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),主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,是為了滿足小型廉價設(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)建立的重點是可靠性、低成本、長電池壽命和容易應(yīng)用。不僅是簡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),方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、交換,同時具有低功耗、較高數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本等特點。利用Zighee 技術(shù)的低功耗無線傳輸和自組網(wǎng)功能,可以實現(xiàn)“隔離監(jiān)護(hù)”、“動態(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,還可以實現(xiàn)“遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)”、“家庭保健監(jiān)護(hù)”,是實現(xiàn)無線病房呼叫服務(wù)的理想選擇。
采用本方案設(shè)計的好處是硬件平臺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,并且該平臺可以穩(wěn)定的運行。由于便攜終端采用電池供電,同時低功耗也是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)計角度考慮,我們在硬件方面采用以低功耗而聞名的TI 公司的MSP430($2.0250) 系列處理器,無線收發(fā)芯片采用毫安級別的CC2420($4.2000) 芯片,兩者組合的硬件平臺在功率消耗方面表現(xiàn)十分出色;從軟件設(shè)計角度考慮,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
我們根據(jù)實際的應(yīng)用需求設(shè)計出電路的總體結(jié)構(gòu),從功能模塊角度劃分可以分為幾個部分:MSP430 模塊、RS232($780.5000) 模塊、顯示模塊,聲光報警和鍵盤模塊。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 模塊是整個系統(tǒng)的核心部分,本文設(shè)計的呼叫模塊是由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、電源和時鐘電路。同時,將沒有用到的芯片引腳引出放置到電路板的邊緣,方便以后需要的時候進(jìn)行擴展。
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)點和主機通過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)計時在兩個I/O 引腳各加入了1 個LED 燈以方便觀察。本設(shè)計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)計選用AMSlll7-3.3 型號來得到+3.3V 電壓。
圖 3-4 電源電路設(shè)計
電源電路設(shè)計如圖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)來對電源信號進(jìn)行退耦濾波處理,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 在本設(shè)計中聲光報警裝置由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成。而鍵盤部分設(shè)計為一個3×4 的矩陣鍵盤電路。
無線發(fā)射模塊設(shè)計
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)部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負(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,實現(xiàn)PA 和LNA 的偏置。CC2420 是一個半雙工的RF 芯片,在同一時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 個命令寄存器,每個寄存器都有一個固定的地址;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 中同一時刻只能有一個等待發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,RXFIFO 中同一時刻可以有多個接受到的數(shù)據(jù)幀,只要這些數(shù)據(jù)幀的總長度不超過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
ZigBee 無線病房呼叫系統(tǒng)是為了彌補現(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)計開發(fā)的一套病房呼叫系統(tǒng)。房間內(nèi)的呼叫節(jié)點采用星型網(wǎng)絡(luò)連接,由其中一個節(jié)點作為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 路由器組成一個星型與樹型結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò),再與ZigBee中心節(jié)點連接,中心節(jié)點設(shè)置在管理中心,構(gòu)建成一個完整的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)病人發(fā)出的服務(wù)請求會通過網(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,對請求作出及時處理。