第3章-Zigbee硬件设计资料

-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概述设计规则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总体设计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低功耗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。-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CPU3.2.1原理图设计根据功能和性能需求制定总体设计方案，对CPU进行选型需要注意以下几点性价比高容易开发可扩展性好-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原理图设计普遍性原则所选的元器件要被广泛使用验证的，尽量少用冷偏芯片，减少风险性价比高在功能、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，减少成本采购方便尽量选择容易买到，供货周期短的元器件持续发展尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件可替代尽量选择引脚到引脚兼容种类比较多的元器件向上兼容尽量选择以前老产品用过的元器件资源节约尽量用上元器件的全部功能和管脚-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1电源、地线的处理2数字电路与模拟电路共地的处理3信号线和电源层或接地层同层-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-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RS4853.3.2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RS4853.3.2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0~3.3V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