（1）CC2530最小系统电路设计
CC2530芯片具有高度集成、低成本、低电压、低功耗的特点，能够进行鲁棒的无线通信。基于TI公司的SmartRF04技术，CC2530性能稳定且功耗极低。此外，CC2530的选择性和敏感性指数均超过了IEEE 802.15.4标准的要求，可以确保在短距离无线通信中的数据传输的有效性和可靠性。利用此芯片开发出的无线通信设备可以实现多点对多点的快速组网。
CC2530结合了增强型8051CPU，系统内可编程闪存有4种版本，容量分别为32kB、64 kB、128kB、256kB，此外还具有8kB的RAM及其他很多强大功能。CC2530还具有多种工作模式，合理使用睡眠模式可以极大降低系统能量的消耗。
CC2530内部的模块大体分为三类：CPU和内存相关的模块，外设、时钟和电源管理相关的模块，无线电相关模块。
CC2350使用的增强型8051CPU内核是一个单周期的兼容内核。它有三种不同的内存访问总线（SFR、DATA和CODE／XDATA），单周期访问SFR、DATA和主SRAM，它还包括一个调试接口和一个18路输入的扩展中断单元。
定时器l是一个16位定时器，具有定时器、脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）功能。
睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算32kHz晶振或32kHz RC振荡器的周期。睡眠定时器在除了供电模式3的所有工作模式下不断运行。该定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或2。
USART0和USART1可被配置为串行外部设备接口（Serial Peripheral Interface，SPI）或UART接口。它们为RX和TX提供了双缓冲以及硬件流控制，因此非常适合于高吞吐量的全双工应用。
CC2530还具有一个兼容IEEE 802.15.4标准的无线收发器。RF内核控制模拟无线收发模块。它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得它可以发出命令、读取状态、自动操作和确定无线设备的事件顺序。
CC2530最小系统电路如图8－63所示，这是CC2530芯片内部程序正常运行所必需的外部电路要求。其中，RF－N和RF－P引脚外接电路为射频匹配电路，后面将介绍加入CC2591放大器和CC2530的射频匹配电路。
CC2530外部振荡器使用32 MHz的晶振和32.768kHz晶振，要求其精度高。CC2530最小系统内部本身含有一个16MHz的RC振荡器和一个32.768kHz的RC振荡器，但精度不高。
CC2530在不使用无线模块的情况下可以使用内部16MHz振荡器作为内部MCU时钟源供程序正常运行使用；如果需要开启无线模块进行数据发送接收，那么必须使用外部32MHz晶振作为时钟源，并且必须使用精度较高的32MHz晶振才可，否则会因时钟精度太低而无法进行正常的射频数据发送与接收。在本应用运行过程中曾遇到过此问题。
32.768KHz晶振为实时时钟（Real－Time Clock，RTC）振荡器，其主要作用是为芯片休眠计时提供时钟源。在计时精度要求不高的情况下可以使用芯片内部的32.768KHz RC振荡器。
图8－63 CC2530最小系统电路
（2）CC2591前置射频功率放大芯片电路设计
单独使用CC2530芯片电路发射射频信号，其最大通信距离只有250m左右。这会限制故障监测结点之间的安装间距，使得覆盖同样大范围线路时使用的监测结点个数增加，成本增大。为增大通信距离，本设计中使用CC2591作为CC2530的前置射频功率放大芯片以提高信号的传输距离。
CC2591是专门用于2.4GHz频率的射频功率放大芯片，它具有极低的射频噪声和较高的射频信号功率放大能力，且成本很低。图8－64为CC2591电路原理图。
CC2591有如下主要的特点：
①供电电压范围为2～3.6V，与CC2530的供电电压一致，无需在外部添加电源电路。
②射频信号输出功率最大可以达到22dBm，相比之下CC2530芯片的最大射频输出功率只有4.5dBm，可以极大地提高信号的传输距离。
③可以提高CC24XX和CC25XX系列芯片6dB的接收灵敏度，变相增大了信号传输距离。
④外部设有EN、PAEN和HGM三个引脚供CC2530对其进行控制，操作简单方便。
图8－64 CC2591电路原理
