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基于CC2500的2.4GHz无线收发系统设计1.系统方案设计与论证1.1设计要求利用无线芯片设计一个无线收发系统，要求设计达到以下技术要求：①低工作电压，低功耗。②工作于免费的2.4~2.485GHz免许可证ISM频段。③各主要技术指标可实现编程控制，要求操作简单。④高信息传输速率（≥250kbps），支持多种调制方式。⑤高接收灵敏度（10kbps下-100dBm;250kbps下-90dBm；1%数据包误码率，450KHz数字信道滤波带宽），可编程输出功率控制。⑥可实现点对多点通信地址控制。1.2设计方案与论证设计采用模块化设计，整个系统主要由无线收发模块、控制模块和电源模块构成。1.2.1无线模块根据设计要求，查找工作在2.4GHz频段相应无线收发芯片的datasheeet，从Nordic、Maxic、TI、SiliconLabs等各大公司生产的无线收发芯片中仔细查找筛选，筛选的原则是：①满足设计性能要求②价格合理，容易购买③设计难度小，操作方便。通过比较，最终选定TI公司的CC2500作为无线模块核心。CC2500体积小，几乎集成了所有的无线射频功能，灵敏度高，可编程设定主要工作参数，高效的SPI接口，工作在1.8V~3.6V电压范围，功耗低，具有多种调制方式，能满足不同应用要求，纠错能力强、误码率低。所需外围器件很少，降低了设计难度；数字特征明显，软件设计难度降低，用户操作也更加简单；收发一体，可实现双向通信。所以，选择CC2500作为无线核心具有很大的设计优势和价格优势，设计周期短，使用简便，最终产品也能够更快的占领市场。1.2.2控制模块无线模块选用了CC2500，由于CC2500芯片内部集成了几乎所有的射频功能，控制器只要能控制CC2500的不同操作模式，写入缓冲数据，通过4线SPI（SI,SO,SCLK和CSn）总线配置接口读回状态信息就能达到要求。因此，廉价的MCU就能对其进行控制，市场上最常见的8位51系列单片机就能满足要求，综合性能、价格、应用普遍性等多方面的因素，本1设计采用能满足设计要求、性能适中、价格最便宜、使用广泛的STC89C52单片机作为无线模块微控制核心。1.2.3电源模块根据上面的选择，CC2500芯片的供电电压要求是1.8V~3.6V，而且要求稳定度高，干扰小。STC89C52芯片供电电压是5V，稳定性要求比无线芯片稍低。根据要求初步拟定了两个方案：方案一：采用干电池供电。利用3节五号电池分别为CC2500提供3V直流电源，为STC89C52提供4.5V的直流电源。但是干电池得不到芯片所要求的典型电压值，放点以后的电压值和内阻的变化也很大，实际上是很难满足设计的供电要求的。方案二：采用稳压芯片。为增加无线系统的移动性，稳压部分的前级既可以采用对市电变压后的开关电源，也可以采用蓄电装置供电，因为无线模块的便携性要求，这里最好采用5V或5V以上的蓄电池作前级供电。设计中3.3V稳压芯片采用LM2576T-3.3，5V稳压芯片采用L7805。考虑到首先要满足性能要求，最终供电模块采用方案二。根据设计要求，得出系统的总的设计方案框图如图（1）所示。发射部分无线发射模块无线接收模块控制模块控制模块电源模块电源模块天线天线接收部分图（1）方案框图由方框图可见，无线收发系统分为发射部分和接收部分，实际上由于CC2500是收发一体的芯片，所以系统可以简化表示为如图（2）所示形式：2无线收发模块图（2）简化了的设计方案综上所述，考虑到性能、价格、操作性、便携性等各种因素，本方案都能达到要求，因此本方案是可实现的。2.硬件单元电路设计2.1无线模块CC2500是Chipon公司（现被TI收购）推出的单片无线收发一体化芯片，芯片属于基于0.18微米CMOS晶体技术的ChipconSmartRF04系列。工作在2.4~2.4835GHz全球开放的ISM（公业、科学、医学）频段，数据传输率12~500kbps，满足多点通信和跳频通信需要，工作电压1.9~3.6V。