基于JN5169 的ZigBee 通用终端节点设计

2022-06-15李洪义

电子设计工程 2022年11期

李洪义

（西安外事学院，陕西西安 710077）

物联网技术[1]的飞速发展为实现各行各业的自动化提供了强大的支持。在高压输电线路的智能化运行和维护、室内用电设备和环境监控的组网远程控制、矿山智能化监测以及农业生产智能化监测等各行业应用中[2-8]，如何安全、快速、有效地将各种传感器采集到的数据传输到应用层，并接收应用层的控制指令，是实现智能化控制的重要一环。

目前，在物联网应用工程中，主要的数据传输方式有BlueTooth 组网、WIFI 组网、SimpliciTI 组网、ZigBee组网等[9-10]。其中，ZigBee组网技术是近年来广泛应用于物联网工程中的新型技术，具有功耗低、延时短、自组网、网络容量大等优势，非常适合短距离无线组网进行数据通信，实现组网设备的远距控制[11-13]。在ZigBee 组网中，主要涉及到协调节点、路由节点和终端节点。其中，协调节点负责整个网络的构建，也作为连接其他不同类型网络的通信节点，称之为网关；路由节点通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输；该节点可以当终端节点来使用，也可以连接到其他的路由节点和终端节点；而终端节点就是整个网络的最后一个点，负责执行具体的数据采集及传输，不能连接到其他节点[14-15]。终端节点是ZigBee网络中应用量最大的节点。

该文采用NXP（恩智浦）公司的JN5169芯片来实现终端节点的通信和控制功能，极大地简化了设计难度和复杂度，该解决方案可使用户在最短的时间内完成终端节点产品设计，以极低的成本实现ZigBee 组网。

1 JN5169芯片简介

JN5169 是NXP（恩智浦）公司出品的一款小巧紧凑、超低功耗、高性能的无线微控制器芯片，支持IEEE 802.15.4 标准，适用于ZigBee 组网应用。

1.1 微控制器特性

JN5169 的内部微控制器为32 位RISC 结构的微控制器，通过采用不同宽度指令、多级指令流水线和可编程时钟速率等技术，提供了较高的编码效率和超低功耗操作。具有512 kB 嵌入式闪存、32 kB RAM和4 kB EEPROM 存储器，无需外部存储器即可进行OTA 升级。

该微控制器还包含：①双线I2C 总线，可编程为主或从设备；②SPI 总线，可编程为主或从设备；③5 路PWM 接口；④2 路UART 接口；⑤6 路10 bit ADC 接口；⑥最多可达20 个数字输入输出口（DIO）；⑦电池和温度传感器；⑧看门狗和电源电压监控。

1.2 无线通信特性

JN5169 的内部包含符合IEEE802.15.4 协议标准的2.4 GHz 收发器，用户无需关心该协议的具体内容即可实现ZigBee 组网通信；还包含丰富的模拟和数字外设，可使用户以简单的外部连接和极低的花费完成硬件设计。

1.3 内部原理

JN5169 内部原理方框图如图1 所示。

图1 JN5169内部原理方框图

该芯片包含一个32 位RISC 结构的微控制器，以及512 kB 嵌入式FLASH 存储器、32 kB RAM 和4 kB EEPROM 内存；一个兼容2.4 GHz IEEE802.15.4 的无线收发器；电源管理模块；看门狗定时器模块；还包含模拟和数字外围部件。

2 终端节点硬件设计

2.1 电源电路

为使设备正常工作，需正确配置电源。

JN5169第9脚是模拟部件电源管脚VDDA，第30脚是数字部件电源管脚VDDD，由这两个引脚为JN5169供电。

配置图分别如图2 和图3 所示。每个引脚连接电源VDD，并连接一个100 nF 的陶瓷电容器到地，用于去耦。模拟电源VDDA还需要一个普通的10 μF 钽电容器，用于低频去耦。

图2 模拟电源配置

图3 数字电源配置

内部1.8 V 调压器的外部元件连接如图4 所示，共有5 个引脚需要配置对地去耦电容。

图4 调压器外部元件连接图

第6 引脚VB_SYNTH 和第35 引脚VB_DIG 只需连接一个100 nF 的电容到地；第14 引脚VB_RF1 和第12 引脚VB_RF2 需要连接一个100 nF 的电容和一个47 pF 的电容到地；第8 引脚VB_VCO 需要连接一个10 nF 的电容到地。所有外接元件应尽可能靠近芯片连接在一起。

2.2 复位电路

JN5169 包含5 个复位源：①内部上电复位/欠压复位（BOR）；②外部复位复位；③软件重置复位；④看门狗定时器复位；⑤电源电压检测复位。

该设计采用内部上电复位/欠压复位（BOR）方式，该方式无需外部元件，简化了硬件设计。

当设备通电时，上电复位电路监控VDD电源的电压上升。当VDD达到指定阈值时产生复位信号，如图5所示。

图5 内部上电复位波形图

BOR 电路能够防止VDD的尖峰干扰，避免错误触发。

2.3 晶体振荡器电路

JN5169 包含晶体振荡器所需的片上组件，外部仅需晶体和两个电容即可构成振荡器。

该设计采用32 MHz晶体，配合两个12 pF电容构成振荡器。在管脚XTAL_IN 和XTAL_OUT 之间连接晶体，每个管脚通过电容接地，电路如图6 所示。

图6 晶体振荡器电路

电容应选C0G 陶瓷电容，在设计印刷电路板时，电容和石英晶体应尽量靠近芯片，连线应尽可能短。

2.4 射频电路

在实际应用中，经常采用单端天线，JN5169 芯片需要在外围配置一个射频匹配网络来连接单端天线。射频匹配网络只需要两个电容器和两个电感器；另外，在IBIAS 和地之间需要一个外部电阻，用于配置射频电路的各种偏置电流。这些元件非常关键，设计印刷电路板时，应尽可能靠近JN5169 引脚和地。电路如图7 所示。