Zigbee开发技术及实践第3章--Zigbee硬件设计课件.ppt
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1、1 1第3章 Zigbee硬件设计3.1 概述概述3.2 设计规则及注意事项设计规则及注意事项3.3 硬件总体设计硬件总体设计3.4 低功耗设计低功耗设计2 2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 34 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: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。3.1 概述概述5 56 6作为硬件系统的设计者,启动一个硬件开发项目,要综合考虑各个方面,比如性价比、市场的需要、整个系
2、统架构的需求等,以便提出合适的硬件解决方案。下面以基于CC2530 Zigbee节点硬件设计的原理图和PCB的绘制为例,来讲解硬件设计规则及注意事项。3.2 设计规则及注意事项设计规则及注意事项7 73.2.1 原理图设计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。原理图设计的基本要求:规范、清晰、准确、易读。原理图设计的一般过程包括以下几个方面。1.确定需求详细理解设计需求,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
3、及组网、LED灯的显示、按键、供电模块等。了解基本需求后需要进行硬件的选型。8 82.确定核心CPU根据功能和性能需求制定总体设计方案,对CPU进行选型。CPU选型有以下几点要求:性价比高。容易开发,体现在硬件调试工具种类多,参考设计多,硬件资源丰富,成功案例多。9 910 103.参考成功案例针对已经选定的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,在设计过程中仔细阅读芯片手册,可以
4、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。11 11图3-1所示为CC2530芯片手册给出的设计参考方案,其中注明CC2530芯片反面接地,建议用封装为0402的外围电容电阻等元器件,并且制作的PCB厚度最好为1mm。12 1213 134.对外围器件的选型根据需求对外设功能模块进行元器件选型,元器件选型应该遵守以下原则。普遍性原则:所选的元器件要被广泛使用验证过,尽量少用冷、偏芯片,减少风险。性价比高原则: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。采购方便原则:尽量选择容易买到、供货周期短的元器件。14 1415 155.设计基本原则硬件
5、原理图的设计应该遵守以下基本原则:数字电源和模拟电源分割。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,而有些地方很松散。可调元器件(如电位器)、切换开关等对应的功能需弄清楚。16 16重要的控制或信号线需标明流向及用文字标明功能。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。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
6、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的开发调试,要求较高。17 1718 18注意事项包括以下几点。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。通常信号线宽为0.20.3mm,最精细宽度可达0.050.07mm,电源线为1.22.5mm。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PCB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。19 192.数字电路与模拟电路的
7、共地处理当前PCB不再是单一功能电路(数字或模拟电路),而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰的问题,特别是地线上的噪音干扰,数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强。对信号线:高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。2020对地线:PCB对外界只有一个连接点,所以必须在PCB内部处理数、模共地的问题;而在板内部数字地和模拟地实际上是分开、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。21 213.信号线布在电(地)层上在多层PCB上布线时,由于在信号线层没有布完的线剩下的已经不多,再多加层数就会造成浪费,也会给生产增加一定
8、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)。2222为了便于设备维护以及扩展使用,将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,其上有CC2530芯片。3.3 硬件总体设计硬件总体设计232324243.3.1 CC2530核心板设计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)。CC2530核心板原理图的设计主要是参
9、照TI公司给出的CC2530使用手册中的方案来设计的,其参考方案如图3-1所示。2525自行设计时的注意事项如下:CC2530引脚10、21、24、27、28、29、31和39需要接2.63.6V电源,引脚1、2、3和4接地。另外根据需求添加了一些去耦电容、电源指示灯以及复位电路。引脚30需要连接提供基准电流的56k外部精密偏置电阻器。引脚40为1.8V数字供电退耦,不需要外接电路,只需要接1F的退耦电容。2626射频部分完全参照TI给出的参考方案,引脚22和引脚23接32MHz晶振,引脚32和33接32.768kHz时钟晶振。最终的设计原理图如图3-2所示,原理图中的ZIGBEE-Board
10、为CC2530核心板的插座板,它将由I/O口引出以便供路由器底板和协调器底板扩展使用,其中P0.6需要接10 k的上拉电阻。27272828图3-3 CC2530核心板实物图29293.3.2 协调器节点设计协调器底板与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。同时还提供外部扩展接口,可以根据需求连接相应的电路,其参考原理图如图3-4所示。303031 311.电源模块协调器底板采用外部5V电源供电,通过电源适配
11、器与电源接口相连,由协调器底板上的电源转换模块转换为3.3V电压为整个电路板供电。另外还提供5V备用电源接口。电源部分原理图如图3-5所示。3232图3-5 电源部分设计3333其中: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,由电压转换电路将其转换为3.3V电压为整个电路板供电。电压转换电路采用AMS1117 3.3V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。3434图3-6 JTAG电路35352.JTAG接口JTAG接口是连接仿真器下载调试程序的接口,其原理图如图3-6所示。由于
12、CC2530的P2.1和P2.2为CC2530的调试接口,所以上述原理图中,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)。其中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。36363.按键协调器底板有6个按键,分别为4个AD按键和2个I/O按键,可根据应用需要由软件设置以实现不同的功能,如图3-7所示。3737图3-7 按键电路图3838其中,AD按键接CC2530的P0.6,通过软件设置它们的电压来区分按键,另外两个I/O按键分别接CC2530的P0.4和P0.5。4.LED
13、灯协调器底板上有四个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和外部扩展存储模块共用引脚,如图3-8所示。3939图3-8 LED电路图40405.LCD液晶显示屏采用FYD12864单色屏,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,如图3-9所示。41 41图3-9 LCD原理图4242在上述原理图中:FYD12864采用5V供电。通过跳线JP22(LCD EN)选择与CC2530引脚相连。CS为LCD模块片选端,接CC2530的P1.6引脚;SID为串行数据输入端,接CC2530的P1.5引脚
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