引言
隨著社會的需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)以其低復雜度、低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點多等優(yōu)點，在實際生活中的應用越來越廣泛。尤其是一些片上系統(tǒng)(SoC)的出現(xiàn)，大大降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)難度。在應用這些片上系統(tǒng)進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)時，由于片上系統(tǒng)本身的無線通信部分的發(fā)射功率都很小(如CC2531的發(fā)射功率只有4．5 dBm)，加上其接收靈敏度也固定在一定水平，這樣就限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信距離，常見的傳輸距離為幾百米不等。而在一些特定的應用環(huán)境中，要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的安放距離達到一公里以上甚至更遠。
本文介紹一種基于核心芯片CC2531的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計，應用TI公司的2．4 GHz的射頻前端芯片CC2591來提高無線通信部分的發(fā)射功率，進一步改善其接收靈敏度，從而延長通信距離。
1 核心芯片介紹
1．1 CC2531
CC2531是TI公司推出的具有USB功能的用于IEEE 802．15．4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2531集成了2．4 G．Hz的RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051 MCU、在系統(tǒng)可編程的256 KB Flash、8 KB RAM和許多其他強大的功能；發(fā)射功率為4．5 dBm(可調(diào))，接收機的接收靈敏度為-97 dBm。
1．2 CC2591
CC2591是TI公司推出的工作在2．4 GHz，面向低功耗與低電壓無線應用，集成度很高的射頻前端芯片。CC2591的內(nèi)部集成功率放大器(PA)的增益為22 dB，最大發(fā)射功率為+22 dBm(輸入+5 dBm)，輸出1 dB壓縮點+19 dBm，接收部分內(nèi)部集成的LNA分高低接收增益分別為11 dBm、1 dBm，噪聲系數(shù)為4．8 dB，接收靈敏度改善6 dB。
2 總體設(shè)計
根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。核心芯片CC2531結(jié)合其外圍電路(如晶振、A／D基準電壓、存儲器、傳感器及調(diào)試接口等)，加上必需的電源模塊以及射頻前端芯片CC2591，構(gòu)成了本方案的硬件系統(tǒng)。在應用于不同的領(lǐng)域時，對應的傳感器、電源、A／D基準電壓、存儲器等均可進行相應的調(diào)整。CC2531和CC2591部分的硬件設(shè)計則較為固定。
3 性能參數(shù)預算
3．1 發(fā)射功率預算
根據(jù)CC2531和CC2591的數(shù)據(jù)手冊可知：CC2531RF端口的發(fā)射功率最大為+4．5 dBm，修改TXPOWER寄存器的值可調(diào)節(jié)其發(fā)射功率，范圍為-22～+4．5dBm。連接CC2591后，CC2591發(fā)射模式下PA增益最大為22 dB，則對應的發(fā)射功率范圍為+22～10 dBm(最大值由PA本身決定，最小值可以更小)。綜合考慮其PA的1 dBm壓縮點(19 dBm)和系統(tǒng)功耗等因素，設(shè)定其TX-POWER=0xD5，即CC2531的輸出功率為1 dBm，CC2591
的發(fā)射功率為19 dBm是較理想的大功率輸出參考設(shè)定(僅供參考，實際中可能會有變化)。
3．2 接收靈敏度估算
