基于CC2500的2.4G无线收发系统设计正文(郝兴恒)

1 基于 CC2500 的 2 4GHz 无线收发系统设计 1 系统方案设计与论证 1 1 设计要求 利用无线芯片设计一个无线收发系统 要求设计达到以下技术要求 低工作电压 低功耗 工作于免费的 2 4 2 485GHz 免许可证 ISM 频段 各主要技术指标可实现编程控制 要求操作简单 高信息传输速率 250kbps 支持多种调制方式 高接收灵敏度 10kbps 下 100dBm 250kbps 下 90dBm 1 数据包误码率 450KHz 数字信道滤波带宽 可编程输出功率控制 可实现点对多点通信地址控制 1 2 设计方案与论证 设计采用模块化设计 整个系统主要由无线收发模块 控制模块和电源模块构成 1 2 11 2 1 无线模块无线模块 根据设计要求 查找工作在 2 4GHz 频段相应无线收发芯片的 datasheeet 从 Nordic Maxic TI Silicon Labs 等各大公司生产的无线收发芯片中仔细查找筛选 筛选 的原则是 满足设计性能要求 价格合理 容易购买 设计难度小 操作方便 通过比 较 最终选定 TI 公司的 CC2500 作为无线模块核心 CC2500 体积小 几乎集成了所有的 无线射频功能 灵敏度高 可编程设定主要工作参数 高效的 SPI 接口 工作在 1 8V 3 6V 电压范围 功耗低 具有多种调制方式 能满足不同应用要求 纠错能力强 误码率低 所需外围器件很少 降低了设计难度 数字特征明显 软件设计难度降低 用 户操作也更加简单 收发一体 可实现双向通信 所以 选择 CC2500 作为无线核心具有 很大的设计优势和价格优势 设计周期短 使用简便 最终产品也能够更快的占领市场 1 2 21 2 2 控制模块控制模块 无线模块选用了CC2500 由于CC2500芯片内部集成了几乎所有的射频功能 控制器 只要能控制 CC2500的不同操作模式 写入缓冲数据 通 过4线SPI SI SO SCLK 和 CSn 总 线 配 置接 口读回状态信息就能达到要求 因此 廉价的MCU就能对其进行控制 市场上最常见的8位51系列单片机就能满足要求 综合性能 价格 应用普遍性等多方面的 2 因素 本设计采用能满足设计要求 性能适中 价格最便宜 使用广泛的STC89C52单片机 作为无线模块微控制核心 1 2 31 2 3 电源模块电源模块 根据上面的选择 CC2500 芯片的供电电压要求是 1 8V 3 6V 而且要求稳定度高 干 扰小 STC89C52 芯片供电电压是 5V 稳定性要求比无线芯片稍低 根据要求初步拟定了 两个方案 方案一 采用干电池供电 利用 3 节五号电池分别为 CC2500 提供 3V 直流电源 为 STC89C52 提供 4 5V 的直流电源 但是干电池得不到芯片所要求的典型电压值 放点以后 的电压值和内阻的变化也很大 实际上是很难满足设计的供电要求的 方案二 采用稳压芯片 为增加无线系统的移动性 稳压部分的前级既可以采用对市 电变压后的开关电源 也可以采用蓄电装置供电 因为无线模块的便携性要求 这里最好 采用 5V 或 5V 以上的蓄电池作前级供电 设计中 3 3V 稳压芯片采用 LM2576T 3 3 5V 稳 压芯片采用 L7805 考虑到首先要满足性能要求 最终供电模块采用方案二 根据设计要求 得出系统的总的设计方案框图如图 1 所示 发射部分接收部分 无线发射模块无线接收模块 控 制 模 块 控 制 模 块 天线 天线 电源模块电源模块 图 1 方案框图 由方框图可见 无线收发系统分为发射部分和接收部分 实际上由于 CC2500 是收发一 体的芯片 所以系统可以简化表示为如图 2 所示形式 3 无线收发模块 控 制 模 块 电源模块 图 2 简化了的设计方案 综上所述 考虑到性能 价格 操作性 便携性等各种因素 本方案都能达到要求 因此本方案是可实现的 2 硬件单元电路设计 2 1 无线模块 CC2500是Chipon公司 现被TI收购 推出的单片无线收发一体化芯片 芯片属于基于 0 18 微 米CMOS晶体技术 的Chipcon SmartRF 04 系列 工作在2 4 2 4835GHz全球开 放的ISM 公业 科学 医学 频段 数据传输率12 500kbps 满足多点通信和跳频通信 需要 工作电压1 9 3 6V 芯片内部高度集成了频率合成器 可编程调制解调器 射频功 放 低噪声小信号放大器 基带滤波放大器 硬件CRC 循环冗余校验 点对多点通信地 址控制 模拟温度传感器等几乎所有射频收发器模块 主要工作参数大都可以通过芯片状 态字由用户根据需要进行配置 没有复杂的通信协议 对用户完全透明 CC2500支持2 