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    過往總結——慣性思維設計導致的Zigbee通信能力差問題

    55已有 1477 次閱讀  2015-06-03 14:11   標簽能力  通信 
        自己不學射頻,只是由于項目需要,臨時參與了一段時間Zigbee通信模塊原理圖和PCB設計,在設計過程中由于慣性思維導致了升版,付出了沉重的代價。
         
    需求要求協調器和單個節點間的通信視距要達到100m以上。Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議,工作在2.4GHz和868/915MHz頻段,具有短距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率(<250kbps)等特點。

    Zigbee通信模塊選用的TI公司集成Zigbee/RF4CE/IEEE協議棧的MCU芯片CC2530,支持低功耗模式,射頻接收靈敏度高達-97dBm,額定發射功率為4.5dBm,所用天線的中心頻率為2.4GHz,最大增益1.5dBi,駐波比<2。根據TI的參考電路和PCB繪制建議,完成電路設計,如圖1所示:

    通過調節匹配電路參數,最后用射頻分析儀測試出發射功率接近4.5dBm。于是在空曠場所進行實測,測試視距僅有30m左右,遠遠不能達到100m要求。限于結構,不能使用更大增益的天線。于是最終考慮添加射頻功放,不過個人覺得這樣也使得Zigbee通信的低功耗優勢不再。

    TI提供了與CC2530配套使用的射頻功放CC2591,可使射頻功率提高至20dBm,消耗電流小于166mA,;即使無功率輸出時,也有最大50mA的電流消耗。射頻接收增益分為高增益模式和低增益模式,在高增益模式下,接收增益為11dB,消耗電流最大4mA,噪聲系數為4.8dB;在低增益模式下,接收增益為1dB,消耗電流最大2mA。CC2591控制引腳包括HGM、PA_EN、EN,HGM用于控制RX的增益模式,PA_EN和EN用于控制RX模式、TX模式及低功耗模式的切換,按照TI的參考原理圖將這些控制引腳接至CC2530的相應GPIO,這樣便可以直接利用Z-stack進行驅動設計,否則會帶來軟件上的更改。CC2591的電路原理設計如圖2所示:

    實際回板后,調節好匹配參數至17dBm左右,然后進行測試,卻發現測試通信距離連1m都不到。

    首先檢查原理圖,尤其是控制信號HGM接法,未發現問題;

    用TI提供的調試工具SmartRF Studio進行通信數據測試,發現主要是由于收到了大量錯誤的數據所導致的。因此懷疑是射頻電路受了干擾導致的,但排查干擾源,利用電磁兼容常用的屏蔽等手段都未見效。

    最后同事檢查TI參考電路,如圖3所示:

    圖3 CC2591參考電路接法

    發現電源尤其是給輸入輸出功放提供供電的AVDD_PA1、AVDD_PA2、AVDD_LNA三個引腳有三個用傳輸線走線控制的電感TL11、TL101和TL131。查看datasheet,這三個電感會分別影響PA和LNA的諧振。

    通過割線并用導線繞成小電感加入這三個電源的供電引腳,然后再進行測試,數據正常,且視距達到了300m以上。

    之后回想,其實是慣性思維導致自己犯的錯誤。之前一直做數字電路設計,習慣了在芯片每個電源引腳處加一個去耦電容,由于數字電路輸出IO口是工作在開關模式,只需要在開通時,由電源提供電壓輸出即可,因此電容更多的是起到提供瞬時所需電荷和抑制干擾的作用。但在功放應用中,需要的是將輸入信號放大,如果還是這樣設計,就會導致高頻輸出被電源引腳的去耦電容導走,使得輸出波形不正確,造成數據錯誤,這時就需要加入電感,抑制高頻信號通過電源引腳的去耦電容耦合到地。

    這次失誤給了我很大的教訓,今后的設計中,對于每一個電路的應用,都要進行認真對待,確認應用的正確性,而不是想當然的套用之前的經驗進行設計。

    圖1 CC2530參考電路圖

    圖2 CC2591電路原理圖設計

    圖3 CC2591參考電路接法

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