基于 CC1310 的 Sub‑1GHz USB Dongle 设计与调试

一份面向工业物联网现场工程师的硬件开发笔记

1. 项目背景

在工业物联网（IIoT）项目中，现场技术人员常常需要一个可靠的手持调试工具，用于对远端的传感器节点、智能表计或工业控制器进行配置、数据读取和故障诊断。这类工具通常以 USB Dongle 的形态出现，插入笔记本电脑或平板电脑，通过专用软件与目标设备通信。

本文记录了我们基于 TI CC1310 设计一款 433/868/915 MHz 多频段 Sub‑1GHz USB Dongle 的过程，涵盖硬件设计、匹配网络调试、固件开发、测试验证以及现场应用经验，希望能为从事类似项目的工程师提供参考。

关键词：CC1310，Sub‑1GHz，USB Dongle，匹配网络，调试工具

2. 硬件设计

2.1 芯片选型

选择 CC1310 作为核心射频 SoC，主要基于以下几点：

• 集成度高：Cortex‑M3 内核 + 射频收发器，简化 BOM 和 layout

• 低功耗：RX 电流 5.4 mA，TX 电流 13.4 mA @ +10 dBm，适合电池供电的节点；作为 Dongle，USB 供电下功耗不是主要约束，但低功耗意味着芯片发热少，稳定性更好

• 软件生态：TI 提供完整的 SDK、SmartRF Studio 配置工具，以及丰富的应用笔记

• 多频段支持：通过调整匹配网络，可覆盖 433/868/915 MHz 多个频段，方便为不同市场定制

2.2 原理图设计

射频部分（参考 TI 官方设计 AN122）：

• CC1310 的 RF_P 和 RF_N 引脚引出，采用差分输出，经过一个 balun（平衡‑不平衡转换器）转为单端 50 Ω

• 输出端预留 π 型匹配网络（C1, L1, C2），用于调试阻抗

• 天线采用 SMA 接口，便于外接高增益天线或测试线缆

电源部分：

• USB 5V 输入，通过 LDO（TI TPS7A20）降压至 3.3V 为 CC1310 供电

• LDO 输出端预留 10 μF + 0.1 μF 滤波电容，降低电源纹波对接收灵敏度的影响

USB 接口：

• CC1310 无内置 USB 控制器，因此外挂一颗 USB‑to‑UART 桥接芯片（CP2102）

• CP2102 的 TX/RX 连接到 CC1310 的 UART0，同时引出 DTR 信号用于固件升级时的复位控制

调试接口：

• 保留 4‑pin JTAG（Tag‑Connect）接口，用于代码下载和调试

2.3 PCB 布局要点

射频性能高度依赖 PCB 布局，以下几点是调试过程中反复验证过的关键：

1. 地平面完整性
   CC1310 和射频前端区域下方必须有一个连续、不间断的地平面。避免在该区域穿任何信号线。顶层和底层之间的过孔应密集布置，形成低阻抗回路。

2. 射频走线

   • 从 CC1310 到 balun 的差分走线需等长、平行，阻抗控制在 100 Ω 左右

   • balun 输出到 SMA 的单端走线需控制在 50 Ω 特性阻抗（通过计算线宽和参考层间距实现）

   • 走线尽量短，避免锐角，使用圆弧或 135° 转角

3. π 型网络位置
   π 型网络（C1, L1, C2）应紧贴 balun 输出端放置，以减少额外寄生参数。电容和电感使用 0402 封装，便于调试时快速更换。

4. 晶振布局
   CC1310 所需的 24 MHz 晶振应尽可能靠近芯片引脚，负载电容靠近晶振放置，晶振下方避免走线。

5. USB 桥接芯片
   CP2102 靠近 USB 连接器放置，差分数据线（D+/D‑）等长走线，阻抗控制在 90 Ω。

PCB 为四层板：顶层信号，第二层完整地，第三层电源，底层信号。射频走线参考第二层地平面。

3. 匹配网络调试

3.1 调试目标

• 天线端口回波损耗 S11 < –10 dB（目标频率）

• 传导输出功率 ≥ +13 dBm（CC1310 内部 PA 典型值）

• 二次谐波 < –30 dBm（满足 CE/FCC 要求）

3.2 调试工具

• 矢量网络分析仪：Keysight E5061B，校准至 SMA 端面

• 频谱仪：Keysight N9020A

• 测试线缆：低损耗稳相电缆

• 样品电容/电感：0402 封装，E24 系列多个值（0.5 pF – 10 pF，1 nH – 27 nH）

3.3 调试步骤

步骤 1：测量初始阻抗

将 Dongle 的 SMA 端口连接到网络分析仪（已校准），测量 S11 在 433/868/915 MHz 频段的表现。初始设计通常阻抗点偏离 50 Ω 较远，因为参考设计的 PCB 叠层和你的实际 layout 存在差异。

步骤 2：调整 π 型网络

以 433 MHz 为例，初始匹配网络采用参考设计值：C1=1.2 pF, L1=3.3 nH, C2=1.8 pF。实测 S11 在 433 MHz 处为 –5.2 dB，阻抗偏容性。

调试过程如下：

• 增加 C1 至 1.8 pF，S11 改善至 –7.1 dB

• 减小 L1 至 2.7 nH，S11 达到 –9.8 dB

• 再微调 C2 至 2.2 pF，S11 最终稳定在 –12.3 dB

步骤 3：验证全频段

由于我们目标是多频段 dongle，需要在 433/868/915 MHz 分别调试。实测发现同一组 π 网络无法同时使三个频段都达到 –10 dB 以下，因此最终采用“分频段跳线”设计：预留两组不同的匹配网络焊盘，根据目标市场贴装对应的元器件。