FSK MSK OOK 和灵活的 ASK 调制方式 对同类产品完全兼容 因此 只要极少数 的外围元件 使用廉价的微控制器就可得到高性能的数字RF系统 2 1 12 1 1 无线收发芯片外部特征无线收发芯片外部特征 无线收发芯片 CC2500 采用 4 4mm QLP20 封装形式 体积小 集成度高 图 2 是 CC2500 的视觉外形和封装 图 3 是封装参数 4 图 2 CC2500 芯片外观和封装 单位 mm 图 3 CC2500 封装参数 2 2 22 2 2 芯片引脚及其功能芯片引脚及其功能 CC2500 芯片有 28 个引脚 引脚排列顺序见图 4 表 1 是对应引脚的功能 5 图 4 CC2500 引脚排列 注 表面的硬膜连接垫必需接在硬地面上 因为这是芯片的主接地 引脚编号引脚名引脚类型描述 1SCLK数字输入连续配置接口 时钟输入 2SO GD01 数字输出连续配置接口 数据输出 当 CSn 为高时为可选的一般输出脚 3 GDO2数字输出一般用途的数字输出脚 测试信号 FIFO 状态信号 时钟输出 从 XOSC 向 下分割 连续输入 TX 数据 4DVDD数字功率数字 I O 和数字中心电压调节器的 1 8V 3 6V 数字功率供给 输出 5 DCOUPL数字功率对退耦的 1 6V 2 0V 数字功率供给输出 注意 这个引脚只 对 CC2500 使用 不能用来对其他设备提供供给电压 6 GDO0 Ate st 数字 I O一般用途的数字输出脚 测试信号 FIFO 状态信号 时钟输出 从 XOSC 向 下分割 连续输入 TX 数据 也用作原型 产品测试的模 拟测试 I O 7CSn数字输入连续配置接口 芯片选择 8XOSC Q1模拟 I O晶体振荡器脚 1 或外部时钟输入 6 9AVDD模拟功率1 8V 3 6V 模拟功率供给连接 10XOSC Q2模拟 I O晶体振荡器脚 11AVDD模拟功率1 8V 3 6V 模拟功率供给连接 12RF PRF I O接收模式下对 LNA 的正 RF 输入信号 发送模式下对 LNA 的正 RF 输出信号 13AVDDRF I O接收模式下对 LNA 的负 RF 输入信号 14AVDD模拟功率1 8V 3 6V 模拟功率供给连接 15AVDD模拟功率1 8V 3 6V 模拟功率供给连接 16GND模拟地模拟接地 17RBIAS模拟 I O参考电流的外部偏阻器 18DGUARD数字功率对数字噪声隔离的功率供给连接 GND 19GND数字地数字噪声隔离的接地 20SI数字输入连续配置接口 数据输入 表 1 CC2500 外接引脚介绍 2 1 22 1 2 CC2500CC2500 无线收发芯片内部结构无线收发芯片内部结构 CC2500 简化结构框图如图 5 所示 当 CC2500 用作一个低中频 Low IF 接收器 时 接收的 RF 信号通过低噪声放大器 LNA 放大 再对中频信号 IF 求积分来向下 转换 在中频 IF I Q 信号通过 ADC 被数字化 自动增益控制 AGC 细微频率滤 波和解调 位 数据包同步均是数字化地工作 CC2500 的发送器部分基于 RF 频率的直接合成 频率合成器包含一个完整的芯片 LC VCO 和一个对接收模式下的向下转换混频器产生 I 和 Q LO 信号的 90 度相移装置 晶体振荡器连接在 XOSC Q1 和 XOSC Q2 上 晶体振荡器产生合成器的参考频率 同时 为数字部分和 ADC 提供时钟 以一个 4 线 SPI 串联接口为配置和数据缓冲通路 数字基 带包括频道配置支持 数据包处理及数据缓冲 7 图 5 CC2500 简化结构框图 2 2 32 2 3 CC2500CC2500 无线收发芯片电性能参数无线收发芯片电性能参数 CC2500无线收发芯片可工作在 40 C 85 C温度范围内 工作电压1 8V 3 6V 所有的供电引脚必需保证相同的电压 在数据速率250kbps最佳电流配置接收条 件下工作电流为15mA左右 休眠模式下最低电流消耗为400nA或900nA 支持低功率电 磁波激活功能 外部中断唤醒 外部中断或RTC 唤醒系统 编程控制方便 用户可以 通过四线串行配置和数据接口对内部寄存器进行设置 是芯片按照用户需求工作 表 2 是芯片绝对最大等级参数要求 超过一个或多个限制值会对设备造成 永久损坏 表 2 绝对最大等级参数表 8 CC2500 可在全数字化条件下工作 表 3 是在指定条件下 输入输出高 低电平的 电压要求 表 3 电平参数 CC2500 发射功率 数据率 调制方式 接收数据率 工作状态等技术指标都可以通 过编程设定 不同条件小电气参数不同 表 4 是在给定测试条件 在 Tc 25 C VDD 3V 情况下 芯片的电流规范值 