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CC2530无线模块设计（含原理图、PCB、部分测试代码）.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：4.44M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 前言
    1.1 研究背景
    1.1.1 无线传感器网络
    1.1.2 Zigbee技术
    1.2 研究现状
    1.2.1 国内研究现状
    1.2.2 国外研究现状
    1.3 研究目的及意义
    2 总体方案确定
    2.1 设计要求
    2.1.1 方案一
    2.1.2 方案二
    2.2 方案的比较和确定
    3 硬件设计
    3.1 CC2530介绍
    3.2 射频电路设计原则
    3.3 CC2530无线模块硬件设计
    3.3.1 无线模块框图
    3.3.2 输入/输出匹配
    3.3.3 晶振
    3.3.4 状态指示灯及复位电路
    3.3.5 电源去耦和滤波
    3.3.6 片上1.8-V 稳压器去耦
    4 射频电路PCB设计
    4.1 PCB设计流程
    4.2 射频电路PCB布局原则
    4.3 射频电路PCB布线原则
    4.4 CC2530射频模块PCB图
    5 测试程序设计
    5.1 程序设计思想
    5.2 程序流程图
    6 测试与实验分析
    6.1 基于DREAMRF-CC2530网络平台测试
    6.1.1 网络参数设定
    6.1.2 Zigbee组网测试
    6.1.3 传感器节点数据收发测试
    6.2 基于无线网络数据分析仪、频谱仪和示波器的测试
    6.2.1 无线模块发射功率测试
    6.2.2 无线模块RSSI值测试
    6.2.3 无线模块的功耗测试
    6.2.4 无线模块通信距离测试
    6.3 电路调试
    6.4 测试结果与分析
    7 结论
    7.1 总结与讨论
    7.2 改进与完善思路
    参 考 文 献
    附 录
    附录A CC2530无线模块设计主要电路图
    附录B CC2530无线模块PCB图
    附录C CC2530无线模块实物图
    附录D 测试程序主要代码
    课 程 设 计 论 文 CC2530 无线模块设计 指导教师 学 院 名 称 论文提交日期 专 业 名 称 论文答辩日期
    摘 要 人类进入 2l 世纪以来，微电子机械系统、计算机、通信、自动控制和人工智能等学 科的飞速发展孕育了一种新型测控网络——无线传感器网络。无线传感器网络是由大量 无处不在的微小传感器节点，随机布设在无人值守的监控区域而构成的，能够根据环境 主要完成指定任务的自治监控网络系统。它已经引起了学术界和工业界的高度重视，是 对 2l 世纪产生巨大影响力的技术之一，在各个领域具有广阔的应用前景。 无线传感器网络是由大量的节点组成的，节点在无线传感网络中具有路由和感知的 功能。通常无线传感网络由大量的低成本、资源受限的传感器节点组成，用来部署在复 杂的环境中，节点往往通过电池来供电。因此，在无线传感网络节点操作系统设计时， 低功耗是一个具有挑战的新问题。传感器节点数量众多，分布区域广泛，甚至有时是处 在难以接近的环境中。 本文介绍了 CC2530 芯片的基本特性，论述了以 CC2530 芯片为核心的无线通信模块 的硬件设计和调试软件设计，在介绍设计规范和模块结构的基础上，采用 TI 公司的 CC2530 芯片作为主控制芯片设计出具有无线收发和任务处理功能的 Zigbee 网络节点， 完全支持最新的 Zigbee2007/Pro 协议栈的通信模块、支持运行星型、簇状树、网状网络 系统，支持硬件调试等功能。时间证明，模块具有良好的接受灵敏度和抗干扰能力，运 行可靠，且具有低功耗的特点。 关键词：传感器网络 Zigbee 网络节点 CC2530 硬件设计
    CC2530 Wireless Module Design Li Kaifeng （College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China） Abstract: Since the mankind enters the 21st century, the rapid development of relevant disciplines such as microelectronic mechanical system, computer, communication, automatic control and artificial intelligence engenders a new kind of monitoring and control networks—wireless sensor networks (commonly abbreviated to WSN). Wireless sensor networks is an autonomous monitoring network system composed of a large number of small ubiquitous sensor node switch are randomly deployed in unattended surveillance areas and are capable of automatically completing the tasks assigned according to the environmental conditions. Wireless sensor networks is one of enormous influence technology to the 21st century, which has wide application in each domain, So wireless sensor networks is attempted to apply to the mechanical and electrical monitoring system. Wireless sensor networks consist of large number of sensor nodes which have the capability of computing, sensing and communicating. Most sensor nodes are low-cost and resources constrained compared to other embedded systems, so it can be deployed in a large scale. Energy efficiency is one of the most challenging issues since most of the sensor nodes are battery powered. Usually a large number of sensor nodes are spread over a large field which is usually unreachable. This paper based on the basic characteristics and elements of CC2530, the hardware design of wireless communication modules and the software design for debugging. After describing the design specification and module structure, This paper presents the design of Zigbee network node based on CC2530 chip as microprocessor with wireless transceiver and the task processing functions. It is truly supports the latest communications protocol stack module Zigbee2007/Pro completely. With excellent receiver sensitivity and anti-interfere capability, the node supports the running of star, cluster tree or mesh network systems, but also supports for hardware debugging functions. Practice confirmed that the communication module is reliable and has low power consumption feature. Key words：Wireless Sensor Networks Zigbee Nodes CC2530 Hardware Design