2）故障监测结点的硬件设计
（1）故障监测结点硬件架构
本设计的故障监测结点的硬件结构主要由4部分组成：电磁互感取电模块、备用电源充放电模块、母线电流互感采样模块、ZigBee无线通信模块（也是整个装置内部的控制单元）。
每一个模块有其特定的功能：电磁互感取电模块主要是通过电磁互感原理将高压线路上的高电压大电流转换为可以供ZigBee无线通信模块和其他电路使用的电源；备用电源充放电模块主要是将电磁互感取电模块中产生的多余能量收集存储起来，以便在短时间取电不足的情况下提供给ZigBee无线通信模块足够的电能，保证其持续正常工作；母线电流互感采样模块主要是对输电线电流进行电流互感转换，产生与之相应的小电流并通过采样电阻得到小电压信号供CC2530采样；ZigBee无线通信模块主要是对电流互感采样模块的输出电压进行采样计算，判断线路的状态是否正常，将线路状态信息和线上电流数据通过Zig－Bee网络发送到网关结点，并且其内部CC2530主控芯片可以对其他模块进行控制。故障监测结点的结构如图8－65所示。
图8－65 故障监测结点的结构
（2）故障监测结点的电磁互感取电模块
电磁互感取电模块是整个指示器电路的能量来源，它为指示器的正常持续工作提供能量。其结构功能可以分为三个部分：取电线圈部分、限压过流保护部分、稳压部分。
取电线圈部分的核心是一个电磁互感结构，在一块闭合的环状铁芯上缠绕200匝左右的线圈，线圈两端连入电路接口端子，而高压输电线从环状铁芯中间穿过。当输电线上有交流电流通过时，线圈便可得到交流感应电动势。但由于线圈得到的是交流电压，因此我们使用MB2006整流桥整流。选用MB2006整流桥的原因主要是其导通压降较低，可以提高电源效率：在导通电流为1A的情况下，其压降仅为0.45V。随后接4 700μF滤波电容，得到较为平滑的直流电压。
限压过流保护部分的功能是限制取电部分的输入电压，防止感应电压过大，超过后续电路的输入电压范围，损坏电路。这部分电路的核心选用LMV431基准源。LMV431是德州仪器生产的可调电压基准芯片，有三个引脚：Cathode、Anode和Ref（后文原理图中分别用C、A和R表示）。Ref引脚输入电压和其内部自带的1.24V电压基准进行比较，当Ref引脚输入电压大于1.24V时，电流可以从C脚流到A脚，三极管最大可通过30mA电流。当然30mA的过流保护是不够的，因此电路中加入了MCH3484N沟道场效应管进行泄流，其门限导通电压约为1V。
整个限压过流保护电路原理如图8－66所示。初始状态下LMV431芯片的C脚和A脚间是不导通的，但当输电线上电流过大，线圈感应出的电动势较高时，R脚和A脚间电压超过1.24V，那么其C脚与A脚之间的内部三极管导通，电流经过电阻R8产生压降。随着R8两端电压上升，4个场效应管MCH3484开始导通，电流便可以通过R4、R5、R6、R7这4个功率电阻泄放能量。这样输入电流增大了，线圈中的感应电流也同时增大，降低了铁芯内部的磁通量变化率，使得线圈感应电压降低，达到限压保护的目的。由于R8两端的电压在1V左右，Q5（LMV431）的R脚和A脚间电压为1.24V，所以整个输入电压便限制在2.24 V左右，可以保证后续电路的输入电压在安全范围以内。
图8－66 限压过流保护电路原理
稳压部分的功能是将整流滤波后的不稳定电压转换成可以供ZigBee无线通信模块使用的固定电压。本设计选用的电压转换芯片是TPS61200开关电源稳压芯片，其原理如图8－67所示。
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图8－67 电压转换部分电路
TPS61200最大的特点是可以有极低的输入电压，输入电压范围为0.3V到5.5V，输出电压范围为1.8V到5.5V。由于限压过流保护部分存在，其输入电压不会超过正常工作范围。TPS61200可以在升压模式和降压转换模式之间自动切换，转换效率高。TPS61200如果需要在升压模式和降压转换模式之间进行自动切换，电感L1的取值最好在1.5μH至4.7μH之间。UVLO引脚为启动电压引脚，当该引脚电压上升达到3.5V时芯片工作，电压下降达到0.5V时芯片停止工作，可以用此引脚来保证输入电压在1.5V左右工作，防止输入电压过低时芯片能量转换效率的下降。FB引脚为输出电压反馈引脚，其比较电压为500mV，当该引脚电压高于0.5V时关闭输出模块，低于0.5V时开启输出模块，以此稳定输出电压。
（3）故障监测结点的母线电流采样模块
