基于CC2531+CC2591的WSN节点通信模块设计

　　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。

图1 系统硬件结构框图

　　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)。