無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）以其低復雜度、低成本、低功耗、網絡節點多等優點，在實際生活中的應用越來越廣泛，尤其是一些片上系統（SoC）的出現，大大降低了無線傳感器網絡的開發難度。在應用這些片上系統進行無線傳感器網絡開發時，由于片上系統本身的無線通信部分的發射功率都很小（如CC2531的發射功率只有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絡的通信距離，常見的傳輸距離為幾百米不等。而在一些特定的應用環境中，要求網絡節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的無線傳感器網絡節點設計，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（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2531集成了2．4 G．Hz的RF收發器、增強工業標準的8051 MCU、在系統可編程的256 KB Flash、8 KB RAM和許多其他強大的功能；發射功率為4．5 dBm（可調），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的內部集成功率放大器（PA）的增益為22 dB，最大發射功率為+22 dBm（輸入+5 dBm），輸出1 dB壓縮點+19 dBm，接收部分內部集成的LNA分高低接收增益分別為11 dBm、1 dBm，噪聲系數為4．8 dB，接收靈敏度改善6 dB。

　　2 總體設計

　　根據設計要求，系統硬件結構框圖如圖1所示。核心芯片CC2531結合其外圍電路（如晶振、A／D基準電壓、存儲器、傳感器及調試接口等），加上必需的電源模塊以及射頻前端芯片CC2591，構成了本方案的硬件系統。在應用于不同的領域時，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整。CC2531和CC2591部分的硬件設計則較為固定。

　　圖1 系統硬件結構框圖

　 ? ??3 性能參數預算

　　3．1 發射功率預算

　　根據CC2531和CC2591的數據手冊可知：CC2531RF端口的發射功率最大為+4．5 dBm，修改TXPOWER寄存器的值可調節其發射功率，范圍為-22～+4．5dBm。連接CC2591后，CC2591發射模式下PA增益最大為22 dB，則對應的發射功率范圍為+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）和系統功耗等因素，設定其TX-POWER=0xD5，即CC2531的輸出功率為1 dBm，CC2591的發射功率為19 dBm是較理想的大功率輸出參考設定（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，其外部天線連同內部T／R選擇器到內部LNA的噪聲系數NF為4．8 dB，后端CC2531內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），單信道發射接收帶寬BW可設為1 MHz或5 MHz。根據公式，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）。

　　代入參數可得：接收帶寬5 MHz時，接收靈敏度S=-99．2 dBm。

　　3．3 通信距離估算

　　在現實環境中，任意兩點之間通信，環境給傳輸波帶來的損耗一般無法定量估算，而且根據環境變化千差萬別。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（需要根據實際購買天線參數而定）。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。

　　圖2 CC2531和CC2591的連接電路圖

　　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絡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協議棧內部接口和寄存器。

　　5 PCB電路實現

　　相比于原理圖的設計，在實際設計和生產PCB電路板時將遇到更多、更實際的問題。根據圖2給出的原理圖，設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，導致設計和生產的失敗。因此，所有的RF信號線盡量設計成直線式。

　　圖3 芯片間的射頻差分走線

　　圖4 CC2591連接天線的射頻走線

　　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，實際生產中要進行阻抗控制。最后是表面鋪銅地的設計，要保證射頻信號的良好接地。

　　PCB設計完成實際投產過程中，由于介電常數和介質高度等參數不能理想地按照預想設定，不可避免地會存在偏差，所以要時刻注意其參數變化，及時調整。

　　設定單信道發送，CC2531內部TXPOWER=0xD5（典型發射功率+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，此結果比預定的輸出功率偏大，但是可以接受。結果證明，該系統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。對應的接收鏈路，也可預測出其反射和損耗是可以接受的。

　　

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