母线电流采样模块主要为主控芯片CC2530提供可采样的信号电压，其可分为两个部分：电流互感采样线圈部分和电流信号采样转换部分。
电流互感采样线圈部分同电磁互感取电模块的取电线圈部分类似：在原先的环状闭合铁芯上缠绕采样线圈，其原理为穿心式电流互感器，只不过其初级线圈的匝数为1，即铁芯中央穿过的高压输电线。
电流互感器依据电磁感应原理。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成，它的一次绕组匝数很少，二次绕组匝数比较多，它的二次回路始终是闭合的，因为测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。
为保证计算电流值的精度，线圈匝数取1 000匝。由于取电模块的线圈匝数为200匝左右，二者线圈缠绕在同一铁芯上，铁芯内部的磁通量变化率又是唯一的，则二者的线圈感应出的电动势只与它们的线圈匝数相关，采样线圈部分感应的电动势为取电线圈部分感应的电动势的5倍。通常状态下，采样线圈部分是不导通的，取电线圈部分的感应电动势约为3 V左右或更高（限压模块的2.40V加上整流桥压降0.45V，当输电线电流较大时，取电线圈内阻压降亦不可忽略），那么采样线圈部分的感应电动势约为15V或更高，为保护后续器件，防止瞬间感应电压过大，其两端需接瞬态抑制二极管。
电流信号采样部分原理如图8－68所示。线圈通过接口端子首先接入整流桥，交流电转换成直流电。整流桥同样选用MB2006低压降整流桥，选用MB2006的原因是其压降很小，可以最小程度地减少因电压波形失真带来的计算精度下降。
图8－68 母线电流互感采样模块原理图
图中Rs为2Ω精密采样电阻，Q1为N沟道场效应管，由CC2530控制其关断。当需要打开采样模块时，该CC2530端口（图中为EN－SAMPLE）输出高电平导通Q1，这样采样线圈经过整流桥MB02S、采样电阻Rs和场效应管Q1导通，呈短路状态，满足电流互感器工作的所有条件。此时，根据电流互感器的工作特点，流过线圈的电流值为高压输电母线电流值的千分之一。因此我们只需检测采样电阻两端的电压即可计算出输电母线电流的大小。
在采样线圈不导通的状态下，如前文所述，采样线圈感应出来的电压可能达到15V或更高，而CC2530芯片各引脚接口工作电压均在3.6V以内。若直接将采样电阻Rs接在CC2530模数（A／D）转换引脚上，很可能会损坏主控芯片，报废整个指示器。因此需要将采样电阻和芯片引脚进行电压隔离，我们选用了LMP8645运算放大器。
LMP8645是精密高电压电流检测放大器芯片，它具有如下主要特点：
①具有很宽的共模输入电压范围：－2V至42V，完全可以将采样电阻和CC2530芯片隔离开来，防止采样线圈关断时高电压对CC2530芯片的冲击。
②供电电压范围较宽：2.7V至12V，完全可以使用CC2530电源电压对其供电，无需额外电源。
③芯片测量精度很高，失调电压仅有4μV，保证了低电压检测的准确性，减少测量误差。
④芯片功耗低，供电电流仅450μA，满足低功耗要求。
电路中RG取10kΩ（这里选用精密电阻，否则会带来较大误差），则输出电压放大倍数为2。输出端接入主控芯片CC2530的采样引脚ADC－pin。
（4）故障监测结点的备用电源充放电模块
备用电源充放电模块的作用是将电磁互感取电模块的多余能量储存起来供设备在输电线路电流较低或断电的状况下使用，这种状况下取电模块产生的电能不足以满足电路能耗要求，备用电源模块将提供电路能量，维持ZigBee无线通信模块的正常运行。
由于故障监测结点长时间悬挂在室外高压线上，而锂电池的充电使用温度一般在0℃以上，本设计选择超级电容（又称法拉电容或黄金电容）作为备用电源的储能器件。本模块选用30F／5.4V的超级电容，其最大储能为436J，足够支持采用低功耗软件设计的ZigBee无线通信模块持续工作12个小时以上，完全可以保证短时间内线路在电流过低或断电等取能不足的情况下的电路正常工作。
备用电源充放电模块可以分为三个部分：一是充电升压电路部分，该部分电路将3.3V电压升压到5.4V电压对超级电容进行充电，升压芯片使用TPS61200开关电源稳压芯片，其电路原理已在前文中介绍；二是自动可调充电电流控制电路部分，该部分电路会根据高压输电线电流值自动控制超级电容的充电电流大小，达到线上电流大充电电流大、线上电流小充电电流小的目的；三是超级电容放电转化电路部分，该部分同样使用TPS61200芯片将超级电容内储存的电能转换成供无线通信模块使用的电源。超级电容电压小于5.4V，满足TPS61200的输入要求。
