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。