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1、第第3 3章章Zigbee硬件设计硬件设计1本章目标本章目标理解硬件设计规则及注意事项理解硬件设计规则及注意事项掌握掌握CC2530核心板、路由器底板和协调器底板的设计核心板、路由器底板和协调器底板的设计了解低功耗设计了解低功耗设计2本章目标本章目标理解硬件设计规则及注意事项理解硬件设计规则及注意事项掌握掌握CC2530核心板、路由器底板和协调器底板的设计核心板、路由器底板和协调器底板的设计了解低功耗设计了解低功耗设计3本章将详细讲解本章将详细讲解Zigbee的硬件设计，主要内容包括硬件设计规的硬件设计，主要内容包括硬件设计规则及注意事项、则及注意事项、Zigbee节点硬件总体设计、节点硬件总
2、体设计、Zigbee节点低功节点低功耗设计，其中耗设计，其中:3.1 概述概述设计规则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 总体设计硬件总体设计分别介绍硬件总体设计分别介绍Zigbee核心板、核心板、Zigbee协调器底板和路由器底板协调器底板和路由器底板低功耗主要讲解在低功耗设计过程中所要考虑的问题以及需要注意的事项。主要讲解在低功耗设计过程中所要考虑的问题以及需要注意的事项。4启动一个硬件开发项目，作为硬件系统的设计者，要综合考虑启动一个硬件开发项目，作为硬件系统的设计者，要综合考虑各个方面
3、各个方面 3.2 设计规则及注意事项设计规则及注意事项系统架构需求性价比市场需求5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计PCB具有指导性意义，是做好一款产品的基础。原理图设计基本要具有指导性意义，是做好一款产品的基础。原理图设计基本要求：规范、清晰、准确、易读。求：规范、清晰、准确、易读。3.2.1 原理图设计原理图设计确定需求确定需求 确定核心确定核心CPU 参考成功参考成功案例案例外围器件外围器件的选型的选型 设计基本设计基本原则原则 原理图设计的一般过程包括以下几个方面：原理图设计的一般过程包括以下几个
4、方面：6确定需求确定需求3.2.1 原理图设计原理图设计详细理解设计需求，从需求中整理出电路详细理解设计需求，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。要设计助于器件选型和电路的设计。要设计Zigbee节点，首先要了解节点，首先要了解Zigbee节点应该节点应该具备的基本功能：无线传输及组网、具备的基本功能：无线传输及组网、LED灯的显示、按键、以及供电模块等。了解灯的显示、按键、以及供电模块等。了解基本需求后需要进行硬件的选型基本需求后需要进行硬件的选型 7确定核心确定核心CPU3.2.1 原理图设计原理图设计8参考成
5、功案例参考成功案例3.2.1 原理图设计原理图设计l针对已经选定的针对已经选定的CPU芯片，选择一个与需求比较接近的成功参考设计，芯片，选择一个与需求比较接近的成功参考设计，一般一般CPU生产商或合作方都会对每款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，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可以参考并细读CPU芯片手册或找厂商进行确认芯片手册或找厂商进行确认 lTI给出了给出了CC2530芯片手册，在设计过程中要仔细阅读芯片手册，可以芯片手册，在设计过程中
6、要仔细阅读芯片手册，可以减少设计的误差。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芯片手册给出了设计方案以及注意事项 9对外围器件的选型对外围器件的选型3.2.1 原理图设计原理图设计普遍性普遍性原则原则 所选的元器件要被广泛使用验证的，尽量少用冷偏芯片，减少风险所选的元器件要被广泛使用验证的，尽量少用冷偏芯片，减少风险 性价性价比高比高在功能、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，减少成本器件，减少成本 采购采购方便方便尽量选择容易买到，供货周期短的元器件尽量选择容易买到，供货周期短的元器件 持续
7、持续发展发展尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件尽量选择在可预见的时间内不会停产的元器件 可替代可替代尽量选择引脚到引脚兼容种类比较多的元器件尽量选择引脚到引脚兼容种类比较多的元器件 向上向上兼容兼容尽量选择以前老产品用过的元器件尽量选择以前老产品用过的元器件 资源资源节约节约尽量用上元器件的全部功能和管脚尽量用上元器件的全部功能和管脚 10设计基本原则设计基本原则 3.2.1 原理图设计原理图设计l数字电源和模拟电源分割（需要具体看所使用的芯片，具体需要参考芯数字电源和模拟电源分割（需要具体看所使用的芯片，具体需要参考芯片数据手册）。片数据手册）。l数字地和模拟地分割，单点接地，数字地可
