可以拓展到几百米、几公里，理论上支持无限扩展。同时，Zigbee网络研发初衷主要是工业生产自动化控制，因而它具有使用简单、工作稳定、价格便宜的特点。随着工业生产自动化对于无线通信的需求， Zigbee网络通信稳定、低成本、低功耗、容量高、安全性高的特点使其可广泛应用于各种自动控制领域。1.2 目前ZigBee的发展状况和前景ZigBee从2002年ZigBee Alliance成立到2006年ZigBee联盟推出比较成熟的ZigBee 2006标准协议，至今已经历数年，当Zigbee几年前刚出现时，它的支持者曾设想这种基于IEEE 802.15.4规范的无线通信技术的潜力市场巨大。在低数据量、短距离通信应用中，成本是首要因素，而且ZigBee逐渐拥有类似蓝牙、802.15.3和802.11X等规范的高性能。任何通信协议标准都需要上游芯片公司的支持，ZigBee是一种低功耗、低速率无线传输应用的标准，也必然需要芯片厂商的支持。从整个ZigBee产业联盟来看，主要的上游芯片供应商有五家，分别为Jennic、Ti、Frescale、Ember、Ateml。实际上，“芯片”只是一个单纯物理层的东西，它只负责调制和解调无线通讯信号的工作，唯有结合单片机的功能才能完成实现通信协议和对数据的接收发送。为了进一步减少厂家的成本，部分上游芯片公司设计出在单颗芯片上集成了物理层的数据收发和基本单片机功能的单Soc芯片，单Soc把射频部分和单片机部分的功能集成在一起，不需要额外配置单片机，其优点是简化电路设计并节省成本。基本上，每家厂商都免费提供自己生产的芯片的ZigBee协议栈，大大地加速了ZigBee在市场的应用和普及。ZigBee协议标准在逐渐发展和完善，相信在不久的将来将得到统一，届时，ZigBee产业的发展将是空前的加速，逐渐普及社会，融入我们的生活。在各上游芯片公司的积极推动下，基于ZigBee的实际应用将层出不穷，让我们的生活更加智能和美好。未来，ZigBee无线网络技术应用将会越来越广泛，具有以下特点的无线网络构建即可考虑采用Zigbee技术做无线传输：(1)监控范围广泛，需要的网络节点多，且地形复杂；(2)数据传输量较小，节点设备成本低；(3)确保数据传输安全、稳定；(4)要求设备体积小，容不下电源模块或较大的充电电池；(5)利用通用电池节供电；(6)使用现有GSM网络实现遥远监控，数据量较低；(7)使用GPS效果差的定位应用。在中国市场，ZigBee产品的广泛应用或许还需要一段时间，中国的ZigBee网络市场还未成熟，本地厂家的积极性不高，但未来无线网络行业的应用范围将愈来愈普及，工业控制系统、高速公路汽车无线打卡、移动设备监控等高端市场是ZigBee产品应用的必然方向。1.3 本设计的工作内容本次设计主要工作在于了解Zigbee无线网络的通讯方式，设计使用CC2530单片机系统的Zigbee通讯模块与RS485接口的通讯转换电路图，其中通讯收、发端与控制端均要求使用6N136芯片实现光耦隔离式通信，以便保护电路。另一方面，需要考虑各个接口及单片机工作所需要的电源电路，以光耦芯片为界线将CC2530无线接收模块与RS485模块进行独立供电，实现真正的隔离通讯。1.4 本章小结 通过对zigbee无线网络的介绍，大家对zigbee有更深刻的印象，也希望因此能让市场对近程无线网络有更进一步的重视。下一章我们将对本设计中zigbee无线网络硬件设备和通讯原理作进一步介绍，确定各种主要芯片的选型。第2章 zigbee无线网络原理2.1 Zigbee主要通信硬件介绍 2.1.1光耦器件6N136芯片光电隔离器是电子设计中经常需要用到的一种抗干扰、防过压的器件，它里面包含发光元件和光敏元件，通过光传递实现耦合，达到电-光-电转换的性能。正因为光电隔离器的输入输出是以这样一种方式交流，它有优良的电气隔离特性。 6N136正是一款晶体管与光电输出光耦的组合芯片，其结构原理图如图2-1，信号从输入端的管脚2、3发生的时候，点亮其发光二极管，光线传送到输出侧的光敏二极管，导通反向偏置的光敏二极管，如此经电流-电压转换后，信号进到三极管的基极，三极管导通。