基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计

2012-02-17 09:27:37来源: eefocus

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。

[1] [2]

关键字:WSN  通信模块  无线传感器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0217/article_4652.html
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