基于ZigBee的RS485硬件设计.docx
- 文档编号:28446155
- 上传时间:2023-07-13
- 格式:DOCX
- 页数:33
- 大小:2.54MB
基于ZigBee的RS485硬件设计.docx
《基于ZigBee的RS485硬件设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于ZigBee的RS485硬件设计.docx(33页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于ZigBee的RS485硬件设计
基于ZigBee的RS485硬件设计
摘要
当今时代,是一个信息化时代,信息的沟通能力是信息技术发达与否的首要体现。
人工智能仪表读取、无线楼宇监控、工业控制及监测……等等,这些现代化技术均需要信息沟通智能化的技术支持。
当中,传感技术是信息沟通的最基本的技术。
本设计完成了利用单片机CC2530实现Zigbee接口与RS485接口的通讯转换,为RS485接口与Zigbee无线通讯的协议转换提供硬件电路支持,并且其通讯过程采用光耦隔离式通信,以便因某一部分电路发生故障的时候能够保护通讯模块,从而节省成本损耗。
同时考虑各个接口及单片机工作所需要的电源电路,完成RS485接口与Zigbee接口协议的转换模块硬件设计。
基于Zigbee技术的无线传感器网络应用在Zigbee联盟和IEEE802.15.4组织的推动下,结合其他无线技术可以实现无处不在的网络,这正是本次设计采用Zigbee无线网络的原因。
关键词:
Zigbee无线网络;CC2530;光耦隔离;RS485
第1章绪论
1.1Zigbee无线网络技术的研究背景
信息沟通能力是当前信息时代的重要体现。
而传感技术是信息沟通的最基本的技术。
无线传感网络就是由分布在监控范围内的许多传感器节点组成,以无线沟通的方式构建一个自组织互联网络系统,其功能是协作和感知、采集和处理范围内感知的对象。
这样极大的方便了人类对客观世界的认识和观察。
但同时,由于无线传感器网络组成的巨大化和数量化,这就要求每一个无线传感器节点必须控制在一定的成本和体积范围内。
微电子技术、计算机技术和无线通讯技术的进一步提高,推动了各种多功能、低功耗传感器的发展,使其在微小体积内能集成信息采集、数据处理和互相之间无线通讯等优秀功能。
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。
根据这个协议的规定,Zigbee属于一种低功耗、短距离的无线通信技术。
实际上,这一名称源于蜜蜂的八字舞,因为蜜蜂(BEE)是通过飞翔和类似“嗡嗡”(ZIG)的抖动翅膀的行为方式来与同伴传递信息,也就是说蜜蜂通过这样的方式在群体中建立了沟通网络。
Zigbee技术是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低功耗、低复杂度的双向无线网络技术,是一组基于IEEE802.15.4无线标准研发的有关组网、应用软件和通讯安全方面的技术。
它主要用于功耗较低、距离较短且传输速率不高的各种电子设备之间进行信息传递以及周期性、间歇性和低反应时间数据传输的应用,并且具有独立的无线电通信标准,在无数微小传感器之间合作完成信息采集和监控。
Zigbee网络模块相当于移动基站,通讯距离标准是75m,但因此可以拓展到几百米、几公里,理论上支持无限扩展。
同时,Zigbee网络研发初衷主要是工业生产自动化控制,因而它具有使用简单、工作稳定、价格便宜的特点。
随着工业生产自动化对于无线通信的需求,Zigbee网络通信稳定、低成本、低功耗、容量高、安全性高的特点使其可广泛应用于各种自动控制领域。
1.2目前ZigBee的发展状况和前景
ZigBee从2002年ZigBeeAlliance成立到2006年ZigBee联盟推出比较成熟的ZigBee2006标准协议,至今已经历数年,当Zigbee几年前刚出现时,它的支持者曾设想这种基于IEEE802.15.4规范的无线通信技术的潜力市场巨大。