三极管反向后，6N136输出低电平，反之则输出高电平。6N136中的三极管能够起放大和输出作用。6N136这样一款光耦器件使它能够更安全更稳定的进行数据传输。图2-1 6N136原理图2.1.2单片机CC2530芯片CC2530 是专门用于IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正片上系统（SoC）。它能够以很低的材料成本组成强大的网络节点。CC2530 拥有RF收发器的优良性能、增强型8051 CPU、8-KB RAM的随机存储器、可编程系统闪存等强大功能。CC2530有不同的运行模式，能够运行于低功耗要求的电子系统。各个运行模式切换时间短，进一步降低能源的消耗。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别包含32/64/128/256KB 的闪存。图2-2 CC2530原理图CC2530的主要特点有：（1）具有20kB擦除周期和256kB闪存，方便无线升级更新或大型程序运行；（2）8kB RAM可用于更为复杂的应用和Zigbee应用 ；（3）可编程输出功率达+4dBm；（4）在掉电模式下，仅睡眠定时器运行时，消耗小于1uA的电流；（5）具有数据包处理引擎和地址识别能力；CC2530的外设配置有：（1）五通道DMA；（2）通用定时器和MAC定时器；（3）红外发生电路；（4）32KHZ的睡眠计时器和定时捕获；（5）CSMA/CA硬件支持；（6）数字接收信号强度指示精确；（7）包含温度传感器、电池监视器；（8）8通道 12位ADC，分辨率可自行配置；（9）AES加密安全协处理器；（10）两个强大的通用同步串口；（11）21个通用I / O引脚；（12）看门狗定时器。CC2530的应用方向有：（1）人工智能仪表读取；（2）远程控制；（3）居家及楼宇自动；（4）消费类电子产品；（5）工业控制及监测；（6）低功耗的无线传感网络2.1.3通信MAX485芯片MAX485是用于RS-485和RS-422通信协议标准的低功耗收发器，是TTL信号与差分信号的转换芯片。器件中包含一个驱动器和一个接收器。MAX485的驱动器摆率没有限制, 可以达到最高2.5Mbps的传输速率。器件都工作在5V单电源下，收发器在驱动器停止工作的空载或满载情况下，需要供给的电流在120uA至500uA之间，功耗较低。驱动器具有短路电流限制功能，通过热关断电路将驱动器的输出设置为高阻状态。接收器在输入失效时能启动自我保护，一旦输入断路时，逻辑输出设置为高电平，因此具有较高的抗干扰性能。MAX485是市面上最为常见的RS485芯片，亦是用量最大的RS485芯片，性价比高，优质，供货稳定是吸引大量厂家采购的原因。图2-3 MAX485原理图2.2 光耦通信硬件设计框架如图2-4，这是通过CC2530单片机系统建立的Zigbee无线网络通信（升级）框架图。在日常下位机正常运作的状态下，下位机的CC2530模块处于极低功耗的休眠状态，并且甚至可以说不存在无线电信号干扰我们的正常工作或生活。当我们需要对下位机进行信息采集或针对下位机的功能需求及时对其嵌入式系统进行通信或升级时，那么，我们这时可以利用PC通过RS232通信模块连接一CC2530单片机模块，通过PC输入指令到该CC2530芯片来激活通过RS485通信模块连接下位机的另一CC2530芯片。待激活成功后，我们便可轻松的通过PC使两块CC2530模块实现无线通讯，进而对下位机进行信息采集或无线远程升级了。这是我们这个zigbee无线网络的工作流程。图2-4 系统框架图当然，这只是比较简单的一对一无线通讯过程，根据实际情况需要对多个下位机进行监控或烧写升级程序的时候，我们可以通过对CC2530的软件更改以实现该功能。该工作重点要解决CC2530通讯协议和程序设计的难题，在这里就不详细介绍了。