参数最小值典型值最大值单位 测试条件 400nA 数字部分的电压调节器关闭 寄存器值保持 休眠状态 900nA 数字部分的 电压调节器关 闭 寄存器值保持 低功率 RC 振荡器工作 休眠状态 WOR 开启 92uA 数字部分的 电压调节器关 闭 寄存器值保持 XOSC 工 作 休 眠 状 态 MCSM0 OSC FORCE ON 固定 功率 降低 模式 下的 电流 消耗 160uA 数字部分的电压调节器开启 所有其他模块功率降低 XOFF 状态 8 1uA 每秒自动 RX 选举 使用低功率 RC 振荡器 460Hz 滤 波带宽和 250kbps 数据率 PLL 校 准每第 4 次唤起时 发生 信道有信号时的平 均电流在载波感应等级之下 35uA 同上面一样 但信道有信号时的平均电流在载波感应等 级之上 1 9msRX 工作暂停 无 前导 同步词汇 电流 消耗 1 4uA 每 15 秒自动 RX 选举 使用低功率 RC 振荡器 460Hz 滤波带宽和 250kbps 数据率 PLL 校准每第 4 次唤起时发生 信道有信号时的 平均电流在载波感应 等级之下 9 42uA 同上面一样 但信道有信号时的平均电流在载波感应等 级之上 14msRX 工作暂停 无 前导 同步词汇 1 5 mA 只有数字部分的电压调节器和晶体振荡器工作 空闲状 态 7 4 mA 只有频率合成器工作 从空闲状态之后直到到达 RX 或 TX 状态及频率校正状态 15 3mA 接收模式 2 4kbps 输入接近灵敏度限制 12 8mA 接收模式 2 4kbps 输入高于灵敏度限制 30dB 15 4mA 接收模式 10kbps 输入接近灵敏度限制 12 9mA 接收模式 10kbps 输入高于灵敏度限制 30dB 18 8mA 接收模式 250kbps 输入接近灵敏度限制 15 7mA 接收模式 250kbps 输入高于灵敏度限制 30dB 16 6mA 接收模式 250kbps 电流最佳化时 输入接近灵敏度限制 13 3mA 接收模式 250kbps 电流最佳化时 输入高于灵敏度限制 30dB 19 6mA 接收模式 500kbps 输入接近灵敏度限制 电流 消耗 RX 状 态下 17 0mA 接收模式 500kbps 输入高于灵敏度限制 30dB 11 1mA 发射模式 输出功率 12dBm 15 1mA 发射模式 输出功率 6dBm 电流消 耗 TX 状态下 21 2mA 发射模式 输出功率 0dBm 表 4 电流规范表 芯片内置了模拟温度传感器 模拟温度传感器的特性参数见表 5 特别要注意的是 在 IDLE 状态下使用模拟温度传感器时 有必要对 PTEST 寄存器写入 0XBF 位 参数最小值典型值最大值单位条件 注意 40 C时的输出电压 0 6380 6480 706V 0 C时的输出电压 0 7330 7430 793V 40 C时的输出电压 0 8280 8400 891V 80 C时的输出电压 0 9240 9390 992V 120 C时的输出电压 1 0221 0391 093V 10 温度系数 2 352 452 46 mV C C 从 20 C 到 80C C符合 计算温度下的绝对误差 14 8 14 C 假设对绝对 精度的最佳符 合 0 C 时 0 763V 2 44mV C 时 从 20 C 到 80 C 计算温度下的误差 被 校准 2 2 C 室温 下在 1 point 校准后 当使 用 2 44mV C 时从 20 C 到 80 C 开启之后的迁移时间 TBD s 开启后的电流消耗增加 0 3mA 表 5 模拟温度传感器参数 CC2500无线收发芯片还提供 规定 了其它射频和芯片的参数值 芯片要求天线匹 配阻抗为50欧姆 天线寄生辐射为欧美25MHz 1GHz 其它地区在1GHz以上 外接晶振 的范围为26 28MHz 典型值为26MHz 典型容差为 40ppm 低功RC振荡器校准频率为 34 6 37 3KHZ XTAL输入值除以750 典型值为34 7KHz 内部频率合成器决议频率为 397 427Hz 假定晶振输入为26 28MHz 典型值为 FXOSC 216 芯片内置了精确的 锁相环 PLL 锁相环开启 跳跃时间最大值为80us RX TX和TX RX 设定时间为10us 校准时间为0 67 0 72ms 数字信道滤波带宽可由用户自己设定 为了更清楚的理解芯片的工作原理 芯片 datasheet 给出数据率 250kbps 最佳电流状态 时典型应用时的状态表 见下图 6 11 图 6 状态表 注释 1 sleep 最低功率模式 大多数寄存器值被保持 典型电流消耗 400nA 或900nA 当电磁波唤醒 WOR 开启时 2 