基于無線傳輸的電能質量監測系統
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2 無線收發器
在常用的無線傳感協議中，ZigBee以其覆蓋范圍寬、容量大、組網簡單、網絡可自由擴展、聯網耗時低、安全、低功耗、低成本等優勢受到更多的關注，本系統選用CC2530 ZigBee模塊作為無線收發器，CC2530是TI在2009年推出的，在CC2430的基礎上根據CC2430實際應用的一些問題做了一些改進，存儲容量最大支持到256 KB，可編程的輸出功率高達4．5 dBm，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，通信距離最遠可以達到400 m，對于中小型工廠，不用外加功放來擴展距離，只需要一個匯聚節點即可滿足全廠范圍內的電能質量監測，強大的5通道DMA控制器使硬件外設能實現數據的高效傳輸，從而滿足系統實時監測的需求。
CC2530電路原理如圖2所示，CC2530與S3C2440通過UART0連接，與DSP通過串口連接。電路中的C251，C261，L1共同作用為CC2530的內部PA和LNA提供直流偏置，C252，L261和C262，L252分別是LC巴倫電路的低通濾波電路和高通濾波電路，它們負責差分信號和單端信號之間的轉換和阻抗匹配，L2，C1，L3是pi型濾波電路。
2．1 射頻電路及天線設計
為了提高射頻模塊的兼容性和抗干擾性，同時方便調試，本設計將數據采集、分析及處理模塊與射頻收發模塊分別設計成2個不同的PCB CC2530芯片及其外圍電路、電源以及接口電路集成在長度36 mm、寬度25 mm的印制電路板上。
PCB板設計采用雙層板，為了避免兩層接地層沿銅皮走線產生電位差，在上下兩層的開放區和芯片底部添加過孔，使整個模塊能夠充分接地，使地面保持等電位。導通口距離計算公式如下：
式中：c表示光的傳輸速率；εr表示板子的介電常數，本設計中為63．2 mil。
采用Cadence的Allegro PCB Design GXL軟件進行手工布線，生成PCB版圖。布線的時候要注意以下幾個方面以提高其電磁兼容性：
(1)在敏感信號周圍用接地孔，或者用封閉的殼來進行屏蔽，減少干擾。
(2)在射頻端口采用差分線路以提高抗干擾能力，布差分線的時候采用Cadence的約束管理器，使設計的PCB滿足差分走線長度匹配規則。
(3)采用ADS的line_calc工具進行饋線設計實現阻抗匹配，避免反射信號。
(4)晶振下層不布線，走線盡量短，并遠離其他敏感器件。
2．1．1 天線設計
設計采用印制倒F天線，選擇相對介電常數為4．5，敷銅厚度是0．035 mm，厚度為1．0 mm的FR-4板材，倒F天線的結構如圖3所示。天線的建模與仿真采用HFSS軟件，參考TI公司提供的2．4G IFA的設計尺寸，以及文獻中關于倒F天線的輸入阻抗與天線尺寸之間的關系，通過分析計算，反復微調各個參數，在諧振頻率約為2．45 GHz，阻抗接近于50 Ω時，設計的天線參數見表1。本文引用地址：http://www.j9360.com/article/201809/388659.htm
2．1．2 巴倫電路設計
CC2530的收發是通過差分端口RF_P，RF_N來完成信息的收發的，因為CC2530射頻端口是一個差分端口，而天線端是單端口，所以需要匹配電路進行端口轉換并實現天線的50 Ω到差分端口的阻抗匹配，圖2中的L261，C262，L252，C253組成巴倫電路用以平衡轉不平衡。巴倫電路的L，C計算公式如下：
式中：Zout和Zin分別是芯片射頻端口和天線端口需要匹配的阻抗值。根據TI的CC2530的芯片手冊，系統在工作頻率，射頻端口的阻抗是(69+j29)Ω，倒F天線的特征阻抗是50 Ω，可以計算得到各元件參數值。
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