2.3 本章小结本章通过对各个硬件芯片的介绍和系统需要实现的功能来确定下一步我们进行硬件制作的材料和设计要点。通过对通讯原理的进一步理解，我们将逐步清晰硬件设计的具体流程：工程设计要求原理探索材料选型设计框架电路板设计硬件焊接与调试实物模型优化。下一章将详细介绍我们这个设计的具体内容。第3章 光耦RS485通信硬件设计3.1. 供电部分设计本设计中，考虑到光耦RS485模块与下位机一起工作，为保证其供电性能与下位机同步一致，我们将计划设计一开关电源，与下位机一同接上家用220V交流电源。首先，既然是使用光耦隔离模式进行通信，那么，要实现完全的隔离，必须电源部分也实现隔离，才是真的意义上的隔离。因此，我们设计电源部分要分开两路输出，一路是供给6N136与MAX485芯片连接的部分；另外一路是供给6N136与CC2530单片机系统连接的部分。以下具体分析两路输出要求。3.1.1主要芯片的电气参数CC2530是一块单片机系统，其具体性能参数见表3-1、3-2。表3-1 CC2530极限参数项目说明最小值最大值单位供电电压所有供电引脚的电压必须相同0.33.9V任何数字引脚上的电压0.3VDD +0.3，3.9V输入RF级别10dbm储存温度范围40125ESD所有焊盘，根据人体模型，JEDEC STD22, 方法A1142KV根据被控器件模型JEDEC STD22,方法C101500V表3-2 CC2530推荐运行条件最小值最大值单位运行环境温度范围40125运行供电电压23.6V6N136的具体性能参数见表3-3，由于其中的发光二极管所需工作电流一般为1015mA，一般的TTL电路和CMOS电路的输出信号电流值不足以驱动它，使用时需要加上合适的驱动电路。具体方案见图3-1。图中门电路是一个集电极开路门，限流电阻和发光二极管是集电极开路门的上拉电阻。输入、输出端的电阻是根据所给电压和表3-3中的允许电流要求再经过计算而决定大小的。表3-3 6N136性能参数型号输出电路输入特性输出特性传输特性最大工作电流（mA）二极管正向压降（V）最大输出电流（mA）工作电压（V）传输比（%）延迟时间（ns）6N136OC门251.6581519800图3-1 6N136上拉电阻接法MAX 485芯片是目前RS485市场上常用的芯片，查阅数据手册可知，其供电电压一般为+5.0V。3.1.2开关电源原理图通过上一节分析可知，供给6N136与MAX485芯片连接的一路电源可以使用直流5V电压；供给6N136与CC2530单片机系统连接的另一路电源可使用直流3.3V电压。我们另外一组设计开关电源的同学设计出两路独立输出直流5V的开关电源，因此，我们其中一路电源输出可以增加一个降压电源芯片LM1117IMP-3.3，它可以将5V输出转变为3.3V输出。一个完整的供电电路布局如图3-2：图3-2 开关电源原理图3.2 通信部分设计本设计中，由于CC2530单片机的芯片是较小的贴片焊脚，我们的焊接技术达不到其焊锡要求。根据电路板制作的难易程度，我们分为两个模块进行设计：CC2530单片机系统模块和光耦RS485模块设计。其中，光耦RS485模块由我们自己制作，而CC2530单片机系统模块我们选择厂家进行制作。3.2.1 CC2530单片机系统模块设计在本块设计中，我们只需要用到CC2530单片机系统的通信功能、下载功能。通信功能前几章也说明白了，这里不一一介绍。下载功能，就是我们通过一个JTAG串口，用仿真器给CC2530单片机系统进行程序烧写，方便我们日后的调试。那么，在CC2530单片机系统中，我们需要完成以下电路的连接：（1）通信电路。CC2530单片机中，P0.2、P0.3、P0.4分别为接收端、发送端和控制端，3个端口均连接到MSP430芯片，控制端即连接MSP430芯片使能端选择接收或发送。（2）下载电路。通过仿真器与PC连接的串口，PC的程序通过仿真器下载到单片机，以便我们的调试。（3）射频电路。