Idle 当通信不被接收或传输时为默认值 典型电流消耗 1 5mA 3 Manual freq Synth Calibration 用来校准在前面的频率合成器 进入接收或发送模式能更快 地运行 变迁状态典型电流消耗 7 4mA 4 频率合成器开启 频率合成器是开启的 准备开始发送 在接收 STX 命令滤波之后 发 送很快就开 始 典型电流消耗 7 4mA 2 2 42 2 4 CC2500CC2500无线收发芯片接口和寄存器描述无线收发芯片接口和寄存器描述 12 编程控制芯片的实质就是对芯片的寄存器进行配置 这一部分主要介绍芯片的寄存 器及相关配置要求 1 SPI接口 CC2500通过4线SPI兼容接口 SI SO SCLK和CSn 对寄存器进行配置 这个接口同 时用作写和读缓存数据 SPI 接口上所有的地址和数据转换被最先在重要的位上进行处 理 SPI接口上所有的处理都同一个包含一个读 写位 一个突发访问位和一个6位地址的 头字节一起作用 在地址和数据转换期间 CSn 脚 芯片选择 低电平有效 必须保持为低 电平 如果在过程中 CSn变为高电平 则转换取消 当 CSn变低 在开始转换头字节之前 MCU 必须等待 直到 SO脚变低 这表明电压调制器已经稳定 晶体正在运作中 除非芯 片处在 SLEEP或 XOFF状态 SO脚在 CSn变低之后总会立即变低 下图 7 描述了对 寄存器进行读写操作的时序图 表 6 描述了SPI接口的定时要求 在编写程序是要考虑 图 7 配置寄存器写和读操作时序图 参数描述最小值最大值 FSCLK SCLK 频率 010MHz tsp pd CSn 低到 SCLK 的正边缘 功率降低模式下 TBDus tsp CSn 低到 SCLK 的正边缘 活动模式下 TBDns tch 时钟高 50ns tcl 时钟低 50ns trise 时钟上升时间 TBDns tfall 时钟上升时间 TBDns tsd 向SCLK 的正边缘建立数据 TBDns thd 在SCLK 的正边缘之后保持数据 TBDns tns SCLK 到CSn 高时的负边缘 TBDns 表 6 SPI 接口定时要求 2 芯片状态位描述 状态寄存器6 5和4位由状态值组成 这个值反映了芯 片的状态 当使 XOSC空闲并使数 13 字中心的能量开启 所有其他 模块处于功 率降低状态时 频率和信道配置才能更新 当 芯片处于接收模式时 RX状态是活动的 同样地 当芯片处于传输模式时 TX状态是活 动的 状态字节中的后四位 3 0 包 含 FIFO BYTES AVAILABLE 为了进行读 操作 这个区域包含可从 RX FIFO读取的字节数 为了进行写操作 这个区域包含可写入TX FIFO的字节数 当FIFO BYTES AVAILABLE 15时 15或者更多字节是可以自由使用的 下表 7 是对状态位的一个简要描述 比特名称描述 7CHIP RDYn 保持高 直到功率和晶体已稳定 当使用SPI 接口时应始 终为低 6 4STATE 2 0 表明当前主状态机模式 值状态描述 000空闲空闲模式 001RX接收模式 010TX发送模式 011FSTXON快速TX准备 100校准频率合成器校准正运行 101迁移PLL正迁移 110RXFIFO OV ERFLOW RX FIFO已经溢出 读出任何有 用数据 然后用SFRX冲洗 FIFO 111TXFIFO OV ERFLOW TX FIFO已经下溢 同SFTX应答 3 0FIFO BYTES AVAILABLE 3 0 TX FIFO中 的自由比特数 若 FIFO BYTES AVAILABLE 15 它表明有15 或更多个比 特是可用 自由的 表 7 状态字概述 3 数据传输 CC2500芯片通信数据以数据包的形式传输 数据包的格式如下图 8 所示 相关解 释与注意事项见图后注释 传输数据率和接收的数据率要进行匹配 由 MDMCFG3 DRATE M和MDMCFG4 DRATE E 配置寄存器控制 数据率有晶振频率决定 数据率RDATA可由下面公式得到 同样 利用上式也可以得到 14 接收信道的滤波带宽也是可以通过设定MDMCFG4 CHANBW E和 MDMCFG4 CHANBW M编程确定 可以通过下面的式子得到所需的带宽值 为了得到最高性能 信号带宽最多占 80 信道滤波带宽 取决于晶体 精确度的信 道 中心容差 也应该从信号带宽中减去 单位 bit 前导码同步字数据长度地址数据载荷校验码 8 n 16 3288 8 n 16 图 8 数据包格式 注释 由上图可见 无线收发的一个数据包由8 n bit的附加信息位 16或32bit的同步字 8bit数据包 长度控制字 8bit可选地址控制字 8 n