Zigbee开发技术及实践第3章 Zigbee硬件设计.ppt

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CC2530Zigbee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 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 1CC2530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 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 2PCB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 2 0 3mm 最精细宽度可达0 05 0 07mm 电源线为1 2 2 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 1CC2530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 6 3 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1 F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10k 的上拉电阻 图3 2CC2530原理图 图3 3CC2530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AMS11173 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 6JTAG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 8LED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 9LCD原理图 在上述原理图中 FYD128 64采用5V供电 通过跳线JP22 LCDEN 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 10RS232和RS485跳线选择 RS232串口芯片采用MAX3232 MAX3232为双电荷泵3 0 5 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 11MAX232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 12RS485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0 3 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 分 时 日 星期 月和年 工作电压宽达2 5 5 5V 如图3 17所示 图3 17DS1302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 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 7 3 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 AT45EN 跳线组的选择 在使用外部扩展存储模块时要将 JP19 AT45EN 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 19CC2530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 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