CC2530单片机本身就是8051内核单片机+RF无线电部分组成的，而且片上资源很丰富，拥有SPI、UART、I2C、ADC等资源。同时具备大的RAM和Flash，我们只需要加上陀螺仪和加速度传感器即可实现需要的系统。（4）复位电路。就是每当我们下载完最新的程序到CC2530单片机系统的时候，此时可能单片机并不是处于程序的开始阶段，此时，我们需要让单片机从程序的最初开始重新运行，就像电脑的重启一样。（5）供电电路。给CC2530单片机系统供给能源使其正常运作。在供电电路中，我们还从I/O端口P1.0、P1.1接上两个发光LED端子到电源正极，以便我们对模块的调试。（6）晶振电路。为单片机提供时钟的，单片机工作的最小时间计量单位就是由这个晶振决定的。我们CC2530模块使用的是外部晶振是32MHZ和32.768KHZ，无线RF工作时选择32MHZ，32.768KHZ主要用在睡眠计时器和看门狗定时器。以上是CC2530单片机系统的组成内容，由于本模块的制作需要外送，所以我们需要设计一串口（CC2530 connect）衔接光耦RS485模块，该串口包括电源供电、RS485数据通信、下载口、复位电路等。整个CC2530单片机系统模块见图3-3。图3-3 CC2530单片机系统模块原理图3.2.2光耦RS485模块在本块设计中，根据光耦隔离原则，我们仿照供电部分选择分开两部分设计，一个是6N136与CC2530单片机系统连接的部分；另一个是6N136与MAX485芯片连接的部分。这样才能真正避免通信过程中发生意外使一连串的零器件都烧坏，保护下位机的同时减少器件的损耗。第一部分：6N136与CC2530单片机系统的连接这部分最首要的工作是建立一串口（CC2530 connect）衔接CC2530单片机系统，然后可以陆续建立各种功能电路：（1）通信电路， CC2530单片机中的P0.2、P0.3、P0.4（分别为接收端、发送端和控制端）3个端口均连接到MAX485芯片，因此，需要3片6N136芯片。其中，P0.3、P0.4端口是从CC2530单片机发生信号到MAX485芯片的，因此接6N136的信号发生端，而P0.2端口是从MAX485芯片接收下位机的信息到CC2530单片机中，因此接6N136的信号接收端。(当中的P0.2、P0.3我们还需要引出测试管脚，便于我们对通信的检测、调试、排查)（2）复位电路，我们使用按键来给出高、底电平实现系统的复位，其中程序下载串口也有一个复位端，仿真器也有复位按钮。（3）下载电路，根据JTAG串口标准建立下载口，连接到CC2530单片机的相关管脚。（4）供电电路，根据上一章给到的两路直流5V电源，我们取其中一路，加入一个降压电源芯片LM1117IMP-3.3，使其输出一个直流稳压3.3V电压，供给复位电路、3片6N136的与CC2530单片机系统连接的部分和CC2530 connect。直流3.3V接到6N136处可以接一个0.1uf的电解电容接地，保持信号稳定。（下载口自身也有直流3.3V的输出设计，也就是从PC端输出电压给CC2530单片机系统，所以下载程序的时候我们可以不打开开关电源）第二部分：6N136与MAX485芯片的连接（1）通信电路，将3片6N136芯片的通信端口一一对应接到MAX485芯片上。（2）供电电路，将开关电源另一路直流5V连接到该部分，供给MAX485芯片、3片6N136的与MAX485芯片连接的部分。（3）MAX485与下位机连接通信电路，其中我们要利用直流5V电源构造差分信号，使信号传输更远，保证信号传送到下位机。综合上述内容，我们设计出光耦RS485模块的电路原理图，如图3-4。图3-4 光耦RS485模块原理图3.3 光耦RS485通信电路板制作3.3.1 PCB图纸的制作在完成一系列的设计内容后，我们需要把它成为实物呈现出来，在这里，我们用到一个软件Altium designer summer 09（以下简称“DXP”）。