图8－69 故障监测结点的可变电流充电电路
自控可调充电控制电路使用电流采样负反馈方式进行调节，其工作原理如图8－69所示。图中使用了MAX4372T高边电流检测放大芯片，其原理与LMP8645芯片类似，但精度没有LMP8645高，出于成本考虑选择了MAX4372T；MC33503为低功耗运算放大器芯片；REF3025为基准电压芯片，输出2.5V固定电压；TLV5616为数模转换芯片。
TLV5616是一个12位电压输出数模转换器（DAC）。数字电源和模拟电源分别供电，电压范围为2.7～5.5V，功耗极低，仅900μW。它带有灵活的4线串行接口，这里通过SPI串口与CC2530相连。
超级电容放电转化电路采用自动可调负反馈方式：每次CC2530模块通过对电流互感采样模块的取值检测后，计算得到输电线母线电流值，根据这个电流值我们设置相应的充电电流便可以达到大电流大充、小电流小充的目的。首先升压电路部分将3.5V电压升压至5.4V，而后通过场效应管Q8和采样电阻R22对超级电容进行充电，采样电阻R22两端接入高边电流检测放大芯片MAX4372T，该芯片输出的电压值固定为采样电阻R22两端电压的20倍，用该电压与我们所设置的TLV5616芯片的输出电压通过运算放大器芯片MC33503比较，MC33503的输出控制场效应管Q8的导通与关断程度，达到控制充电电流大小的目的。这里注意，C14电容的值必须合理，否则可能出现场效应管Q8的开关震荡现象，引起充电电流误差。原理图中的X6同样为MC33503运算放大器芯片，它的作用是对超级电容电压进行采样比较，当超级电容电压超过5.4V时，X6输出电压通过Q7关断充电电路，以此进一步保护超级电容，防止过充情况发生。
3）网关结点的硬件设计
（1）网关结点的通信选择
故障监测结点通过ZigBee无线通信模块连接起来组成一个网络，故障监测结点之间可以通过ZigBee网络相互发送信息，但高压输电线上的状态数据始终需要从本地发送到远程监控中心的主机上。
由于现在移动基站覆盖了大部分地区，我们选用移动GSM网络作为线上状态数据的传输媒介。GPRS技术是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS和以往连续在频道传输的电话方式不同，它以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输数据量为单位计算的，并非使用其整个频道。实际中可以使用流量包月业务，设备成本费用会更低廉。所以在此选用GPRS分组数据技术作为线上数据远程传输的方式。
本设计中使用SIM900A作为GPRS模块，该模块可广泛应用于车载跟踪、车队管理、无线POS、手持PDA、智能抄表与电力监控等众多方向。本设计选用它的最重要的一个原因是其休眠功耗低达1mA，适合本设计的低功耗要求。
（2）网关结点的硬件设计
网关结点具有故障监测结点的所有硬件设计，并且在其基础上添加了GPRS模块硬件电路。故此网关结点具有故障监测结点的所有功能和GPRS分组数据远程传输功能。
SIM900A模块的供电电压范围为3.3V至4.7V，本设计选用4.0V作为供电电压，需要添加额外的电源电路，这里依然使用TPS61200对3.3V供电电压进行升压。CC2530通过UART串口与其相连通信，SIM900A支持标准AT指令和增强型AT指令对其控制，通过AT指令集可以控制SIM900A数据收发和其内部功耗水平。SIM900A模块电路如图8－70所示：TX900和RX900为SIM90A与CC2530的UART接口；SIM－CARD为手机卡插卡座端子，SIM900A通过SIM－DATA和SIM－CLK引脚读取手机卡内部信息；P33为模块天线；PWRKEY引脚为模块的开启／关闭引脚。
在进行SIM900A模块电路设计和PCB板制作时有以下两点需要注意的地方：
①SIM900供电电压推荐为4.0V，模块射频信号发射时会导致供电电压跌落，这时电流的峰值最高会达到2A以上，因此电源供电能力尽可能大一些，电源输入端引脚并接大电容，电容根据供电芯片输出能力确定，我们这里选用了470μF和100μF钽电容。
②PCB布局时电源上的滤波电容尽量要放在电源引脚VBAT附近，为了减少PCB走线阻抗，走线尽量宽、尽量短，最好大面积铺地。
图8－70 SIM900A模块电路
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