8、以直接接机壳地（大地），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。机壳地必须接大地。l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，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。而有些地方很松。l可调元器件（如电位器）、切换开关等对应的功能需弄清楚。可调元器件（如电位器）、切换开关等对应的功能需弄清楚。l重要的控制或信号线需标明流向及用文字标明功能。重要的控制或信号线需标明流向及用文字标明功能。11设计基本原则设计基本原则 3.2.1 原理图设计原理图设计l元件参数元件参数/数值必须准确标识，功率电阻一定要标
9、明功率值，高耐压滤波数值必须准确标识，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。电容需标明耐压值。l保证系统每个模块资源不能冲突，例如：同一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总线上的设备地址不能相同等等。能相同等等。l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。果需要，一定要做相应的外部处理。l在不增加硬件设计难度的情况下尽量保证软件开发的方便，或者以小的在不增加硬件设计难度的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
10、、可靠、高效的软件设计，这点需要硬件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开发调试，要求较高。设计人员懂得底层软件开发调试，要求较高。12在原理图绘制完成后，可以对相应的在原理图绘制完成后，可以对相应的PCB进行设计。在进行设计。在PCB设计中，设计中，布线是完成产品设计的重要步骤布线是完成产品设计的重要步骤，需要注意以下几项内容需要注意以下几项内容：3.2.2 PCB设计设计1电源、地线的处理电源、地线的处理 2数字电路与模拟电路共地的处理数字电路与模拟电路共地的处理3信号线和电源层或接地层同层信号线和电源层或接地层同层 13电源地线的处理电源地线
11、的处理3.2.2 PCB设计设计l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：地线电源线信号线电源线信号线 l对数字电路的对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网来使用可用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网来使用(模模拟电路的地线不能这样使用拟电路的地线不能这样使用)l用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地用大面积铜层作地线用，在印制板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。线用。或是做成多层板，电源、地线各占用一层。14数
12、字电路与模拟电路的共地处理数字电路与模拟电路的共地处理 3.2.2 PCB设计设计l对信号线：高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。对信号线：高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。l对对地地线线：PCB对对外外界界只只有有一一个个连连接接点点，所所以以必必须须在在PCB内内部部进进行行处处理理数数、模模共共地地的的问问题题，而而在在板板内内部部数数字字地地和和模模拟拟地地实实际际上上是是分分开开的的、互互不不相相连连的的，只只是在是在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。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。15 信号线和电源线和地线层共层
13、信号线和电源线和地线层共层 3.2.2 PCB设计设计l在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费，也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为层数就会造成浪费，也会给生产增加一定的工作量，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，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其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。16Zigbee硬件分为三部分，即硬件分为三部分，即CC2530核
