ZigBee無線呼叫系統(tǒng)硬件電路

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。ZigBee 是一種用于無線連接的全球標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)建立的重點(diǎn)是可靠性、低成本、長(zhǎng)電池壽命和容易應(yīng)用。不僅是簡(jiǎn)單的線纜互連的替代方案，而且能在不同ZigBee 設(shè)備之間“即連即用”的建立無線網(wǎng)絡(luò)，方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、交換，同時(shí)具有低功耗、較高數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本等特點(diǎn)。利用Zighee 技術(shù)的低功耗無線傳輸和自組網(wǎng)功能，可以實(shí)現(xiàn)“隔離監(jiān)護(hù)”、“動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)”.ZigBee 技術(shù)與局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，還可以實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)”、“家庭保健監(jiān)護(hù)”，是實(shí)現(xiàn)無線病房呼叫服務(wù)的理想選擇。

采用本方案設(shè)計(jì)的好處是硬件平臺(tái)只需要十分少的外部元器件和設(shè)備，相應(yīng)的需要的元器件就成本低，并且該平臺(tái)可以穩(wěn)定的運(yùn)行。由于便攜終端采用電池供電，同時(shí)低功耗也是ZigBee 系統(tǒng)應(yīng)用成功的關(guān)鍵，所以低功耗自然也是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。為了最大程度地降低系統(tǒng)的功耗，從硬件設(shè)計(jì)角度考慮，我們?cè)谟布矫娌捎靡缘凸亩劽腡I 公司的MSP430($2.0250) 系列處理器，無線收發(fā)芯片采用毫安級(jí)別的CC2420($4.2000) 芯片，兩者組合的硬件平臺(tái)在功率消耗方面表現(xiàn)十分出色;從軟件設(shè)計(jì)角度考慮，也可以利用好MSP340F4618 芯片的節(jié)電模式，根據(jù)需要采用看門狗、中斷以及定時(shí)器的方式來喚醒設(shè)備進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，其余的時(shí)間設(shè)備都處在幾乎不消耗電能的睡眠狀態(tài)以降低系統(tǒng)功耗。

系統(tǒng)呼叫模塊硬件設(shè)計(jì)

我們根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)出電路的總體結(jié)構(gòu)，從功能模塊角度劃分可以分為幾個(gè)部分：MSP430 模塊、RS232($780.5000) 模塊、顯示模塊，聲光報(bào)警和鍵盤模塊。其中射頻芯片采用的是Chipon CC2420，微控制器采用的是TI 公司的MSP430FG4618($9.3938)，輸入設(shè)備是按鍵，輸出設(shè)備有LED 和液晶顯示芯片，與外界接口有RS232 和JTAG，上述設(shè)備可以滿足需要并可支持功能擴(kuò)展。CC2420 和MSP430FG4618 都采用電池供電。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1 所示。

圖 3-1 硬件總體結(jié)構(gòu)

MSP430 模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，本文設(shè)計(jì)的呼叫模塊是由MSP430FG4618 和外圍電路構(gòu)成。圖3-2 給出了MSP430FG4618 的核心電路，包括JATG 接口、復(fù)位電路、電源和時(shí)鐘電路。同時(shí)，將沒有用到的芯片引腳引出放置到電路板的邊緣，方便以后需要的時(shí)候進(jìn)行擴(kuò)展。

圖 3-2 MSP430FG4618 最小系統(tǒng)電路圖

為了能夠進(jìn)行串行調(diào)試，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和主機(jī)通過RS232 接口進(jìn)行連接，RS232 可以提供多種不同速率的低速通信。RS232 采用負(fù)邏輯，即：邏輯“1”為-5V~15V，邏輯“0”為+5V~+15V，噪聲容限為2V.由于RS232 電平與單片機(jī)電平不兼容，需要用到電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232($3.1579) 將RS232 的負(fù)邏輯電平轉(zhuǎn)換成TTL 的正邏輯電平，電路設(shè)計(jì)如圖3-3 所示。

