基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计

引言
    随着社会的需求，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)以其低复杂度、低成本、低功耗、网络节点多等优点，在实际生活中的应用越来越广泛。尤其是一些片上系统(SoC)的出现，大大降低了无线传感器网络的开发难度。在应用这些片上系统进行无线传感器网络开发时，由于片上系统本身的无线通信部分的发射功率都很小(如CC2531的发射功率只有4．5 dBm)，加上其接收灵敏度也固定在一定水平，这样就限制了无线传感器网络的通信距离，常见的传输距离为几百米不等。而在一些特定的应用环境中，要求网络节点间的安放距离达到一公里以上甚至更远。
    本文介绍一种基于核心芯片CC2531的无线传感器网络节点设计，应用TI公司的2．4 GHz的射频前端芯片CC2591来提高无线通信部分的发射功率，进一步改善其接收灵敏度，从而延长通信距离。

1 核心芯片介绍
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应用的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2531集成了2．4 G．Hz的RF收发器、增强工业标准的8051 MCU、在系统可编程的256 KB Flash、8 KB RAM和许多其他强大的功能；发射功率为4．5 dBm(可调)，接收机的接收灵敏度为-97 dBm。
1．2 CC2591
    CC2591是TI公司推出的工作在2．4 GHz，面向低功耗与低电压无线应用，集成度很高的射频前端芯片。CC2591的内部集成功率放大器(PA)的增益为22 dB，最大发射功率为+22 dBm(输入+5 dBm)，输出1 dB压缩点+19 dBm，接收部分内部集成的LNA分高低接收增益分别为11 dBm、1 dBm，噪声系数为4．8 dB，接收灵敏度改善6 dB。

2 总体设计
    根据设计要求，系统硬件结构框图如图1所示。核心芯片CC2531结合其外围电路(如晶振、A／D基准电压、存储器、传感器及调试接口等)，加上必需的电源模块以及射频前端芯片CC2591，构成了本方案的硬件系统。在应用于不同的领域时，对应的传感器、电源、A／D基准电压、存储器等均可进行相应的调整。CC2531和CC2591部分的硬件设计则较为固定。

3 性能参数预算
3．1 发射功率预算
    根据CC2531和CC2591的数据手册可知：CC2531RF端口的发射功率最大为+4．5 dBm，修改TXPOWER寄存器的值可调节其发射功率，范围为-22～+4．5dBm。连接CC2591后，CC2591发射模式下PA增益最大为22 dB，则对应的发射功率范围为+22～10 dBm(最大值由PA本身决定，最小值可以更小)。综合考虑其PA的1 dBm压缩点(19 dBm)和系统功耗等因素，设定其TX-POWER=0xD5，即CC2531的输出功率为1 dBm，CC2591
的发射功率为19 dBm是较理想的大功率输出参考设定(仅供参考，实际中可能会有变化)。
3．2 接收灵敏度估算
    CC2591处于接收高增益模式时，HGM=1，其外部天线连同内部T／R选择器到内部LNA的噪声系数NF为4．8 dB，后端CC2531内部可解析的信号的信噪比SNR为3 dB(保证误码率在一定水平)，单信道发射接收带宽BW可设为1 MHz或5 MHz。根据公式，当正常室温T0=290 K时，1 Hz带宽的噪声功率为N0=-174 dBm，接收灵敏度S=-174 dBm+NF+SNR+10log(BW)。
    代入参数可得：接收带宽5 MHz时，接收灵敏度S=-99．2 dBm。
3．3 通信距离估算
    在现实环境中，任意两点之间通信，环境给传输波带来的损耗一般无法定量估算，而且根据环境变化千差万别。在不考虑外界影响和传输损耗，电磁波在理想情况下传播的条件下，无线通信传输距离的计算公式如下：
    Loss=32．44+20lgd+201gFreq
    天线增益暂不考虑(需要根据实际购买天线参数而定)。链路损耗预算Loss为118．2 dBm(不计非理想损耗)，频率Freq以CC2531的RF中心频率2450 MHz计算，可得无线通信传输距离d=7．93 km。实际应用中达不到这个距离，此值仅供参考。

4 无线通信模块原理
    在整体框图中提到的CC2531的主要外围电路这里不再介绍，CC2531和CC2591的连接电路如图2所示。其中包括芯片间RF差分信号线的匹配链路、RF信号到天线的匹配电路、CC2591控制信号线，以及电源的退耦滤波部分。
    其中，供电线的退耦滤波部分，B1为磁珠，选择时应注意其有效滤波的频率范围；同时，其他元器件也要选择应用于高频的电容、电感等。RF信号到天线的匹配电路部分，天线的连接端口使用SMA接口(母头)，用于电路测量时可以使频谱仪和矢量网络分析仪的接入更方便，同样可以接带对应SMA接头的天线。对于CC2591的3个使能控制，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，另外两个则不能变动。它们要分别映射到系统协议栈内部接口和寄存器。

5 PCB电路实现
    相比于原理图的设计，在实际设计和生产PCB电路板时将遇到更多、更实际的问题。根据图2给出的原理图，设计出射频信号线部分的布线。图3展示的为芯片间的射频差分走线，图4展示的为CC2591连接天线的射频走线。    图3和图4主要展示了射频走线部分的布线设计，采用射频中最常见的孤岛式布线。因其工作频率在2．4GHz，且最大功率达到20 dBm的水平，在原理图中看不到很多反射，但是在PCB中可能由于布线的不合理造成部分地方的较大反射、能量的堆积，导致设计和生产的失败。因此，所有的RF信号线尽量设计成直线式。

    天线连接部分选用SMA接头。图4中，连接元件B8和SMA接头的部分为50 Ω微带线，实际生产中要进行阻抗控制。最后是表面铺铜地的设计，要保证射频信号的良好接地。
    PCB设计完成实际投产过程中，由于介电常数和介质高度等参数不能理想地按照预想设定，不可避免地会存在偏差，所以要时刻注意其参数变化，及时调整。
    设定单信道发送，CC2531内部TXPOWER=0xD5(典型发射功率+1 dBm)，测量出中心频点在2．401 GHz时，功率为+19．21 dBm。虽然受其他因素影响，此结果比预定的输出功率偏大，但是可以接受。结果证明，该系统中射频链路部分的传输较为理想，在实际电路中的反射和损耗控制在工程可接受范围之内。对应的接收链路，也可预测出其反射和损耗是可以接受的。

结语
    根据实际要求，设计和生产了以增大发射功率来延长传输距离的无线传感器网络节点。由测量得到的数据可知，加入功率放发单元确实大大地提升了节点的发射功率。由于受设备和测量条件的限制，对一些其他参数的测量并未进行，这是日后要完善的地方，对于电路的改进也是日后工作的重点之一。