14、心板、协调器底板和路由器底核心板、协调器底板和路由器底板。板。CC2530核心板是协调器底板和路由器底板共用的电路板核心板是协调器底板和路由器底板共用的电路板 3.3 硬件总体设计硬件总体设计便于设备的维护，一便于设备的维护，一旦旦CC2530核心板或核心板或者协调器底板和路由者协调器底板和路由器底板出现问题，便器底板出现问题，便于及时更换于及时更换 便于设备灵活使用。便于设备灵活使用。CC2530既可以配合协既可以配合协调器底板使用，也可以调器底板使用，也可以配合路由器底板使用，配合路由器底板使用，并且还可以与网关配合并且还可以与网关配合使用使用 17CC2530核心板（采用核心板（采用TI
15、公司的公司的CC2530F256芯片）集成了芯片）集成了CC2530芯片正常芯片正常工作时所有的外部电路（包括工作时所有的外部电路（包括SMA接口，以连接接口，以连接2.4G天线）天线）3.3.1 CC2530核心板设计核心板设计18协调器底板与协调器底板与CC2530核心板配合使用可以提供丰富的硬件支持资源，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、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、接口、按键、LED和和LCD、RS232和和RS485接口、蜂鸣器、传感器模接口、蜂鸣器、传感器模块、电位器、时钟模块
16、和外扩存储模块等块、电位器、时钟模块和外扩存储模块等 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计19电源接口电源接口 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计POWER为电源插口，输出为电源插口，输出5V电压，电压，PowerSW为开关，为开关，5V电压经过保险丝和滤波电路后，由电压转换电路将电压转电压经过保险丝和滤波电路后，由电压转换电路将电压转换为换为3.3V电压为整个电路板供电。电压转换电路采用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，其中电压转换芯片，其中C4为输入旁路电容，为输入旁路电容，C5为输出旁路电容，建议用钽电容。为输出旁路电容，建议用
17、钽电容。JP1和和JP2为为5V外扩外扩电源接口电源接口 20JTAG接口接口 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计lJTAG接口是连接仿真器下载调试程序的接接口是连接仿真器下载调试程序的接 lJTAG接口有效的连线只有四条：地线、电源线、接口有效的连线只有四条：地线、电源线、CC2530引脚的引脚的P2.1和和P2.2即即DC和和DD引脚引脚 lJTAG接口的引脚接口的引脚1接地线，引脚接地线，引脚7接电源，引脚接电源，引脚3和引脚和引脚4分别接分别接DD和和DC。其余引脚悬空。其余引脚悬空。SW1为复位按键为复位按键 21按键：按键：AD按键和按键和I/O按键按键 3.3.2 协调
18、器节点的设计协调器节点的设计22LED：LED指示灯，分别接指示灯，分别接CC2530的的P1.0、P1.1、P1.2和和P1.3，其中，其中P1.2、P1.3、P1.4通过选择跳线和外部扩展存储模块共用引脚通过选择跳线和外部扩展存储模块共用引脚 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计23液晶显示屏，采用液晶显示屏，采用FYD128*64单色屏，是一种具有单色屏，是一种具有4位位/8位并行、位并行、2线线/3线串线串行多种接口方式，本设计采用行多种接口方式，本设计采用SPI端口来驱动端口来驱动 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计24RS232和和RS485接口：接口：RS232
19、和和RS485接口共用了接口共用了CC2530的的P0.2和和P0.3引脚，引脚，P0.2为串口的为串口的RX，P0.3为串口的为串口的TX，通过跳线，通过跳线JP6选择使用选择使用RS232或者或者RS485 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计RS232串口芯片采用串口芯片采用MAX3232，MAX3232为双电荷泵为双电荷泵3.0V-5.0V供电，确供电，确保在保在120Kbps数据速率下维持数据速率下维持RS232电路电平，并且具有两路接收器和两路电路电平，并且具有两路接收器和两路驱动器功能驱动器功能 25RS232和和RS485接口：接口：RS232和和RS485接口共用了接
20、口共用了CC2530的的P0.2和和P0.3引脚，引脚，P0.2为串口的为串口的RX，P0.3为串口的为串口的TX，通过跳线，通过跳线JP6选择使用选择使用RS232或者或者RS485 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计RS485电路部分采用电路部分采用MAX3485芯片，芯片，MAX3485驱动芯片是驱动芯片是Maxim公司的一公司的一种种RS-485芯片，用于芯片，用于RS-485通信的低功耗收发器，具有一个驱动器和一个通信的低功耗收发器，具有一个驱动器和一个接收器接收器 26蜂鸣器两端加直流电压即可让蜂鸣器工作蜂鸣器两端加直流电压即可让蜂鸣器工作 3.3.2 协调器节点的设计协