芯片内部高度集成了频率合成器，可编程调制解调器，射频功放，低噪声小信号放大器，基带滤波放大器，硬件CRC（循环冗余校验），点对多点通信地址控制，模拟温度传感器等几乎所有射频收发器模块。主要工作参数大都可以通过芯片状态字由用户根据需要进行配置，没有复杂的通信协议，对用户完全透明。CC2500支持2-FSK、MSK、OOK和灵活的ASK调制方式，对同类产品完全兼容。因此，只要极少数的外围元件，使用廉价的微控制器就可得到高性能的数字RF系统。2.1.1无线收发芯片外部特征无线收发芯片CC2500采用4×4mmQLP20封装形式，体积小，集成度高，图（2）是CC2500的视觉外形和封装。图（3）是封装参数。控制模块电源模块3图（2）CC2500芯片外观和封装单位：mm图（3）CC2500封装参数2.2.2芯片引脚及其功能CC2500芯片有28个引脚，引脚排列顺序见图（4），表（1）是对应引脚的功能。4图（4）CC2500引脚排列注：表面的硬膜连接垫必需接在硬地面上，因为这是芯片的主接地。引脚编号引脚名引脚类型描述1SCLK数字输入连续配置接口，时钟输入2SO(GD01)数字输出连续配置接口，数据输出；当CSn为高时为可选的一般输出脚3GDO2数字输出一般用途的数字输出脚：①测试信号；②FIFO状态信号；③时钟输出，从XOSC向下分割；④连续输入TX数据4DVDD数字功率数字I/O和数字中心电压调节器的1.8V-3.6V数字功率供给输出。5DCOUPL数字功率对退耦的1.6V-2.0V数字功率供给输出；注意：这个引脚只对CC2500使用。不能用来对其他设备提供供给电压6GDO0（Atest）数字I/O一般用途的数字输出脚：①测试信号；②FIFO状态信号；③时钟输出，从XOSC向下分割；④连续输入TX数据；⑤也用作原型/产品测试的模拟测试I/O7CSn数字输入连续配置接口，芯片选择8XOSC_Q1模拟I/O晶体振荡器脚1，或外部时钟输入59AVDD模拟功率1.8V-3.6V模拟功率供给连接10XOSC_Q2模拟I/O晶体振荡器脚11AVDD模拟功率1.8V-3.6V模拟功率供给连接12RF_PRFI/O接收模式下对LNA的正RF输入信号；发送模式下对LNA的正RF输出信号13AVDDRFI/O接收模式下对LNA的负RF输入信号14AVDD模拟功率1.8V-3.6V模拟功率供给连接15AVDD模拟功率1.8V-3.6V模拟功率供给连接16GND模拟地模拟接地17RBIAS模拟I/O参考电流的外部偏阻器18DGUARD数字功率对数字噪声隔离的功率供给连接GND19GND数字地数字噪声隔离的接地20SI数字输入连续配置接口，数据输入表（1）CC2500外接引脚介绍2.1.2CC2500无线收发芯片内部结构CC2500简化结构框图如图（5）所示。当CC2500用作一个低中频（Low-IF）接收器时，接收的RF信号通过低噪声放大器（LNA）放大，再对中频信号（IF）求积分来向下转换。在中频（IF），I/Q信号通过ADC被数字化。自动增益控制（AGC），细微频率滤波和解调，位/数据包同步均是数字化地工作。CC2500的发送器部分基于RF频率的直接合成。频率合成器包含一个完整的芯片LCVCO，和一个对接收模式下的向下转换混频器产生I和QLO信号的90度相移装置。晶体振荡器连接在XOSC_Q1和XOSC_Q2上。晶体振荡器产生合成器的参考频率，同时为数字部分和ADC提供时钟。以一个4线SPI串联接口为配置和数据缓冲通路。数字基带包括频道配置支持，数据包处理及数据缓冲。6图（5）CC2500简化结构框图2.2.3CC2500无线收发芯片电性能参数CC2500无线收发芯片可工作在-40°C~85°C温度范围内，工作电压1.8V~3.6V（所有的供电引脚必需保证相同的电压），在数据速率250kbps最佳电流配置接收条件下工作电流为15mA左右，休眠模式下最低电流消耗为400nA或900nA，支持低功率电磁波激活功能,外部中断唤醒、外部中断或RTC唤醒系统。