圖 3-3 RS232 接口電路

RS232 模塊與MSP430 通過一組UART 管腳和兩個(gè)I/O 引腳P3.4 和P3.5 連接，UART 的TX 和RX 負(fù)責(zé)RS232 的輸入輸出，P3.4 和P3.5 引腳起控制作用。在設(shè)計(jì)時(shí)在兩個(gè)I/O 引腳各加入了1 個(gè)LED 燈以方便觀察。本設(shè)計(jì)中的模塊和元件只需要一種電壓的直流電源，MSP430FG4618 和MAX3232($0.7500) 都需要+3.3V 直流電源。ETC 公司的AMSlll7 系列穩(wěn)壓器芯片能夠提供1.5V/1.8V/2.5V/2.85V/3.3V/5.0V 穩(wěn)壓直流電壓輸出，本設(shè)計(jì)選用AMSlll7-3.3 型號(hào)來得到+3.3V 電壓。

圖 3-4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)如圖3-4 所示，開關(guān)的引腳1 接外部的電池組，利用0.1uF 的電容和470uF的電解電容并聯(lián)來對(duì)電源信號(hào)進(jìn)行退耦濾波處理，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性　在本設(shè)計(jì)中聲光報(bào)警裝置由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成。而鍵盤部分設(shè)計(jì)為一個(gè)3×4 的矩陣鍵盤電路。

無線發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

CC2420 內(nèi)部使用1.8V 工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設(shè)備;外部數(shù)字I/O接口使用3.3V 電壓，這樣可以保持和3.3V 邏輯期間的兼容性。它在片上集成了一個(gè)直流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V 電壓轉(zhuǎn)換成1.8V 電壓。

圖 4-1 CC2420 外圍電路圖

圖4-1 給出了CC2420 外圍電路圖。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。本文采用16MHz 晶振，電容值為22pF.如果使用外部時(shí)鐘，直接從XOSC16_Q1 引腳引入，XOSC16_Q2 引腳保持懸空;如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶體接在XOSC16_Q1 和XOSC16_Q2 引腳之間。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA 及LNA 提供直流偏置。

CC2420 通過4 線SPI 總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO 和FIFOP 管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。CC2420 射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式進(jìn)行傳輸，其最佳差分負(fù)載是115+j180Ω阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。CC2420 具有內(nèi)部發(fā)送接收(T/R)開關(guān)電路，這就使得天線接口的匹配極為容易。RF 采用差動(dòng)連接;單集天線需要使用不平衡變壓器。通過外接直流通路，連接引腳TXRX_SWITCH到RF_P 和RF_N，實(shí)現(xiàn)PA 和LNA 的偏置。CC2420 是一個(gè)半雙工的RF 芯片，在同一時(shí)刻只處于一種工作狀態(tài)，或者出于發(fā)送狀態(tài)，或者處于接收狀態(tài);CC2420 有15 個(gè)命令寄存器，每個(gè)寄存器都有一個(gè)固定的地址;CC2420的發(fā)送緩沖與接收緩沖是分開的：TXFIFO 為128 字節(jié)，RXFIFO 為128 字節(jié)。

TXFIFO 與RXFIFO 的讀寫可以通過兩種方式進(jìn)行：

寄存器方式：通過讀寫TXFIFO 寄存器(0x3E)操作128 字節(jié)的TXFIFO 通過讀寫RXFIFO寄存器(0x3F)操作128 字節(jié)的RXFIFO.RAM 方式：直接對(duì)具體RAM 地址的讀寫來操作指定地址的RAM 數(shù)據(jù)。TXFIFO 中同一時(shí)刻只能有一個(gè)等待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，RXFIFO 中同一時(shí)刻可以有多個(gè)接受到的數(shù)據(jù)幀，只要這些數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度不超過128 字節(jié)。CC2420 使用SFD、FIFO、FIFOP 表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

ZigBee 組網(wǎng)設(shè)計(jì)

ZigBee 無線病房呼叫系統(tǒng)是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有病房呼叫系統(tǒng)的不足、改善病房環(huán)境、減輕醫(yī)生、護(hù)士的工作量、更好的為病人服務(wù)而專門設(shè)計(jì)開發(fā)的一套病房呼叫系統(tǒng)。房間內(nèi)的呼叫節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)連接，由其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為ZigBee 路由器，負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā);所有的ZigBee 路由器組成一個(gè)星型與樹型結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)，再與ZigBee中心節(jié)點(diǎn)連接，中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在管理中心，構(gòu)建成一個(gè)完整的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)病人發(fā)出的服務(wù)請(qǐng)求會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳到中心端，醫(yī)生或護(hù)士可以通過中心端獲得病人的信息，對(duì)請(qǐng)求作出及時(shí)處理。