在低数据量、短距离通信应用中,成本是首要因素,而且ZigBee逐渐拥有类似蓝牙、802.15.3和802.11X等规范的高性能。
任何通信协议标准都需要上游芯片公司的支持,ZigBee是一种低功耗、低速率无线传输应用的标准,也必然需要芯片厂商的支持。
从整个ZigBee产业联盟来看,主要的上游芯片供应商有五家,分别为Jennic、Ti、Frescale、Ember、Ateml。
实际上,“芯片”只是一个单纯物理层的东西,它只负责调制和解调无线通讯信号的工作,唯有结合单片机的功能才能完成实现通信协议和对数据的接收发送。
为了进一步减少厂家的成本,部分上游芯片公司设计出在单颗芯片上集成了物理层的数据收发和基本单片机功能的单Soc芯片,单Soc把射频部分和单片机部分的功能集成在一起,不需要额外配置单片机,其优点是简化电路设计并节省成本。
基本上,每家厂商都免费提供自己生产的芯片的ZigBee协议栈,大大地加速了ZigBee在市场的应用和普及。
ZigBee协议标准在逐渐发展和完善,相信在不久的将来将得到统一,届时,ZigBee产业的发展将是空前的加速,逐渐普及社会,融入我们的生活。
在各上游芯片公司的积极推动下,基于ZigBee的实际应用将层出不穷,让我们的生活更加智能和美好。
未来,ZigBee无线网络技术应用将会越来越广泛,具有以下特点的无线网络构建即可考虑采用Zigbee技术做无线传输:
(1)监控范围广泛,需要的网络节点多,且地形复杂;
(2)数据传输量较小,节点设备成本低;
(3)确保数据传输安全、稳定;
(4)要求设备体积小,容不下电源模块或较大的充电电池;
(5)利用通用电池节供电;
(6)使用现有GSM网络实现遥远监控,数据量较低;
(7)使用GPS效果差的定位应用。
在中国市场,ZigBee产品的广泛应用或许还需要一段时间,中国的ZigBee网络市场还未成熟,本地厂家的积极性不高,但未来无线网络行业的应用范围将愈来愈普及,工业控制系统、高速公路汽车无线打卡、移动设备监控等高端市场是ZigBee产品应用的必然方向。
1.3本设计的工作内容
本次设计主要工作在于了解Zigbee无线网络的通讯方式,设计使用CC2530单片机系统的Zigbee通讯模块与RS485接口的通讯转换电路图,其中通讯收、发端与控制端均要求使用6N136芯片实现光耦隔离式通信,以便保护电路。
另一方面,需要考虑各个接口及单片机工作所需要的电源电路,以光耦芯片为界线将CC2530无线接收模块与RS485模块进行独立供电,实现真正的隔离通讯。
1.4本章小结
通过对zigbee无线网络的介绍,大家对zigbee有更深刻的印象,也希望因此能让市场对近程无线网络有更进一步的重视。
下一章我们将对本设计中zigbee无线网络硬件设备和通讯原理作进一步介绍,确定各种主要芯片的选型。
第2章zigbee无线网络原理
2.1Zigbee主要通信硬件介绍
2.1.1光耦器件6N136芯片
光电隔离器是电子设计中经常需要用到的一种抗干扰、防过压的器件,它里面包含发光元件和光敏元件,通过光传递实现耦合,达到电--光--电转换的性能。
正因为光电隔离器的输入输出是以这样一种方式交流,它有优良的电气隔离特性。
6N136正是一款晶体管与光电输出光耦的组合芯片,其结构原理图如图2-1,信号从输入端的管脚2、3发生的时候,点亮其发光二极管,光线传送到输出侧的光敏二极管,导通反向偏置的光敏二极管,如此经电流---电压转换后,信号进到三极管的基极,三极管导通。
三极管反向后,6N136输出低电平,反之则输出高电平。
6N136中的三极管能够起放大和输出作用。
6N136这样一款光耦器件使它能够更安全更稳定的进行数据传输。
图2-16N136原理图
2.1.2单片机CC2530芯片
CC2530是专门用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正片上系统(SoC)。