21、调器节点的设计三极管三极管Q1起开关作用，通过跳线起开关作用，通过跳线JP9选择使用选择使用CC2530的的P2.0控制三极管的基控制三极管的基极，三极管基极的低电平使三极管关闭，蜂鸣器两端的电压差使蜂鸣器发声。极，三极管基极的低电平使三极管关闭，蜂鸣器两端的电压差使蜂鸣器发声。而基极高电平则使三极管饱和导通，此时蜂鸣器两端不产生电压差或者电压而基极高电平则使三极管饱和导通，此时蜂鸣器两端不产生电压差或者电压差不足以使蜂鸣器发出声音，从而使蜂鸣器停止发声差不足以使蜂鸣器发出声音，从而使蜂鸣器停止发声 27传感器模块：温度传感器和光敏传感器传感器模块：温度传感器和光敏传感器3.3.2 协调器节点
22、的设计协调器节点的设计温度传感器采用温度传感器采用DS18B20。DS18B20为数字温度传感器为数字温度传感器,DS18B20有有3个引个引脚，分别接电源线、地线和脚，分别接电源线、地线和I/O引脚，引脚，I/O引脚通过跳线引脚通过跳线JP14选择选择CC2530的的P1.7控制采集控制采集DS18B20的温度值的温度值 光敏传感器采用光敏电阻，光敏电阻为光电传感器，将光信号转换为电信号，光敏传感器采用光敏电阻，光敏电阻为光电传感器，将光信号转换为电信号，无光时为高阻状态，光照增强时，电阻减小，通过与固定电阻无光时为高阻状态，光照增强时，电阻减小，通过与固定电阻R3的分压作用，的分压作用，引
23、起电位的变化，通过引起电位的变化，通过AD转换器采集到的电压值来计算光照强度转换器采集到的电压值来计算光照强度 28电位器：电位器用于模拟一个传感器的电压输出，旋转旋钮可以让输电位器：电位器用于模拟一个传感器的电压输出，旋转旋钮可以让输出电压发生出电压发生03.3V的变化，引起的变化，引起AD采样值的变化采样值的变化 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计WI为电位器，电位器有三个引脚，引脚为电位器，电位器有三个引脚，引脚1接电源，引脚接电源，引脚3接地线，引脚接地线，引脚2通过通过跳线跳线JP16与与CC2530的的P0.7相连，通过相连，通过P0.7采集电压值采集电压值 29时钟模块
24、：时钟模块：时钟模块采用时钟模块采用DS1302时钟芯片，采用独立电池供电。时钟芯片，采用独立电池供电。DS1302是美国是美国DALLAS公司推出的一款高性能，低功耗的时钟芯片，采用公司推出的一款高性能，低功耗的时钟芯片，采用2线同步串线同步串行接口与行接口与CPU进行通信，可以一次读写一个寄存器的值，也可以采用突发方进行通信，可以一次读写一个寄存器的值，也可以采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或寄存器数据，实时时钟可提供秒、分、时、式一次传送多个字节的时钟信号或寄存器数据，实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年日、星期、月和年3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计30外扩存储
25、模块：外扩存储模块：外扩存储模块采用外扩存储模块采用ATMEL公司生产的公司生产的AT45DB161D芯片，芯片，AT45DB161D是一款串行接口的是一款串行接口的FLASH存储器，存储容量为存储器，存储容量为16Mbit（2M字字节），内部有两个数据缓冲区。采用节），内部有两个数据缓冲区。采用2.7V-3.6V电源供电电源供电 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计31CC2530插槽及扩展接口：插槽及扩展接口：JP20和和JP21为为CC2530核心板的插槽。核心板的插槽。JP17和和JP18为协调器底板引出的扩展接口，扩展接口将为协调器底板引出的扩展接口，扩展接口将P0和和P1预
26、留出来，用于连接预留出来，用于连接其他的外扩传感器或进行其他功能的扩展使用其他的外扩传感器或进行其他功能的扩展使用 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计32CC2530插槽及扩展接口：插槽及扩展接口：JP20和和JP21为为CC2530核心板的插槽。核心板的插槽。JP17和和JP18为协调器底板引出的扩展接口，扩展接口将为协调器底板引出的扩展接口，扩展接口将P0和和P1预留出来，用于连接预留出来，用于连接其他的外扩传感器或进行其他功能的扩展使用其他的外扩传感器或进行其他功能的扩展使用 3.3.2 协调器节点的设计协调器节点的设计33路由器底板与协调器底板相比，减少了一些功能（例如去掉了