该软件是原Protel软件开发商Altium公司推出的集原理图设计、电路仿真、PCB绘制、逻辑网络自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术于一身的电子产品开发系统，给设计者提供便利、清晰的设计解决方案。开发者若能熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。本次设计中，我们需要用到的DXP里面的功能有原理图设计、PCB绘制编辑、设计输出等。以下将逐项介绍：（1）原理图库的建立。在以前的Protel软件里面，一般我们的原理图设计都需要自己建立一个原理图库以健全我们设计所需要的元器件，但随着技术不断进步，现在的DXP里面已经储藏了很多很多元器件，常见的器件如电阻、电容等均已经“记录在案”，不过本次设计中还是有部分元器件是原理图库里面找不到的，需要自己建立。如6N136、MSP430、LM1117IMP-3.3等（2）原理图的设计。在建立原理图库的基础上，我们可以根据设计要求对每一块芯片进行电气连接了，原理图设计基本要求: 清晰、准确、规范、易读。一份优秀的原理图要求布局均衡，不要出现局部拥挤或松动。尽量将各功能部分模块化(如功放，RADIO，E.VOL， SUB-WOOFER 等)，各功能模块界线需清晰，这样可以方便同类设计资源共享。本次设计所画原理图我们在前面都已经一一展示出来了。（3）PCB图库的建立。实际上，每个元器件建立了原理图还不能画PCB图，因为原理图只是把这块电路板的原理完整、清晰的呈现给我们看，如果画PCB图还需要建立其PCB图库，把其现实化（即我们日常说的“封装”），封装过程要做好对所用元器件的实际规格测量、描绘。一般我们封装的工艺只要求描述其平面结构，画其俯视图，封装要求是：对于IC、排阻、接线端子、插座等等孔距为5.08mm(或以上)的焊盘直径要求大于或等于3mm；孔距为2.54mm的器件焊盘直径最小不应小于1.7mm；连接家用220V电压的焊盘间距要求大于或等于3mm；流过电流大于或等于0.5A的焊盘直径应不小于4mm。一般合理设计情况下，焊盘越大越好，一般焊点的焊盘直径最小要求在2mm或以上。（4）PCB图的设计。走到这一步，应该是画电路板最后的一步了，当然也是最繁复，最考究技术的一步，一块电路板的好坏是由PCB图决定的。PCB图元器件布局要求：板子大小：要求合理摆放各类元器件并达到美观、易布线的效果，各功能部分模块化，在此基础上合理规划板子大小，以矩形规划为佳；排列顺序：先布局大的元器件，根据其功能模块在周围布置小的元器件。先集成后分立，放置集成电路后，再在其周围放置辅助元器件；就近原则：确定PCB板子与其他模块板子的接口后，接口电路就近布置，避免布线时线路过长和绕弯路，尤其注意不同模块线路交叉过多。每个模块电路以核心器件为中心，辅助器件围绕其进行布置。PCB图布线要求：布线从焊盘引出，以焊盘结束。布线尽量采用直线和45角度走线，避免出现锐角；多面板信号线要求方向正交，避免干扰；电源线和地线的间距一般比普通布线宽2陪或以上，相对较粗，其走向一般与信号线平行为好，可以增强抗噪。模拟信号与数字信号属性不同，其电源和地需要分隔开；差分信号也需要平行布线；导线宽度最小取10mil（0.254mm），电源类布线可以加粗到30mil（0.762mm）以上。线与线的距离最小取8mil（0.2032mm）；如果做单面板的时候确实有绕不了的线，可以在宽阔位置打焊盘，以作飞线用。根据上面的操作流程，最后展出我们画出的PCB图：图3-5 单面板的光耦RS485模块PCB图图3-6 双面板的光耦RS485模块PCB图3.3.2 制作实物电路板的过程介绍在完成电脑上的设计内容后，我们便开始制作实物电路板了。以下是介绍我们制作电路板的流程：（1）打印电路板。将绘制好的PCB图用转印纸以1:1的比例打印出来，单面板需要打印底层（Bottom layer）和焊盘，双面板需要打印顶层（Top layer）、底层和焊盘。注意图形要打印到转印纸滑的一面上。一般A4纸有空间的话可以打印两到三张电路板，选择效果较好的图形制作，其他可以留作备用。