它能够以很低的材料成本组成强大的网络节点。
CC2530拥有RF收发器的优良性能、增强型8051CPU、8-KBRAM的随机存储器、可编程系统闪存等强大功能。
CC2530有不同的运行模式,能够运行于低功耗要求的电子系统。
各个运行模式切换时间短,进一步降低能源的消耗。
CC2530有四种不同的闪存版本:
CC2530F32/64/128/256,分别包含32/64/128/256KB的闪存。
图2-2CC2530原理图
CC2530的主要特点有:
(1)具有20kB擦除周期和256kB闪存,方便无线升级更新或大型程序运行;
(2)8kBRAM可用于更为复杂的应用和Zigbee应用;
(3)可编程输出功率达+4dBm;
(4)在掉电模式下,仅睡眠定时器运行时,消耗小于1uA的电流;
(5)具有数据包处理引擎和地址识别能力;
CC2530的外设配置有:
(1)五通道DMA;
(2)通用定时器和MAC定时器;
(3)红外发生电路;
(4)32KHZ的睡眠计时器和定时捕获;
(5)CSMA/CA硬件支持;
(6)数字接收信号强度指示精确;
(7)包含温度传感器、电池监视器;
(8)8通道12位ADC,分辨率可自行配置;
(9)AES加密安全协处理器;
(10)两个强大的通用同步串口;
(11)21个通用I/O引脚;
(12)看门狗定时器。
CC2530的应用方向有:
(1)人工智能仪表读取;
(2)远程控制;
(3)居家及楼宇自动;
(4)消费类电子产品;
(5)工业控制及监测;
(6)低功耗的无线传感网络
2.1.3通信MAX485芯片
MAX485是用于RS-485和RS-422通信协议标准的低功耗收发器,是TTL信号与差分信号的转换芯片。
器件中包含一个驱动器和一个接收器。
MAX485的驱动器摆率没有限制,可以达到最高2.5Mbps的传输速率。
器件都工作在5V单电源下,收发器在驱动器停止工作的空载或满载情况下,需要供给的电流在120uA至500uA之间,功耗较低。
驱动器具有短路电流限制功能,通过热关断电路将驱动器的输出设置为高阻状态。
接收器在输入失效时能启动自我保护,一旦输入断路时,逻辑输出设置为高电平,因此具有较高的抗干扰性能。
MAX485是市面上最为常见的RS485芯片,亦是用量最大的RS485芯片,性价比高,优质,供货稳定是吸引大量厂家采购的原因。
图2-3MAX485原理图
2.2光耦通信硬件设计框架
如图2-4,这是通过CC2530单片机系统建立的Zigbee无线网络通信(升级)框架图。
在日常下位机正常运作的状态下,下位机的CC2530模块处于极低功耗的休眠状态,并且甚至可以说不存在无线电信号干扰我们的正常工作或生活。
当我们需要对下位机进行信息采集或针对下位机的功能需求及时对其嵌入式系统进行通信或升级时,那么,我们这时可以利用PC通过RS232通信模块连接一CC2530单片机模块,通过PC输入指令到该CC2530芯片来激活通过RS485通信模块连接下位机的另一CC2530芯片。
待激活成功后,我们便可轻松的通过PC使两块CC2530模块实现无线通讯,进而对下位机进行信息采集或无线远程升级了。
这是我们这个zigbee无线网络的工作流程。
图2-4系统框架图
当然,这只是比较简单的一对一无线通讯过程,根据实际情况需要对多个下位机进行监控或烧写升级程序的时候,我们可以通过对CC2530的软件更改以实现该功能。
该工作重点要解决CC2530通讯协议和程序设计的难题,在这里就不详细介绍了。
2.3本章小结
本章通过对各个硬件芯片的介绍和系统需要实现的功能来确定下一步我们进行硬件制作的材料和设计要点。
通过对通讯原理的进一步理解,我们将逐步清晰硬件设计的具体流程:
工程设计要求→原理探索→材料选型→设计框架→电路板设计→硬件焊接与调试→实物模型优化。
下一章将详细介绍我们这个设计的具体内容。
第3章光耦RS485通信硬件设计
3.1.供电部分设计
本设计中,考虑到光耦RS485模块与下位机一起工作,为保证其供电性能与下位机同步一致,我们将计划设计一开关电源,与下位机一同接上家用220V交流电源。