bit任意长数据载荷和16bit CRC检校字构成 数据包传送时左边在 前 右边在后 但是单包数据长度不能超过256字节 CC2500提供为数据包导向的通信协议 在传输模 式下 只需要添加可控制数量的前导字节和一个二字节同步词汇到TX FIFO数据包 在接收模式下数据包 处理支持将对数据包进行解析 推荐设定为 4 字节前导和 2 字节同步词汇 而且控制数据包处理特性 的寄存器区域必须只能在 CC2500 处于空闲状态时更改 相关更详细的介绍请访问TI中国官网 查看芯片数据手册 4 寄存器描述 CC2500的寄存器分为配置寄存器和状态寄存器 地址从0 x00 0 x2E为配置寄存器 0 x30 0 x3F为状态寄存器 用户通过配置寄存器对8位寄存器进行配置 可以设定通信数据 率 接收信道滤波带宽 调制解调参数 数据包参数和数据滤波参数 电压和功率控制 纠错控制 晶体和频率控制 激活模式控制等等 图 9 给出了SPI 地址空间 供使用 的地址通过在左边加入基地址 在顶端加入突发和读 写位的方式给出 注意在 0 x2F 之上和 之下 突发位对于基地址有不同的意义 表 8 是对地址空间中配置寄存器的描述 表 9 是对地址空间中状态寄存器的描述 详细配置参数请参看芯片数据手册55 78页 注释 数据手册下载地址是 15 16 图 9 SPI 地址空间 地址寄存器描述是否保存在休眠状态 中中 0 x00IOCFG2 GDO2 输出脚配置 Yes 0 x01IOCFG1 GDO1 输出脚配置 Yes 0 x02IOCFG0 GDO0 输出脚配置 Yes 0 x03FIFOTHR RX FIFO 和TX FIFO 门限 Yes 0 x04SYNC1 同步词汇 高字节 Yes 0 x05SYNC0 同步词汇 低字节 Yes 0 x06PKTLEN 数据包长度 Yes 0 x07PKTCTRL1 数据包自动控制 Yes 0 x08PKTCTRL0 数据包自动控制 Yes 0 x09ADDR 设备地址 Yes 0 x0ACHANNR 信道数 Yes 0 x0BFSCTRL1 频率合成器控制 Yes 0 x0CFSCTRL0 频率合成器控制 Yes 0 x0DFREQ2 频率控制词汇 高字节 Yes 0 x0EFREQ1 频率控制词汇 中间字节 Yes 0 x0FFREQ0 频率控制词汇 低字节 Yes 0 x10MDMCFG4 调制器配置 Yes 0 x11MDMCFG3 调制器配置 Yes 0 x12MDMCFG2 调制器配置 Yes 0 x13MDMCFG1 调制器配置 Yes 0 x14MDMCFG0 调制器配置 Yes 0 x15DEVIATN 调制器背离设置 Yes 0 x16MCSM2 主通信控制状态机配置 Yes 0 x17MCSM1 主通信控制状态机配置 Yes 0 x18MCSM0 主通信控制状态机配置 Yes 0 x19FOCCFG 频率偏移补偿配置 Yes 0 x1ABSCFG 位同步配置 Yes 0 x1BAGCTRL2 AGC 控制 Yes 0 x1CAGCTRL1 AGC 控制 Yes 0 x1DAGCTRL0 AGC 控制 Yes 0 x1EWOREVT1 高字节时间0 暂停 Yes 0 x1FWOREVT0 低字节时间0 暂停 Yes 0 x20WORCTRL 电磁波激活控制 Yes 0 x21FREND1 前末端RX 配置 Yes 0 x22FREND0 前末端TX 配置 Yes 0 x23FSCAL3 频率合成器校准 Yes 0 x24FSCAL2 频率合成器校准 Yes 0 x25FSCAL1 频率合成器校准 Yes 0 x26FSCAL0 频率合成器校准 Yes 17 0 x27RCCTRL1 RC 振荡器配置 Yes 0 x28RCCTRL0 RC 振荡器配置 Yes 0 x29FSTEST 频率合成器校准控制 No 0 x2APTEST 产品测试 No 0 x2BAGCTEST AGC 测试 No 0 x2CTEST2 不同的测试设置 No 0 x2DTEST1 不同的测试设置 No 0 x2ETEST0 不同的测试设置 No 表 8 配置寄存器地址对照表 地址寄存器描述 0 x30 0 xF0 PARTNUM CC2550 的组成部分数目 0 x31 0 xF1 VERSION 当前版本数 0 x32 0 xF2 FREQEST 频率偏移估计 0 x33 0 xF3 LQI 连接质量的解调器估计 0 x34 0 xF4 RSSI 接收信号强度指示 0 x35 0 xF5 MARCSTATE 控制状态机状态 0 x36 0 xF6 WORTIME1 WOR 计时器高字节 0 x37 0 xF7 WORTIME0 