CC2591處于接收高增益模式時，HGM=1，其外部天線連同內(nèi)部T／R選擇器到內(nèi)部LNA的噪聲系數(shù)NF為4．8 dB，后端CC2531內(nèi)部可解析的信號的信噪比SNR為3 dB(保證誤碼率在一定水平)，單信道發(fā)射接收帶寬BW可設(shè)為1 MHz或5 MHz。根據(jù)公式，當正常室溫T0=290 K時，1 Hz帶寬的噪聲功率為N0=-174 dBm，接收靈敏度S=-174 dBm+NF+SNR+10log(BW)。
代入?yún)?shù)可得：接收帶寬5 MHz時，接收靈敏度S=-99．2 dBm。
3．3 通信距離估算
在現(xiàn)實環(huán)境中，任意兩點之間通信，環(huán)境給傳輸波帶來的損耗一般無法定量估算，而且根據(jù)環(huán)境變化千差萬別。在不考慮外界影響和傳輸損耗，電磁波在理想情況下傳播的條件下，無線通信傳輸距離的計算公式如下：
Loss=32．44+20lgd+201gFreq
天線增益暫不考慮(需要根據(jù)實際購買天線參數(shù)而定)。鏈路損耗預算Loss為118．2 dBm(不計非理想損耗)，頻率Freq以CC2531的RF中心頻率2450 MHz計算，可得無線通信傳輸距離d=7．93 km。實際應用中達不到這個距離，此值僅供參考。
4 無線通信模塊原理
在整體框圖中提到的CC2531的主要外圍電路這里不再介紹，CC2531和CC2591的連接電路如圖2所示。其中包括芯片間RF差分信號線的匹配鏈路、RF信號到天線的匹配電路、CC2591控制信號線，以及電源的退耦濾波部分。
其中，供電線的退耦濾波部分，B1為磁珠，選擇時應注意其有效濾波的頻率范圍；同時，其他元器件也要選擇應用于高頻的電容、電感等。RF信號到天線的匹配電路部分，天線的連接端口使用SMA接口(母頭)，用于電路測量時可以使頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接入更方便，同樣可以接帶對應SMA接頭的天線。對于CC2591的3個使能控制，分配如下：P0．1→HGM_EN，P1．1→PA_EN，P1．4→LNA_EN。其中，控制HGM_ EN的P0．1可以由任意的GPIO代替，另外兩個則不能變動。它們要分別映射到系統(tǒng)協(xié)議棧內(nèi)部接口和寄存器。
5 PCB電路實現(xiàn)
相比于原理圖的設(shè)計，在實際設(shè)計和生產(chǎn)PCB電路板時將遇到更多、更實際的問題。根據(jù)圖2給出的原理圖，設(shè)計出射頻信號線部分的布線。圖3展示的為芯片間的射頻差分走線，圖4展示的為CC2591連接天線的射頻走線。 圖3和圖4主要展示了射頻走線部分的布線設(shè)計，采用射頻中最常見的孤島式布線。因其工作頻率在2．4GHz，且最大功率達到20 dBm的水平，在原理圖中看不到很多反射，但是在PCB中可能由于布線的不合理造成部分地方的較大反射、能量的堆積，導致設(shè)計和生產(chǎn)的失敗。因此，所有的RF信號線盡量設(shè)計成直線式。
天線連接部分選用SMA接頭。圖4中，連接元件B8和SMA接頭的部分為50 Ω微帶線，實際生產(chǎn)中要進行阻抗控制。最后是表面鋪銅地的設(shè)計，要保證射頻信號的良好接地。
PCB設(shè)計完成實際投產(chǎn)過程中，由于介電常數(shù)和介質(zhì)高度等參數(shù)不能理想地按照預想設(shè)定，不可避免地會存在偏差，所以要時刻注意其參數(shù)變化，及時調(diào)整。
設(shè)定單信道發(fā)送，CC2531內(nèi)部TXPOWER=0xD5(典型發(fā)射功率+1 dBm)，測量出中心頻點在2．401 GHz時，功率為+19．21 dBm。雖然受其他因素影響，此結(jié)果比預定的輸出功率偏大，但是可以接受。結(jié)果證明，該系統(tǒng)中射頻鏈路部分的傳輸較為理想，在實際電路中的反射和損耗控制在工程可接受范圍之內(nèi)。對應的接收鏈路，也可預測出其反射和損耗是可以接受的。
結(jié)語
根據(jù)實際要求，設(shè)計和生產(chǎn)了以增大發(fā)射功率來延長傳輸距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。由測量得到的數(shù)據(jù)可知，加入功率放發(fā)單元確實大大地提升了節(jié)點的發(fā)射功率。由于受設(shè)備和測量條件的限制，對一些其他參數(shù)的測量并未進行，這是日后要完善的地方，對于電路的改進也是日后工作的重點之一。