（2）裁剪敷铜板。敷铜板，也就是一面或两面都敷有铜膜的线路板，将敷铜板裁成设计图纸的大小，不要过大，以节约材料。（3）打磨敷铜板。用磨砂纸打磨掉敷铜板表面的氧化膜，确保在热转印PCB图时，转印纸上的碳粉能全部转移到敷铜板上，待打磨到板面光亮，没有明显污渍时即可，边缘去毛刺，晾干。（4）热转印PCB图。将打印好的PCB图裁剪，把印有PCB图的一面贴在敷铜板上，用透明胶纸把其粘好。对齐好后用热熨斗放到敷铜板上上下移动（就像烫衣服一样），放入时一定要保证转印纸没有移位。一般来说经过45分钟的转印，电路板就能很牢固的转印在敷铜板上。熨好后要把电路板放在石块上放凉。操作时温度较高，注意安全。（5）腐蚀线路板。检查PCB图是否已经完全转印到敷铜板上，若有少数没有转印好的地方可以用黑色油性笔修补。然后就可以腐蚀了，线路板角上打个小孔，用绳子钓着放到蚀刻桶里面，这个过程需要半个小时以上，因人而异，期间还需要把线路板上下抽动。待敷铜板上的裸露铜膜完全被腐蚀掉时，将敷铜板从腐蚀液中取出并清洗干净，我们的线路板就初步成型了。腐蚀液的成分为水、浓双氧水、浓盐酸，比例为3：2：1，一般学校实验室可以提供，不过我们也可以配制，在配制腐蚀液时，将浓盐酸、浓双氧水按比例倒入水中，注意浓盐酸、浓双氧水容易溅到皮肤或衣物上，其具有强腐蚀性，一旦发现及时用清水清洗。（6）检查线路板。有时候，由于热转印过程碳粉吸附到线路板不够贴实，往往腐蚀过程会把部分碳粉弄丢，这时你就需要细心检查了，所以打印过程需要打印多张也是这个道理。（7）线路板打孔。依据我们使用的元器件的管脚的粗细选择不同的钻针，一般分0.8mm或1.2mm口径。在使用钻机钻孔时，必须稳固线路板，钻机速度不能开的过慢，否则线路板容易拖走、移位，避免重复制作线路板。（8）线路板预处理。打孔完毕后，用磨砂纸湿水打磨掉覆在线路板上的碳粉，将线路板清洗干净，晾干。之后在线路板敷铜那一面涂上薄薄一层松香，以助元件焊接，然后继续晾干。（9）焊接电子元件。把元器件插入焊盘，手工焊接元器件要用电烙铁先接触元件引脚，接着用焊锡接触于电烙铁和元器件之间，一般用电烙铁加热引脚时间在2-3秒，焊接一个引脚时间在4秒左右。切忌对元件加热时间过长，特别是晶体管，容易被烧坏。有些元件安装时要注意正负极，如二极管。为美观和安全需要，焊接完毕需要将元器件过长的引线剪掉。3.3.3 最终成型的电路板介绍经过以上操作程序，一块电路板就诞生了，但电路板美观与否、完整与否都要视乎自身制作电路板的工艺了。当然，我们做出的电路板不大符合美观要求，但还能正常运作。以下将介绍我们做出的一些成品。图3-7 给光耦RS485模块供电的开关电源实物图图3-8 CC2530单片机系统模块实物图图3-9单面板的光耦RS485模块实物图图3-10单面板的光耦RS485模块实物图图3-11 下载程序用的仿真器3.4本章小结本章对Zigbee无线网络硬件设计方面的具体工作内容作出了详细的介绍，从简单的材料选型到具体CC2530单片机系统模块、光耦RS485通信模块电路板成型、制作都有进一步的讲解，也是为了说明一块简单的电路板背后要准备的功夫。当然，只有不厌其烦的完成每一步才能把最好的作品呈现出来。第4章 Zigbee无线通信软件设计4.1 开发工具IAR Embedded Workbench介绍IAR Embedded Workbench是一套完整的集成开发工具集合，集成代码编译器、C/C+编译器中建立工程、调试器和连接器于一身的各类开发工具。其用于本次设计中的优点有：1. IAR Embedded Workbench可以生成节省空间并且稳定可靠的可执行代码。其C/C+编译器可以生成高效可靠的可执行代码,并且使用能够针对MSP430芯片的具体优化技术，在无线网络芯片这种更小尺寸、更低成本的位处理器之上能够稳定运行,从而降低产品的开发成本。2. IAR Systems能够提供更加完善的工具。