WOR 计时器低字节 0 x38 0 xF8 PKTSTATUS 当前GDOx 状态和数据包状态 0 x39 0 xF9 VCO VC DAC PLL 校准模块的当前设定 0 x3A 0 xFA TXBYTES TX FIFO 中的下溢和比特数 0 x3B 0 xFB RXBYTES RX FIFO 中的下溢和比特数 表 9 配置寄存器地址对照表 2 2 52 2 5 无线模块原理图设计无线模块原理图设计 原理图的设计必须严格按照数据手册上的要求来进行 包括元器件的要求都要严格遵 守 图 11 是无线模块的原理图 1 2 3 6 7 20脚接单片机 表 11 是元器 件规格表 1 晶振部分 26MHz 28MHz 频率范围的晶体必须连接在 XOSC Q1 和 XOSC Q2 脚之间 必需要 有晶体负载电容 C14 C15 晶体的总负载电容 CL由下式决定 Cparasitic寄生电容由引脚输入电容和 PCB漂移电容所组成 总寄生电容典型值为 2 5pF 晶振电路如下图 10 所示 晶体振荡元件值见表 10 18 图 10 晶振电路 元件符号 CL 10pFCL 13pFCL 16pF C1415 pF22 pF27 pF C1515 pF22 pF27 pF 表 10 晶体振荡器元件值 2 天线 从RF引脚向天线方向看 匹配网络应该满足下式 如图 11 所示 12脚 13脚以外的部分是 网络 C8 C9为射频平衡转换器 DC模块电容 C10 C11是RF 平衡转换器 匹配电容 C12 C13是RF LC 滤波 匹配电容 L1 L3是RF 平衡转换器 匹配电感 L2是RF LC 滤波电感 至于天线 这里不作特别讨 论 设计方法请参考芯片数据手册 3 供电 为了减小电源的干扰 芯片采用分开供电的方式 C1 C3 C7 C17都是电源退藕电 容 C2 C18是数字部分的片内电压调节器的退偶电容 R1是内部偏电流参考的 56 千欧 电阻 符号 参数尺寸元件规格 C10 C11 1pF0402 ECJ0EC1H010C C131 5pF0402 ECJ0EC1H1R5C C121 8pF0402 ECDG0E1R8B C14 C1515pF0402 ECJ0EC1H150J C17 C1847pF0402 ECJ0EC1H470 C8 C9100pF0402 ECJ0EC1H101J C5 C6 C7220pF0402 ECJ0EC1H221J C1 C2 C3 C40 1uF0402 ECJ0EB1A104K C161uF0805 C0805C105K4RACTU 19 Y126 000MHzABM3B ABM3B 26 000MHZ 10 1 U T L1 L2 L31 2nH0402 MLK1005S1N2S R156K0402 ERJ3EKF5622V 表 11 元器件规格表 图 11 无线模块原理图 2 2 62 2 6 无线模块无线模块PCBPCB设计设计 1 元器件布局 在元器件布局的过程中应当注意以下几个问题 首先确定与其它PCB板或系统的接口元器件在PCB板上的位置 必须注意接口元器件间 的配合问题 这里的天线接口位置和与单片机连接接口位置要先确定 PCB 的面积很小很小 元器件间排列很紧凑 因此对于体积较大的元器件 必须优先考 虑 确定出相应位置 并考虑相互间的配合问题 这里芯片和晶振就是属于大元件 数字信号和模拟信号要分开 滤波网络必须就近连接 这样不仅可以减小辐射 而且可 以减少被干扰的几率 退藕电容要尽量靠近芯片引脚 最后的电路元器件布局如图 12 20 图 12 电路元器件布局图 2 布线 在布局完成以后就要进行布线 布线的基本原则是 在组装密度许可情况下后 尽量 选用低密度布线设计 并且信号走线尽量粗细一致 有利于阻抗匹配 布线时 所有的走 线应该远离 PCB 的边框 2mm 左右 电源线要尽中能宽 以减少环路电阻 同时 使电 源线 地线的走向和数据传递的方向一致 以提高抗干扰能力 所布信号线应尽可能短 并尽量减少过孔数目 各元器件间的连线越短越好 以减少分布参数和相互间的电磁干扰 对于不相容的信号线应量相互远离 而且尽量避免平行走线 而在正向两面的信号线应用 互垂直 布线时在需要拐角的地址方应以 135 角为宜 避免拐直角 特别强调 地线的 阻抗会产生磁干扰 给系统带来麻烦 地线粗 短 走向合理能有效抑制磁干扰 最终生成的 PCB 如下图所示 图 13 是顶层视觉图 图 14 是底层视觉图 21 图 13 顶层图 图 14 底层图 2 2 微控制器模块 微控制器模块主要由 STC89C52 芯片和其外围电路组成 这里对 PCB 设计没有特别的 要求 所以不再详述 后面的电源模块也做相同处理 22 2 2 