编程控制方便，用户可以通过四线串行配置和数据接口对内部寄存器进行设置，是芯片按照用户需求工作。表（2）是芯片绝对最大等级参数要求，超过一个或多个限制值会对设备造成永久损坏。表（2）绝对最大等级参数表7CC2500可在全数字化条件下工作，表（3）是在指定条件下，输入输出高/低电平的电压要求。表（3）电平参数CC2500发射功率、数据率、调制方式，接收数据率、工作状态等技术指标都可以通过编程设定，不同条件小电气参数不同，表（4）是在给定测试条件，在Tc=25°C，VDD=3V情况下，芯片的电流规范值。参数最小值典型值最大值单位测试条件400nA数字部分的电压调节器关闭，寄存器值保持（休眠状态）900nA数字部分的电压调节器关闭，寄存器值保持，低功率RC振荡器工作（休眠状态，WOR开启）92uA数字部分的电压调节器关闭，寄存器值保持XOSC工作（休眠状态，MCSM0.OSC_FORCE_ON固定)功率降低模式下的电流消耗160uA数字部分的电压调节器开启，所有其他模块功率降低（XOFF状态）8.1uA每秒自动RX选举，使用低功率RC振荡器，460Hz滤波带宽和250kbps数据率，PLL校准每第4次唤起时发生。信道有信号时的平均电流在载波感应等级之下。35uA同上面一样，但信道有信号时的平均电流在载波感应等级之上，1.9msRX工作暂停，无前导/同步词汇。电流消耗1.4uA每15秒自动RX选举，使用低功率RC振荡器，460Hz滤波带宽和250kbps数据率，PLL校准每第4次唤起时发生。信道有信号时的平均电流在载波感应等级之下842uA同上面一样，但信道有信号时的平均电流在载波感应等级之上，14msRX工作暂停，无前导/同步词汇。1．5mA只有数字部分的电压调节器和晶体振荡器工作（空闲状态）7．4mA只有频率合成器工作（从空闲状态之后直到到达RX或TX状态及频率校正状态）15.3mA接收模式，2.4kbps，输入接近灵敏度限制12.8mA接收模式，2.4kbps，输入高于灵敏度限制30dB15.4mA接收模式，10kbps，输入接近灵敏度限制12.9mA接收模式，10kbps，输入高于灵敏度限制30dB18.8mA接收模式，250kbps，输入接近灵敏度限制15.7mA接收模式，250kbps，输入高于灵敏度限制30dB16.6mA接收模式，250kbps电流最佳化时，输入接近灵敏度限制13.3mA接收模式，250kbps电流最佳化时，输入高于灵敏度限制30dB。19.6mA接收模式，500kbps，输入接近灵敏度限制电流消耗（RX状态下）17.0mA接收模式，500kbps，输入高于灵敏度限制30dB11.1mA发射模式，输出功率-12dBm15.1mA发射模式，输出功率-6dBm电流消耗（TX状态下）21.2mA发射模式，输出功率0dBm表（4）电流规范表芯片内置了模拟温度传感器，模拟温度传感器的特性参数见表（5），特别要注意的是，在IDLE状态下使用模拟温度传感器时，有必要对PTEST寄存器写入0XBF位。参数最小值典型值最大值单位条件/注意–40°C时的输出电压0.6380.6480.706V0°C时的输出电压0.7330.7430.793V+40°C时的输出电压0.8280.8400.891V+80°C时的输出电压0.9240.9390.992V+120°C时的输出电压1.0221.0391.093V温度系数2.352.452.46mV/°CC从-20°C到+80C°C符合9计算温度下的绝对误差-14-8+14°C假设对绝对精度的最佳符合：0°C时0.763V、2.44mV/°C时，从-20°C到+80°C计算温度下的误差，被校准-2+2°C室温下在1-point校准后，当使用开启之后的迁移时间TBDμs开启后的电流消耗增加0.3mA表(5)模拟温度传感器参数CC2500无线收发芯片还提供（规定）了其它射频和芯片