    目 录 1 前言........................................................................................................................................1 1.1 研究背景.............................................................................................................................1 1.1.1 无线传感器网络..............................................................................................................1 1.1.2 Zigbee 技术......................................................................................................................2 1.2 研究现状.............................................................................................................................3 1.2.1 国内研究现状..................................................................................................................3 1.2.2 国外研究现状..................................................................................................................4 1.3 研究目的及意义.................................................................................................................4 2 总体方案确定........................................................................................................................5 2.1 设计要求.............................................................................................................................5 2.1.1 方案一..............................................................................................................................6 2.1.2 方案二..............................................................................................................................6 2.2 方案的比较和确定.............................................................................................................7 3 硬件设计................................................................................................................................8 3.1 CC2530 介绍.......................................................................................................................8 3.2 射频电路设计原则...........................................................................................................10 3.3 CC2530 无线模块硬件设计.............................................................................................11 3.3.1 无线模块框图................................................................................................................11 3.3.2 输入/输出匹配...............................................................................................................11 3.3.3 晶振................................................................................................................................12 3.3.4 状态指示灯及复位电路................................................................................................13 3.3.5 电源去耦和滤波............................................................................................................13 3.3.6 片上 1.8-V 稳压器去耦................................................................................................14 4 射频电路 PCB 设计............................................................................................................ 14 4.1 PCB 设计流程.................................................................................................................. 14 4.2 射频电路 PCB 布局原则................................................................................................. 15 4.3 射频电路 PCB 布线原则................................................................................................. 15 4.4 CC2530 射频模块 PCB 图...............................................................................................16 I
    5 测试程序设计......................................................................................................................18 5.1 程序设计思想...................................................................................................................18 5.2 程序流程图.......................................................................................................................18 6 测试与实验分析..................................................................................................................20 6.1 基于 DREAMRF-CC2530 网络平台测试.......................................................................20 6.1.1 网络参数设定................................................................................................................20 6.1.2 Zigbee 组网测试............................................................................................................21 6.1.3 传感器节点数据收发测试............................................................................................23 6.2 基于无线网络数据分析仪、频谱仪和示波器的测试...................................................25 6.2.1 无线模块发射功率测试................................................................................................25 6.2.2 无线模块 RSSI 值测试................................................................................................. 