它紧密结合Atmel ICE 2000和Atmel JTAG ICE,同时去除了耗时的通信问题，并提供连续不断的工作流,使开发者不必为工具带来的问题而烦恼并专注开发。3.可拓展性。我们在产品设计中需要增加一些新的功能特性时，而在这个阶段再去选择或增加其他芯片是不可行的，而它也考虑到这个问题，为各种增设的功能留下的足够的扩展空间。 4.2 通信功能介绍我们设计的Zigbee无线网络模块里面是一块CC2530单片机系统模块加上一个光耦RS485模块，当然普通8051 CPU能做到的功能它也能做到，因为它就是一块含有先进的无线RF 收发器的增强型8051 CPU。CC2530单片机系统的数据发送功能是把数据调制成无线传感器网络要求的数据通信格式，并由射频电路发送出去。数据发射函数：appSend()是进行无线发送的数据源头，它最长可以发送一个122字节的数据（由于附上头传感器节点数据及状态标志数据后最大值不能超过128字节），综合目的地址和源地址，确定数据发送的通道，然后将该数据成功发送到目的地址。在本设计中当无线数据发送状态标志为1，系统主程序调用无线发送数据子程序appSend()实现数据发送到指定地址的节点。程序清单如下：static void appSend() Timer1_START(0); readyToSend = 0; basicRfSendPacket(REC_ADDR,pTxData,datanum); /射频发送数据函数CC2530单片机系统的数据接收功能是它能接收满足接收缓冲区大小的数据包，当通道有数据传送时，该数据可以触发通道，当数据包被传送接收完成时，调用中断函数，通道将会中断，整个数据接收过程便完成。接收函数appRec()的主要功能是把接收到的数据解调成芯片要求的格式，并传输到相应的模块来处理这些数据消息。static void appRec() unsigned char Data_end = APP_PAYLOAD_LENGTH ; Timer1_START(0); U0CSR &= 0X40; if(basicRfReceive(pRxData,APP_PAYLOAD_LENGTH,NULL)0) /处理所得到的数据 for(Data_end;pRxDataData_end-1=0x00;Data_end-); UartTX_Send_String(pRxData,Data_end); LED1 =!LED1; LED2 =!LED2; memset(pRxData,0x00,Data_end); Data_end = 0; U0CSR |= 0X40; 当然，在这个简单的通信收发功能中，光耦RS485也是一个通信中一个重要的“保卫者”，在光电隔离器的帮助下，在信号不稳定的情况下能够保护通信电路，同时，RS485的差分信号传输也是能够保证信号能传输更远的距离。4.3 本章小结虽然软件设计方面不是我的主要工作，但这里也简单介绍我们调试程序所用的软件和主要通信功能的程序语言。第5章 通信实验系统调试5.1 硬件调试硬件检查是任何硬件设计进行实验调试的首要内容。系统硬件检查主要是检查电子线路板是否有断路或短路的地方，所使用的芯片以及元器件是否有问题等，然后对各个主要模块分别进行调试。在排除硬件故障之后，便可以结合软件进行测试。本次设计硬件检查内容为：1.用万用表检查各个线路之间有没有断路，焊盘比较靠近的地方检查有没有短路，尤其需要检查电源和地之间是否存在短路。2.利用我们制作成功的稳压开关电源或实验室电源箱给每一个芯片上电，根据芯片的数据手册检查芯片每一引脚的输出情况，确定其完好性。本次设计中，通信稳定性是对硬件设计的一个重要考究内容。那么我们不妨拿出MAX485芯片进行上电，然后用示波器测试其通信能力，测试过程MAX485芯片使能端要置高电平。在硬件电路数据发送端口发送100KHz方波信号，并在MAX485接收端接收信号，测试结果如图5-1所示。图5-1 通道1为源信号，通道2为接收信号在硬件电路MAX485发送端发送100KHz方波信号，并在数据接收端接收信号，测试结果如图5-2所示。