27、串口接口、减路由器底板与协调器底板相比，减少了一些功能（例如去掉了串口接口、减少了按键等）。它集成了电源模块、少了按键等）。它集成了电源模块、LED指示灯、按键、指示灯、按键、JTAG接口、光敏电接口、光敏电阻、阻、DS18B20温度传感器，电位器、温度传感器，电位器、CC2530核心板插槽和扩展接口。其中核心板插槽和扩展接口。其中LED灯、灯、JTAG接口、各种传感器、接口、各种传感器、CC2530核心板插槽和扩展接口的设计和核心板插槽和扩展接口的设计和协调器底板完全相同，但路由器底板没有协调器底板完全相同，但路由器底板没有AD按键，只有按键，只有I/O控制按键。控制按键。3.3.3 路由节
28、点的设计路由节点的设计34路由器底板的电源有两种供电方式，外接电源供电和电池供电。外接电源供路由器底板的电源有两种供电方式，外接电源供电和电池供电。外接电源供电和协调器底板完全相同，不同的是电池供电，电池采用两节电和协调器底板完全相同，不同的是电池供电，电池采用两节1.5V的五号电的五号电池串联得到池串联得到3.0V电压为路由器底板进行供电电压为路由器底板进行供电。3.3.3 路由节点的设计路由节点的设计353.4 低功耗设计低功耗设计 选择低功耗器件选择低功耗器件去除不必要的器件去除不必要的器件选择合适的电源选择合适的电源综合考虑所以器件的工作电压范围综合考虑所以器件的工作电压范围利用器件本
29、身特性降低功耗利用器件本身特性降低功耗36 Altium前身为前身为Protel国际有限公司，由国际有限公司，由Nick Martin于于1985年始创于塔斯马年始创于塔斯马亚洲霍巴特，致力于开发基于亚洲霍巴特，致力于开发基于PC的软件，为印刷电路板提供辅助设计，在的软件，为印刷电路板提供辅助设计，在2001年年8月月6日正式更名为日正式更名为Altium有限公司有限公司 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 点击安装图标安装软件点击安装图标安装软件37双击双击Setup.exe后将弹出后将弹出“License Agreement”对话框，点击对话框，点击“I acc
30、ept the license agreement”选项选项 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 38点击点击“License Agreement”对话框的对话框的Next选项在弹出的选项在弹出的“User Information”对话框内，可以在对话框内，可以在“Full Name”和和“Organization”选项框选项框中写入用户的名字，此处使用默认用户名称中写入用户的名字，此处使用默认用户名称 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 39在在“Destination Folder”对话框内选择安装路径，点击对话框内选择安装路径，点击
31、Browse按钮选择用按钮选择用户想要安装的路径，这里使用默认安装路径户想要安装的路径，这里使用默认安装路径“C:Program FilesAltium Designer Summer 09”实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 40选择完安装路径后，进入安装过程选择完安装路径后，进入安装过程 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 41选择完安装路径后，进入安装过程选择完安装路径后，进入安装过程 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 42安装完成安装完成 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装
32、 43启动程序启动程序 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 44添加证书添加证书 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 45初次打开软件初次打开软件 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 46工作界面工作界面 实践实践3.G.1 Altium Designer的安装的安装 47小结原理图设计基本要求：规范、清晰、准确、易读原理图设计基本要求：规范、清晰、准确、易读在硬件设计过程中根据功能和性能需求制定合适的方案，选取合适的在硬件设计过程中根据功能和性能需求制定合适的方案，选取合适的CPU及外围元件及外围元件Zigbee硬件分为三部分，即硬件分为三部分，即CC2530核心板、协调器底板和路由器底板核心板、协调器底板和路由器底板协调器底板集成了协调器底板集成了LED、LCD、RS232、电源接口、电源接口、JTAG接口、蜂鸣器、接口、蜂鸣器、时钟模块、按键以及传感器模块时钟模块、按键以及传感器模块路由器底板集成了路由器底板集成了LED、电源接口、电源接口、JTAG接口、蜂鸣器、按键以及传感器接口、蜂鸣器、按键以及传感器模块模块4849