步骤 4：谐波测试

将 dongle 置于连续发射模式（+14 dBm 输出），用频谱仪观察二次谐波。868 MHz 的二次谐波（1736 MHz）测得 –28 dBm，略高于 –30 dBm 的目标。通过增加一个串联电感（由 2.2 nH 改为 3.3 nH）将谐波压低至 –34 dBm，代价是基波功率损失 0.5 dB，属于可接受权衡。

调试结果总结：

4. 固件开发

4.1 开发环境

• SDK：TI SimpleLink SDK 4.40

• IDE：IAR Embedded Workbench for ARM 8.50

• 配置工具：SmartRF Studio 7

4.2 射频配置

使用 SmartRF Studio 7 生成配置代码，关键参数如下：

生成的配置结构体直接集成到固件中，通过函数 RF_open() 和 RF_postCmd() 调用。

4.3 自定义命令协议

为实现 PC 软件与 dongle 的通信，定义了一套简单的帧格式：

支持的命令：

• CMD_SET_FREQ：切换频段

• CMD_SET_TX：发送自定义数据包

• CMD_SET_RX：进入接收模式

• CMD_GET_RSSI：读取当前 RSSI

• CMD_FW_UPDATE：进入固件升级模式

4.4 固件升级实现

采用 DFU (Device Firmware Upgrade) 机制：

• 上电时，如果 USB‑UART 的 DTR 信号被拉低，则进入 Bootloader 模式

• Bootloader 通过 XMODEM 协议接收新固件，写入内部 Flash

• 完成后软复位，跳转到应用程序

这种方式无需外部编程器，现场技术人员可直接通过 PC 软件升级 dongle 固件。

4.5 功耗优化

虽然 dongle 由 USB 供电，但考虑现场可能使用便携式电池组，仍对功耗进行了优化：

• 空闲时，CC1310 进入 Standby 模式（~1 μA）

• 每隔 200 ms 唤醒一次，检查 PC 是否有新指令

• 发射完成后立即切回 Standby

实测平均功耗 < 2 mA，即使使用普通移动电源也能连续工作数天。

5. 测试结果

5.1 传导测试

使用频谱仪和衰减器，直接测量 SMA 端口的输出功率（CC1310 内部 PA 设置为 +14 dBm）：

5.2 辐射测试

在开阔地（公园草坪）进行距离测试：

• 天线：SMA 接口 1/4 波长鞭状天线（433 MHz 约 17 cm）

• 发射功率：+14 dBm

• 接收端：同型号 dongle，灵敏度 –110 dBm @ 50 kbps

• 结果：稳定通信距离 > 1.2 km（无遮挡），丢包率 < 1%

在城市环境中（街道、少量树木），通信距离缩短至 300–500 米，但仍能满足多数工业现场需求。

5.3 灵敏度测试

使用信号发生器注入 –110 dBm 的 2‑GFSK 信号（50 kbps），实测 PER < 1%。将输入信号降至 –115 dBm 时，PER 升至 8%，仍能保持连接。

5.4 功耗测试

6. 现场应用案例

在某智能水表项目中，技术人员使用这款 dongle 配合 Windows 平板，对分布于一个居民小区（约 500 米范围）的 200 多个水表进行批量入网和参数配置。

遇到的问题及解决方案：

• 问题 1：部分水表位于地下室，信号无法到达
  解决：使用外接 5 dBi 高增益天线，并将 dongle 放置在室外窗口附近，通过 USB 延长线连接平板。

• 问题 2：现场 2.4 GHz 干扰严重，导致首次入网失败率高
  解决：利用 dongle 的频谱扫描功能（固件内实现），选择干扰最小的信道（915 MHz 频段共有 10 个信道，间隔 1 MHz），手动配置水表工作信道。

• 问题 3：个别水表固件版本过低，无法解析新命令
  解决：通过 dongle 的 DFU 功能，将水表固件批量升级，耗时约 15 分钟完成全部。

现场反馈：dongle 操作简便，软件界面清晰，调试效率较以往使用手持终端提升约 3 倍。

7. 总结与经验教训

回顾整个设计过程，以下几点对项目成功至关重要：

1. 尊重参考设计，但不盲从
   TI 的参考设计提供了一个很好的起点，但实际 layout 差异导致匹配网络需要重新调试。预留 π 型网络是明智的决策。

2. 工具链熟练度
   网络分析仪和频谱仪是射频调试的必备工具。花时间学习 Smith 圆图分析和谐波抑制技巧，回报远超预期。

3. 软硬件协同设计
   早期定义好命令协议和 DFU 机制，避免了后期大量返工。将固件升级能力交给现场用户，大幅降低了维护成本。

4. 现场反馈迭代
   第一批样机交付后，收集了现场工程师的使用反馈，针对“信道选择不直观”“天线接口容易松动”等问题进行了改进。

5. 开源的价值
   将项目开源后，收到了来自欧洲、北美、东南亚多位工程师的改进建议，包括增加 LoRa 调制支持、优化 Bootloader 稳定性等，这些反馈直接体现在下一版设计中。

如果你也在开发类似的 Sub‑1GHz 调试工具，希望这份笔记能帮你少走一些弯路。欢迎在 GitHub 上提 issue 或 PR，共同完善这个项目。