12 2 1 STC89C52STC89C52 芯片简介芯片简介 本设计采用宏晶科技生产的 STC89C52 芯片 芯片采用 40 脚双列直插式封装 32 个 I O 口 芯片工作电压 3 8 5 5V 工作温度 0 70 C 商业级 工作频率可高达 30MHz 芯片的外形和引脚见下图 15 封装参数可以查阅 STC89C52RC 的数据手册 也可以在 画 PCB 是利用 Altium Designer 建立 PCB 封装库 利用工具菜单中 PCB 封装向导自动生 成 STC89C52 芯片的引脚及功能与 MCS51 系列完全相同 这里不再赘述 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 使用高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全 兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有 灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活 超有效的解决方案 STC89C52 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位 定时器 计数器 一 个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡 器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 8 位微控制器 8K 字 节在系统可编程 Flash P0 P3 口结构 第一功能 第二功能请参考数据手册 图 15 STC89C52 外形和引脚图 注 STC89C52 数据手册下载地址 www mcu 23 2 22 2 2 2 微控制模块原理图微控制模块原理图 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RESET 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XALT0 18 XALT1 19 GND 20 P2 0 AD8 21 P2 1 AD9 22 P2 2 AD10 23 P2 3 AD11 24 P2 4 AD12 25 P2 5 AD13 26 P2 6 AD14 27 P2 7 AD15 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 U1 AT89C52 12 Y XTAL 4K7 R1 Res2 S1 SW PB VCC VCC GND GND 30pF C1 Cap 30pF C2 Cap 图 16 微控制器模块原理图 微控制器模块原理图如上图所示 C1 C2 30pF R1 4 7K Vcc 5V Y1 为 12MHz 晶振 如果要显示数据发送情况 生产时可以按照需求添加相应的显示模块 由于微控制 器引脚的输出为 5V 而无线模块的输入为 3 3V 这里要和无线模块连接必需加上 1K 10K 的电阻 具体的模块间的引脚连接根据用户的要求和编程喜好确定 没有特别的规定 2 3 电源模块 电源模块的输出电压有两种 一种是为微控制器供电的 5V 直流电压 一种是为无线 模块供电的 3 3V 直流电压 电源模块的原理图如下图 17 所示 元器件参数见图上标注 具体的 PCB 不再给出 24 图 17 电源模块原理图 3 软件单元设计 3 1 软件设计思想 CC2500 没有复杂的数据协议要求 因此软件设计要做到的主要是 1 初始化 CC2500 对寄存器进行配置 2 无线数据收发和处理 程序采用 C 语言来设计 应用电磁激活方式 当有数据包接收或发送时 无线收发系 统被唤醒 当数据发送完毕以后 系统自动进入休眠模式 程序流程图见图 18 25 MCU 和 CC2500 初始化 进入激活模式 是接收信号 进入接收状态 否 是 开 始 接收一个数据包 接收完毕 数据处理 否 是 继续 是 否 结束 为发送信号 是 否 进入发送状态 发送一个数据包 发送完毕 是 否 图 18 软件设计流程图 3 2 程序设计举例 为了方便更好的编程 下面给出 CC2500 初始化函数 SPI 初始化函数 数据包接收函 数 数据包发送函数 寄存器写入函数 寄存器读取函数 CC2500 接收地址设置函数 CC2500 发射地址设置函数 这些函数可以直接抑制到系统中 或者稍加修改就能应用 能够 大大减少编程的工作量 26 1 CC2500 初始化函数 void CC2500 Init void CSN 