傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。針對傳感器節(jié)點低功耗、低成本、體積小等硬件限制，設(shè)計了一種基于射頻芯片CC2420和單片機MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點。

硬件節(jié)點設(shè)計

在設(shè)計無線傳感器節(jié)點時，需要考慮以下特點:小型化，傳感器節(jié)點在應(yīng)用中的高集成度，保證目標(biāo)系統(tǒng)的特性不會受到影響，由于外部尺寸的限制，模塊必須能夠集成更多的元件；低功耗，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常部署在無人值守的地方，節(jié)點由電池供電，不能頻繁更換電池。因此，如何節(jié)約電能是應(yīng)用的首要問題；運行速度，網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點的實時性要求高，對處理器的實時處理能力要求強；接口，多功能傳感器產(chǎn)品是發(fā)展趨勢，但在早期設(shè)計中，不可能囊括所有功能，這就要求系統(tǒng)具有很強的可擴展性；可靠性，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣的區(qū)域，維護難度很大，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有很高的健壯性和容錯性；盡可能低的成本。

基于以上考慮，本文設(shè)計的傳感器節(jié)點框圖如圖1所示。

該傳感器由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源模塊組成。該方案采用以MSP430為核心的控制模塊。MSP430具有出色的低功耗性能和在惡劣條件下穩(wěn)定的工作性能。MSP430采用CC2420作為無線收發(fā)模塊，通過SPI與CC2420通信，MSP430采用主機模式，CC2420采用從機模式。節(jié)點的傳感器模塊與主板分離，模塊化設(shè)計提高了節(jié)點在不同應(yīng)用中的靈活性。因為這個節(jié)點是給電池供電的，所以要求傳感器體積小，功耗低，外圍電路簡單，所以最好使用數(shù)字傳感器，不需要復(fù)雜的信號調(diào)理電路。

主要芯片介紹

CC2420

CC2420是一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的無線收發(fā)器芯片。該芯片體積小、功耗低，非常適合家庭和樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。

CC2420有一個完全集成的壓控振蕩器，只需要天線和16MHz晶振等少數(shù)外圍電路就可以工作在2.4GHz頻段。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接，通過該接口可以完成設(shè)置和數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。許多單片機都集成了SPI控制器，如MSP430，可以方便地與CC2420配合使用。簡單的外圍電路和處理器接口使CC2420適用于非常便宜的設(shè)備。

MSP430

CC2420和MSP430

硬件接口電路

CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、FIFO、Fiop和CCA四個引腳來指示發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。

接收到物理幀的SFD字段后，CC2420將在SFD引腳輸出高電平，直到接收到該幀。如果啟動地址識別，地址識別失敗后，SFD引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFO引腳指示接收FIFO的緩沖狀態(tài)。如果接收FIFO緩沖器中有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩沖器為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平。當(dāng)接收FIFO緩沖器中Fiop引腳的數(shù)據(jù)超過某個臨界值時，或者CC2420接收到一個完整的幀后，輸出高電平。臨界值可以通過CC2420的寄存器設(shè)置。

當(dāng)通道中有信號時，CCA引腳輸出高電平，該信號僅在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進入接收狀態(tài)至少8個符號周期后，CCA引腳才會輸出有效的信道狀態(tài)信息。

SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420的內(nèi)部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從器件，它接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，SPI接口與時鐘的下降沿對齊。CC2420和MSP430通過SPI連接，其中MSP430處于主機模式，CC2420處于從機模式。MSP430還有4個I/o連接到CC2420，主要起到查詢CC2420狀態(tài)的作用。CC2420與MSP430之間的接口電路如圖2所示。

節(jié)點設(shè)計的要點和注意事項

設(shè)計節(jié)點時，重點是射頻部分。CC2420要求時鐘源的精度在40ppm以內(nèi)。本文采用高精度、性能穩(wěn)定的四引腳片式晶振來避免晶振的漂移。

在設(shè)計電路板時，應(yīng)采取抗干擾措施:射頻電路不用于布線的區(qū)域應(yīng)填銅并接地，以提供射頻屏蔽，達到有效抗干擾的目的；CC2420芯片底部要接地；為了減少延遲、串?dāng)_，保證高頻信號的傳輸，CC 2420芯片底部與接地層之間要使用多個接地過孔連接。器件應(yīng)緊密分布在CC2420周圍，應(yīng)使用更小的封裝。

另一個考慮因素是天線。天線在無線通信中起著重要的作用，天線的選擇和設(shè)置將直接影響整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量。這個節(jié)點射頻芯片CC2420可以使用兩種設(shè)計方案:金屬倒F PCB引線天線和單極天線。PCB引線天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過它可以感應(yīng)空無線電波，接收信息。PCB天線的形狀和尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊進行設(shè)計。

軟件設(shè)計

軟件開發(fā)基于IAR Workbench V2.10，用C語言編寫。軟件編程的基本思路是:首先初始化SPI和CC2420控制端口；啟用SPI和UART端口，啟用ADC，初始化CC2420芯片；打開接收器后，您可以運行任務(wù)程序來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

編輯:gt

中承科技為客戶提供世界領(lǐng)先的無線射頻測試、無線綜合測試儀、通信測試儀表、無線通信測量、WiFi6e測試儀、藍牙綜測儀等解決，幫助客戶提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提升綜合競爭力。