首先,既然是使用光耦隔离模式进行通信,那么,要实现完全的隔离,必须电源部分也实现隔离,才是真的意义上的隔离。
因此,我们设计电源部分要分开两路输出,一路是供给6N136与MAX485芯片连接的部分;另外一路是供给6N136与CC2530单片机系统连接的部分。
以下具体分析两路输出要求。
3.1.1主要芯片的电气参数
CC2530是一块单片机系统,其具体性能参数见表3-1、3-2。
表3-1CC2530极限参数
项目
说明
最小值
最大值
单位
供电电压
所有供电引脚的电压必须相同
—0.3
3.9
V
任何数字引脚上的电压
—0.3
VDD+0.3,≤3.9
V
输入RF级别
10
dbm
储存温度范围
—40
125
℃
ESD
所有焊盘,根据人体模型,JEDECSTD22,方法A114
2
KV
根据被控器件模型
JEDECSTD22,方法C101
500
V
表3-2CC2530推荐运行条件
最小值
最大值
单位
运行环境温度范围
—40
125
℃
运行供电电压
2
3.6
V
6N136的具体性能参数见表3-3,由于其中的发光二极管所需工作电流一般为10~15mA,一般的TTL电路和CMOS电路的输出信号电流值不足以驱动它,使用时需要加上合适的驱动电路。
具体方案见图3-1。
图中门电路是一个集电极开路门,限流电阻和发光二极管是集电极开路门的上拉电阻。
输入、输出端的电阻是根据所给电压和表3-3中的允许电流要求再经过计算而决定大小的。
表3-36N136性能参数
型号
输出
电路
输入特性
输出特性
传输特性
最大工作电流(mA)
二极管正向压降(V)
最大输出电流(mA)
工作电压(V)
传输比(%)
延迟时间(ns)
6N136
OC门
25
1.65
8
15
19
800
图3-16N136上拉电阻接法
MAX485芯片是目前RS485市场上常用的芯片,查阅数据手册可知,其供电电压一般为+5.0V。
3.1.2开关电源原理图
通过上一节分析可知,供给6N136与MAX485芯片连接的一路电源可以使用直流5V电压;供给6N136与CC2530单片机系统连接的另一路电源可使用直流3.3V电压。
我们另外一组设计开关电源的同学设计出两路独立输出直流5V的开关电源,因此,我们其中一路电源输出可以增加一个降压电源芯片LM1117IMP-3.3,它可以将5V输出转变为3.3V输出。
一个完整的供电电路布局如图3-2:
图3-2开关电源原理图
3.2通信部分设计
本设计中,由于CC2530单片机的芯片是较小的贴片焊脚,我们的焊接技术达不到其焊锡要求。
根据电路板制作的难易程度,我们分为两个模块进行设计:
CC2530单片机系统模块和光耦RS485模块设计。
其中,光耦RS485模块由我们自己制作,而CC2530单片机系统模块我们选择厂家进行制作。
3.2.1CC2530单片机系统模块设计
在本块设计中,我们只需要用到CC2530单片机系统的通信功能、下载功能。
通信功能前几章也说明白了,这里不一一介绍。
下载功能,就是我们通过一个JTAG串口,用仿真器给CC2530单片机系统进行程序烧写,方便我们日后的调试。
那么,在CC2530单片机系统中,我们需要完成以下电路的连接:
(1)通信电路。
CC2530单片机中,P0.2、P0.3、P0.4分别为接收端、发送端和控制端,3个端口均连接到MSP430芯片,控制端即连接MSP430芯片使能端选择接收或发送。
(2)下载电路。
通过仿真器与PC连接的串口,PC的程序通过仿真器下载到单片机,以便我们的调试。
(3)射频电路。
CC2530单片机本身就是8051内核单片机+RF无线电部分组成的,而且片上资源很丰富,拥有SPI、UART、I2C、ADC等资源。
同时具备大的RAM和Flash,我们只需要加上陀螺仪和加速度传感器即可实现需要的系统。
(4)复位电路。