1 delay ms 1 CSN 0 delay ms 1 CSN 1 delay ms 1 CSN 0 SPI Write CCxxx0 SRES 写入复位命令 CSN 1 CC2500 WriteReg CCxxx0 FSCTRL1 CC2500 Config FSCTRL1 CC2500 WriteReg CCxxx0 FSCTRL0 CC2500 Config FSCTRL0 CC2500 WriteReg CCxxx0 FREQ2 CC2500 Config FREQ2 CC2500 WriteReg CCxxx0 FREQ1 CC2500 Config FREQ1 CC2500 WriteReg CCxxx0 FREQ0 CC2500 Config FREQ0 CC2500 WriteReg CCxxx0 MDMCFG4 CC2500 Config MDMCFG4 CC2500 WriteReg CCxxx0 MDMCFG3 CC2500 Config MDMCFG3 CC2500 WriteReg CCxxx0 MDMCFG2 CC2500 Config MDMCFG2 CC2500 WriteReg CCxxx0 MDMCFG1 CC2500 Config MDMCFG1 CC2500 WriteReg CCxxx0 MDMCFG0 CC2500 Config MDMCFG0 CC2500 WriteReg CCxxx0 CHANNR CC2500 Config CHANNR CC2500 WriteReg CCxxx0 DEVIATN CC2500 Config DEVIATN CC2500 WriteReg CCxxx0 FREND1 CC2500 Config FREND1 CC2500 WriteReg CCxxx0 FREND0 CC2500 Config FREND0 CC2500 WriteReg CCxxx0 MCSM0 CC2500 Config MCSM0 CC2500 WriteReg CCxxx0 FOCCFG CC2500 Config FOCCFG CC2500 WriteReg CCxxx0 BSCFG CC2500 Config BSCFG CC2500 WriteReg CCxxx0 AGCCTRL2 CC2500 Config AGCCTRL2 CC2500 WriteReg CCxxx0 AGCCTRL1 CC2500 Config AGCCTRL1 CC2500 WriteReg CCxxx0 AGCCTRL0 CC2500 Config AGCCTRL0 CC2500 WriteReg CCxxx0 FSCAL3 CC2500 Config FSCAL3 CC2500 WriteReg CCxxx0 FSCAL2 CC2500 Config FSCAL2 CC2500 WriteReg CCxxx0 FSCAL1 CC2500 Config FSCAL1 CC2500 WriteReg CCxxx0 FSCAL0 CC2500 Config FSCAL0 CC2500 WriteReg CCxxx0 FSTEST CC2500 Config FSTEST CC2500 WriteReg CCxxx0 TEST2 CC2500 Config TEST2 CC2500 WriteReg CCxxx0 TEST1 CC2500 Config TEST1 CC2500 WriteReg CCxxx0 TEST0 CC2500 Config TEST0 CC2500 WriteReg CCxxx0 IOCFG2 CC2500 Config IOCFG2 CC2500 WriteReg CCxxx0 IOCFG0 CC2500 Config IOCFG0 CC2500 WriteReg CCxxx0 PKTCTRL1 CC2500 Config PKTCTRL1 CC2500 WriteReg CCxxx0 PKTCTRL0 CC2500 Config PKTCTRL0 27 CC2500 WriteReg CCxxx0 ADDR CC2500 Config ADDR CC2500 WriteReg CCxxx0 PKTLEN CC2500 Config PKTLEN CC2500 WriteBurstReg CCxxx0 PATABLE PaTabel 8 CC2500 Command CCxxx0 SFRX CC2500 Command CCxxx0 SFTX CC2500 Command CCxxx0 SIDLE 2 SPI 初始化函数 void SPI Init void C