26 6.2.3 无线模块的功耗测试....................................................................................................30 6.2.4 无线模块通信距离测试................................................................................................32 6.3 电路调试...........................................................................................................................33 6.4 测试结果与分析...............................................................................................................34 7 结论......................................................................................................................................35 7.1 总结与讨论.......................................................................................................................35 7.2 改进与完善思路...............................................................................................................35 参 考 文 献........................................................................................................................36 录............................................................................................................................37 谢............................................................................................错误！未定义书签。 附 致 毕业设计成绩评定表 II
    1 前言 1.1 研究背景 1.1.1 无线传感器网络 随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟， 传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化和网络化的方向发展， 无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)因此应运而生。无线传感器网络就是由 部署在监测区域中大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳 的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集、和处理网络覆盖区域中感知对象的信 息，并发送给观察者。无线传感器网络的体系结构如图 1 所示： 图 1 无线传感器网路体系结构 无线传感器网络通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）、和管理 节点大量的传感器节点随机部署在检测区域内部或附近能够通过自组织方式构成网络。 传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可 能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点。最后，还能通过互联网或卫星到达管 理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测 数据。 无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预测、健 1
    康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间 和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着无线传感器网络的深入 研究和广泛应用，它将逐渐深入到人类生活的各个领域。 1.1.2 Zigbee 技术 Zigbee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技 术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典 型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。Zigbee 网络拓扑结构如 图 2 所示。 图 2 Zigbee 网络拓扑结构 简单的说，Zigbee 是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于 CDMA 和 GSM 网络。 Zigbee 数据传输模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的 75m 到几百米、几公里， 并且支持无限扩展。 Zigbee 是一个由可多到 65000 个无线数据传输模块组成的一个无线 数传网络平台，在整个网络范围内，每一个 Zigbee 网络数据传输模块之间可以相互通信， 每个网络节点间的距离可以从标准的 75m 无限扩展。Zigbee 是一种无线连接，可工作在 2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和 915 MHz(美国流行)3 个频段上,分别具有最高 250kbit/s、20kbit/s 和 40kbit/s 的传输速率，它的传输距离在 10-75m 的范围内,但可以继 2
    续增加。作为一种无线通信技术，Zigbee 具有如下特点： （1）低功耗。由于 Zigbee 的传输速率低,发射功率仅为 1mW,而且采用了休眠模式， 功耗低，因此 Zigbee 设备非常省电。据估算，Zigbee 设备仅靠两节 5 号电池就可以维持 长达 6 个月到 2 年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。 （2）低成本。 Zigbee 模块的初始成本在 6 美元左右，估计很快就能降到 1.5—2.5 美元, 并且 Zigbee 协议是免专利费的。低成本对于 Zigbee 也是一个关键的因素。 （3）短时延。 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延 30ms，休眠激活的时延是 15ms, 活动设备信道接入的时延为 15ms。因此 Zigbee 技术适 用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。 （4）网络容量大。 一个星型结构的 Zigbee 网络最多可以容纳 254 个从设备和一个 主设备， 一个区域内可以同时存在最多 100 个 Zigbee 网络, 而且网络组成灵活。 （5）可靠。 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时 隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送 的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 （6）安全。 Zigbee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持 鉴权和认证， 采用了 AES-128 的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。 1.2 研究现状 1.2.1 国内研究现状 我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999 年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中。 国内的一些科研单位和大学，如中国科学院自动化所、软件所及清华大学、哈尔滨工业 大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。重庆 大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无线传感器中的 定位等技术。2004年，中国国家自然科学基金委员会将一项无线传感器网络项目(面上传 感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论)列为重点研究项目；2005年，将无线 传感器网络基础理论和关键技术列入计划；2006年，将水下移动传感器网络的关键技术 列为重点研究项目。国家发改委下一代互联网(CNGI)示范工程中，也部署了无线传感器 网络相关的课题。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术 定义了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自 组织网络技术。 3
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