第3章-Zigbee硬件设计资料.ppt

-1-,第3章,Zigbee硬件设计,-2-,本章目标,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,-3-,本章目标,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,-4-,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:,3.1概述,-5-,启动一个硬件开发项目，作为硬件系统的设计者，要综合考虑各个方面,3.2设计规则及注意事项,系统架构需求,性价比,市场需求,-6-,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。原理图设计基本要求：规范、清晰、准确、易读。,3.2.1原理图设计,确定需求,确定核心CPU,参考成功案例,外围器件的选型,设计基本原则,原理图设计的一般过程包括以下几个方面：,-7-,确定需求,3.2.1原理图设计,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、以及供电模块等。了解基本需求后需要进行硬件的选型,-8-,确定核心CPU,3.2.1原理图设计,-9-,参考成功案例,3.2.1原理图设计,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，在设计过程中要仔细阅读芯片手册，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,-10-,对外围器件的选型,3.2.1原理图设计,-11-,设计基本原则,3.2.1原理图设计,数字电源和模拟电源分割（需要具体看所使用的芯片，具体需要参考芯片数据手册）。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。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。,-12-,设计基本原则,3.2.1原理图设计,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开发调试，要求较高。,-13-,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，需要注意以下几项内容：,3.2.2PCB设计,-14-,电源地线的处理,3.2.2PCB设计,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，在印制板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。,-15-,数字电路与模拟电路的共地处理,3.2.2PCB设计,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内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的、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。,-16-,信号线和电源线和地线层共层,3.2.2PCB设计,在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，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。,-17-,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,3.3硬件总体设计,-18-,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）,3.3.1CC2530核心板设计,-19-,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,3.3.2协调器节点的设计,-20-,电源接口,3.3.2协调器节点的设计,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，由电压转换电路将电压转换为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,-21-,JTAG接口,3.3.2协调器节点的设计,JTAG接口是连接仿真器下载调试程序的接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,-22-,按键：AD按键和I/O按键,3.3.2协调器节点的设计,-23-,LED：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通过选择跳线和外部扩展存储模块共用引脚,3.3.2协调器节点的设计,-24-,液晶显示屏，采用FYD128*64单色屏，是一种具有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,3.3.2协调器节点的设计,-25-,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RS485,3.3.2协调器节点的设计,RS232串口芯片采用MAX3232，MAX3232为双电荷泵3.0V-5.0V供电，确保在120Kbps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,-26-,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RS485,3.3.2协调器节点的设计,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,-27-,蜂鸣器两端加直流电压即可让蜂鸣器工作,3.3.2协调器节点的设计,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,-28-,传感器模块：温度传感器和光敏传感器,3.3.2协调器节点的设计,温度传感器采用DS18B20。DS18B20为数字温度传感器,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,-29-,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03.3V的变化，引起AD采样值的变化,3.3.2协调器节点的设计,WI为电位器，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,-30-,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,3.3.2协调器节点的设计,-31-,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2.7V-3.6V电源供电,3.3.2协调器节点的设计,-32-,CC2530插槽及扩展接口：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使用,3.3.2协调器节点的设计,-33-,CC2530插槽及扩展接口：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使用,3.3.2协调器节点的设计,-34-,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。,3.3.3路由节点的设计,-35-,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。,3.3.3路由节点的设计,-36-,3.4低功耗设计,选择低功耗器件,去除不必要的器件,选择合适的电源,综合考虑所以器件的工作电压范围,利用器件本身特性降低功耗,-37-,Altium前身为Protel国际有限公司，由NickMartin于1985年始创于塔斯马亚洲霍巴特，致力于开发基于PC的软件，为印刷电路板提供辅助设计，在2001年8月6日正式更名为Altium有限公司,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,点击安装图标安装软件,-38-,双击Setup.exe后将弹出“LicenseAgreement”对话框，点击“Iacceptthelicenseagreement”选项,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,-39-,点击“LicenseAgreement”对话框的Next选项在弹出的“UserInformation”对话框内，可以在“FullName”和“Organization”选项框中写入用户的名字，此处使用默认用户名称,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,-40-,在“DestinationFolder”对话框内选择安装路径，点击Browse按钮选择用户想要安装的路径，这里使用默认安装路径“C:ProgramFilesAltiumDesignerSummer09”,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,-41-,选择完安装路径后，进入安装过程,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,-42-,选择完安装路径后，进入安装过程,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,-43-,安装完成,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,-44-,启动程序,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,-45-,添加证书,实践3.G.1AltiumDesigner的安装,