就是每当我们下载完最新的程序到CC2530单片机系统的时候,此时可能单片机并不是处于程序的开始阶段,此时,我们需要让单片机从程序的最初开始重新运行,就像电脑的重启一样。
(5)供电电路。
给CC2530单片机系统供给能源使其正常运作。
在供电电路中,我们还从I/O端口P1.0、P1.1接上两个发光LED端子到电源正极,以便我们对模块的调试。
(6)晶振电路。
为单片机提供时钟的,单片机工作的最小时间计量单位就是由这个晶振决定的。
我们CC2530模块使用的是外部晶振是32MHZ和32.768KHZ,无线RF工作时选择32MHZ,32.768KHZ主要用在睡眠计时器和看门狗定时器。
以上是CC2530单片机系统的组成内容,由于本模块的制作需要外送,所以我们需要设计一串口(CC2530connect)衔接光耦RS485模块,该串口包括电源供电、RS485数据通信、下载口、复位电路等。
整个CC2530单片机系统模块见图3-3。
图3-3CC2530单片机系统模块原理图
3.2.2光耦RS485模块
在本块设计中,根据光耦隔离原则,我们仿照供电部分选择分开两部分设计,一个是6N136与CC2530单片机系统连接的部分;另一个是6N136与MAX485芯片连接的部分。
这样才能真正避免通信过程中发生意外使一连串的零器件都烧坏,保护下位机的同时减少器件的损耗。
第一部分:
6N136与CC2530单片机系统的连接
这部分最首要的工作是建立一串口(CC2530connect)衔接CC2530单片机系统,然后可以陆续建立各种功能电路:
(1)通信电路,CC2530单片机中的P0.2、P0.3、P0.4(分别为接收端、发送端和控制端)3个端口均连接到MAX485芯片,因此,需要3片6N136芯片。
其中,P0.3、P0.4端口是从CC2530单片机发生信号到MAX485芯片的,因此接6N136的信号发生端,而P0.2端口是从MAX485芯片接收下位机的信息到CC2530单片机中,因此接6N136的信号接收端。
(当中的P0.2、P0.3我们还需要引出测试管脚,便于我们对通信的检测、调试、排查)
(2)复位电路,我们使用按键来给出高、底电平实现系统的复位,其中程序下载串口也有一个复位端,仿真器也有复位按钮。
(3)下载电路,根据JTAG串口标准建立下载口,连接到CC2530单片机的相关管脚。
(4)供电电路,根据上一章给到的两路直流5V电源,我们取其中一路,加入一个降压电源芯片LM1117IMP-3.3,使其输出一个直流稳压3.3V电压,供给复位电路、3片6N136的与CC2530单片机系统连接的部分和CC2530connect。
直流3.3V接到6N136处可以接一个0.1uf的电解电容接地,保持信号稳定。
(下载口自身也有直流3.3V的输出设计,也就是从PC端输出电压给CC2530单片机系统,所以下载程序的时候我们可以不打开开关电源)
第二部分:
6N136与MAX485芯片的连接
(1)通信电路,将3片6N136芯片的通信端口一一对应接到MAX485芯片上。
(2)供电电路,将开关电源另一路直流5V连接到该部分,供给MAX485芯片、3片6N136的与MAX485芯片连接的部分。
(3)MAX485与下位机连接通信电路,其中我们要利用直流5V电源构造差分信号,使信号传输更远,保证信号传送到下位机。
综合上述内容,我们设计出光耦RS485模块的电路原理图,如图3-4。
图3-4光耦RS485模块原理图
3.3光耦RS485通信电路板制作
3.3.1PCB图纸的制作
在完成一系列的设计内容后,我们需要把它成为实物呈现出来,在这里,我们用到一个软件《Altiumdesignersummer09》(以下简称“DXP”)。
该软件是原Protel软件开发商Altium公司推出的集原理图设计、电路仿真、PCB绘制、逻辑网络自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术于一身的电子产品开发系统,给设计者提供便利、清晰的设计解决方案。