测试结果表明，硬件电路工作基本正常，能满足系统的需求。图5-2 通道1为源信号，通道2为接收信号5.2 系统集成调试5.2.1 有线通信传输调试（PC 下位机）为保证在我们最终的无线通信调试中能获得最佳的效果，我们首先调试有线通信过程，并解决其中出现的小问题。这样还能够排除接下来的无线通信调试中因无线通信模块以外的其他问题而导致的通信失败结果，所以，我认为这个有线通信调试是很有必要的。（1）连接线路：我们将事先买回来的USB转RS232串口线、RS232转RS485信号转换模块、下位机、PC连接在一起；（2）检测数据通信：打开下位机监控窗口，观察下位机检测到的数据是否完好的传送到PC上；（3）监控控制：我们尝试按“复位”按钮检测下位机是否如常复位，如果可以则说明下位机的数据收发均没有问题。实际测试中，我们也看到下位机有复位动作。5.2.2 无线通信传输调试（PC PC）本次调试是为了保证通信的稳定性和准确性，避免因波特率或程序设置问题而导致数据乱码的情况。（1）连接线路：我们将自己设计的基于ZIGBEE的无线RS232模块和无线光耦RS485模块分别接到PC的USB口和RS485转RS232信号转换模块，然后信号转换模块再通过USB转RS232串口线连接到PC，即PC PC之间的数据收发；（2）检测数据通信：这时我们使用串口调试工具，选择正确的COM口，实现单点数据收发。虽然我们只是简单的发送字母，但实验过程中我们遇到数据接收乱码的情况，经过对CC2530程序和通信波特率的修改，最后我们还是完成PC PC之间的数据收发，字母显示完整。5.2.3 无线通信传输调试（PC 下位机）在完成上面两个调试过程后，本设计最终的PC 下位机之间的无线通信大概能排除一系列的小问题，实现无线通信的监控过程。（1）连接线路：我们将自己设计的基于ZIGBEE的无线RS232模块和无线光耦RS485模块分别接到PC的USB口和下位机；（2）检测数据通信：打开下位机监控窗口，观察下位机检测到的数据是否完好的传送到PC上；（3）监控控制：我们尝试按“复位”按钮检测下位机是否如常复位，如果可以则说明下位机的数据收发均没有问题。实际测试中，我们也看到下位机有复位动作；（4）测试数据通信的持久性：本次设计使用基于ZIGBEE的无线光耦通信，无线和光耦的因素均会影响通信的稳定性和持久性。本次调试我们将持续一段时间，观察监控过程数据是否发生异常情况，实际上，在光耦和无线硬件设计的过程我们也考虑到持久性和速度的问题，尽量通过计算设计合适的上拉电路和震荡电路。最终，实际调试过程也通过了持久性测试。5.3 本章小结 本章是本次设计的目的实现过程介绍，虽然总体调试内容不多，但一个简单的通信也让我们遇到很多难题，需要综合考虑每一处设计的小问题。当然，我们的设计也是为进一步的拓展而建题的，确保每一模块的完好性是本次设计的基本要求，只有每一部分达到设计要求，我们的设计才得以发展。正如社会的和谐和整体道德水平的提高，需要每一位公民参与其中，注重提高素质修养，做好榜样作用。第6章 ZigBee无线通信设计总结与展望6.1 总结本次设计主要是针对基于Zigbee的RS485通讯模块硬件设计，主要工作内容是完成光耦通信过程硬件制作与连接和CC2530射频信号转RS485差分信号的稳定性等两方面问题。在上面的章节我们已经详细介绍了各种元器件的功能和自己制作线路板的主要程序，这也是反映我们这个设计的进行过程。本次设计内容看似比较简洁、难度不大，但整个设计过程及前期准备都由自己动手完成，实际上需要花费的时间比较多。这让我们明白到为什么一些如腾讯、华为等的大公司分部门、分工作要分得那么细小，而且一个小模块项目甚至需要十几个人以上的团队，因为，一个小模块，其价值就体现在你如何把它完成、完善以满足整个产品的性能需求。如果没有宏观的眼光和全面的知识前提，这个小模块是很难得到进步的，甚至还可能拖下公司产品的后腿。我们这次设计开展的过程中也遇到过各种各样的难题需要大家