开发者若能熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
本次设计中,我们需要用到的DXP里面的功能有原理图设计、PCB绘制编辑、设计输出等。
以下将逐项介绍:
(1)原理图库的建立。
在以前的Protel软件里面,一般我们的原理图设计都需要自己建立一个原理图库以健全我们设计所需要的元器件,但随着技术不断进步,现在的DXP里面已经储藏了很多很多元器件,常见的器件如电阻、电容等均已经“记录在案”,不过本次设计中还是有部分元器件是原理图库里面找不到的,需要自己建立。
如6N136、MSP430、LM1117IMP-3.3等
(2)原理图的设计。
在建立原理图库的基础上,我们可以根据设计要求对每一块芯片进行电气连接了,原理图设计基本要求:
清晰、准确、规范、易读。
一份优秀的原理图要求布局均衡,不要出现局部拥挤或松动。
尽量将各功能部分模块化(如功放,RADIO,E.VOL,SUB-WOOFER等),各功能模块界线需清晰,这样可以方便同类设计资源共享。
本次设计所画原理图我们在前面都已经一一展示出来了。
(3)PCB图库的建立。
实际上,每个元器件建立了原理图还不能画PCB图,因为原理图只是把这块电路板的原理完整、清晰的呈现给我们看,如果画PCB图还需要建立其PCB图库,把其现实化(即我们日常说的“封装”),封装过程要做好对所用元器件的实际规格测量、描绘。
一般我们封装的工艺只要求描述其平面结构,画其俯视图,封装要求是:
对于IC、排阻、接线端子、插座等等孔距为5.08mm(或以上)的焊盘直径要求大于或等于3mm;孔距为2.54mm的器件焊盘直径最小不应小于1.7mm;连接家用220V电压的焊盘间距要求大于或等于3mm;流过电流大于或等于0.5A的焊盘直径应不小于4mm。
一般合理设计情况下,焊盘越大越好,一般焊点的焊盘直径最小要求在2mm或以上。
(4)PCB图的设计。
走到这一步,应该是画电路板最后的一步了,当然也是最繁复,最考究技术的一步,一块电路板的好坏是由PCB图决定的。
PCB图元器件布局要求:
①板子大小:
要求合理摆放各类元器件并达到美观、易布线的效果,各功能部分模块化,在此基础上合理规划板子大小,以矩形规划为佳;②排列顺序:
先布局大的元器件,根据其功能模块在周围布置小的元器件。
先集成后分立,放置集成电路后,再在其周围放置辅助元器件;③就近原则:
确定PCB板子与其他模块板子的接口后,接口电路就近布置,避免布线时线路过长和绕弯路,尤其注意不同模块线路交叉过多。
每个模块电路以核心器件为中心,辅助器件围绕其进行布置。
PCB图布线要求:
①布线从焊盘引出,以焊盘结束。
布线尽量采用直线和45°角度走线,避免出现锐角;②多面板信号线要求方向正交,避免干扰;③电源线和地线的间距一般比普通布线宽2陪或以上,相对较粗,其走向一般与信号线平行为好,可以增强抗噪。
模拟信号与数字信号属性不同,其电源和地需要分隔开;④差分信号也需要平行布线;⑤导线宽度最小取10mil(0.254mm),电源类布线可以加粗到30mil(0.762mm)以上。
线与线的距离最小取8mil(0.2032mm);⑥如果做单面板的时候确实有绕不了的线,可以在宽阔位置打焊盘,以作飞线用。
根据上面的操作流程,最后展出我们画出的PCB图:
图3-5单面板的光耦RS485模块PCB图
图3-6双面板的光耦RS485模块PCB图
3.3.2制作实物电路板的过程介绍
在完成电脑上的设计内容后,我们便开始制作实物电路板了。
以下是介绍我们制作电路板的流程:
(1)打印电路板。
将绘制好的PCB图用转印纸以1:
1的比例打印出来,单面板需要打印底层(Bottomlayer)和焊盘,双面板需要打印顶层(Toplayer)、底层和焊盘。
注意图形要打印到转印纸滑的一面上。
一般A4纸有空间的话可以打印两到三张电路板,选择效果较好的图形制作,其他可
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 ZigBee RS485 硬件 设计