ZigBee无线呼叫系统硬件电路

来源:电子发烧友 作者: 时间:2017-04-05 13:49

硬件电路 ZigBee 无线呼叫

  ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适用于自动控制和远程控制领域,是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。ZigBee 是一种用于无线连接的全球标准,标准建立的重点是可靠性、低成本、长电池寿命和容易应用。不仅是简单的线缆互连的替代方案,而且能在不同ZigBee 设备之间“即连即用”的建立无线网络,方便的实现数据通信、交换,同时具有低功耗、较高数据传输速率、低成本等特点。利用Zighee 技术的低功耗无线传输和自组网功能,可以实现“隔离监护”、“动态监护”.ZigBee 技术与局域网、互联网技术相结合,还可以实现“远程监护”、“家庭保健监护”,是实现无线病房呼叫服务的理想选择。

  采用本方案设计的好处是硬件平台只需要十分少的外部元器件和设备,相应的需要的元器件就成本低,并且该平台可以稳定的运行。由于便携终端采用电池供电,同时低功耗也是ZigBee 系统应用成功的关键,所以低功耗自然也是本系统设计所追求的目标。为了最大程度地降低系统的功耗,从硬件设计角度考虑,我们在硬件方面采用以低功耗而闻名的TI 公司的MSP430($2.0250) 系列处理器,无线收发芯片采用毫安级别的CC2420($4.2000) 芯片,两者组合的硬件平台在功率消耗方面表现十分出色;从软件设计角度考虑,也可以利用好MSP340F4618 芯片的节电模式,根据需要采用看门狗、中断以及定时器的方式来唤醒设备进入正常的工作状态,其余的时间设备都处在几乎不消耗电能的睡眠状态以降低系统功耗。

  系统呼叫模块硬件设计

  我们根据实际的应用需求设计出电路的总体结构,从功能模块角度划分可以分为几个部分:MSP430 模块、RS232($780.5000) 模块、显示模块,声光报警和键盘模块。其中射频芯片采用的是Chipon CC2420,微控制器采用的是TI 公司的MSP430FG4618($9.3938),输入设备是按键,输出设备有LED 和液晶显示芯片,与外界接口有RS232 和JTAG,上述设备可以满足需要并可支持功能扩展。CC2420 和MSP430FG4618 都采用电池供电。硬件结构框图如图3-1 所示。

  MSP430 模块是整个系统的核心部分,本文设计的呼叫模块是由MSP430FG4618 和外围电路构成。图3-2 给出了MSP430FG4618 的核心电路,包括JATG 接口、复位电路、电源和时钟电路。同时,将没有用到的芯片引脚引出放置到电路板的边缘,方便以后需要的时候进行扩展。

  为了能够进行串行调试,协调器节点和主机通过RS232 接口进行连接,RS232 可以提供多种不同速率的低速通信。RS232 采用负逻辑,即:逻辑“1”为-5V~15V,逻辑“0”为+5V~+15V,噪声容限为2V.由于RS232 电平与单片机电平不兼容,需要用到电平转换芯片MAX232($3.1579) 将RS232 的负逻辑电平转换成TTL 的正逻辑电平,电路设计如图3-3 所示。

  RS232 模块与MSP430 通过一组UART 管脚和两个I/O 引脚P3.4 和P3.5 连接,UART 的TX 和RX 负责RS232 的输入输出,P3.4 和P3.5 引脚起控制作用。在设计时在两个I/O 引脚各加入了1 个LED 灯以方便观察。本设计中的模块和元件只需要一种电压的直流电源,MSP430FG4618 和MAX3232($0.7500) 都需要+3.3V 直流电源。ETC 公司的AMSlll7 系列稳压器芯片能够提供1.5V/1.8V/2.5V/2.85V/3.3V/5.0V 稳压直流电压输出,本设计选用AMSlll7-3.3 型号来得到+3.3V 电压。

  电源电路设计如图3-4 所示,开关的引脚1 接外部的电池组,利用0.1uF 的电容和470uF的电解电容并联来对电源信号进行退耦滤波处理,提高了系统的稳定性 在本设计中声光报警装置由蜂鸣器和发光二极管组成。而键盘部分设计为一个3×4 的矩阵键盘电路。

  无线发射模块设计

  CC2420 内部使用1.8V 工作电压,因而功耗很低,适合于电池供电的设备;外部数字I/O接口使用3.3V 电压,这样可以保持和3.3V 逻辑期间的兼容性。它在片上集成了一个直流稳压器,能够把3.3V 电压转换成1.8V 电压。

  图4-1 给出了CC2420 外围电路图。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供,也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容,电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。本文采用16MHz 晶振,电容值为22pF.如果使用外部时钟,直接从XOSC16_Q1 引脚引入,XOSC16_Q2 引脚保持悬空;如果使用内部晶体振荡器,晶体接在XOSC16_Q1 和XOSC16_Q2 引脚之间。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗,使其输入输出阻抗为50Ω,同时为芯片内部的PA 及LNA 提供直流偏置。

  CC2420 通过4 线SPI 总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据,读/写状态寄存器等。通过控制FIFO 和FIFOP 管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。CC2420 射频信号的收发采用差分方式进行传输,其最佳差分负载是115+j180Ω阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。CC2420 具有内部发送接收(T/R)开关电路,这就使得天线接口的匹配极为容易。RF 采用差动连接;单集天线需要使用不平衡变压器。通过外接直流通路,连接引脚TXRX_SWITCH到RF_P 和RF_N,实现PA 和LNA 的偏置。CC2420 是一个半双工的RF 芯片,在同一时刻只处于一种工作状态,或者出于发送状态,或者处于接收状态;CC2420 有15 个命令寄存器,每个寄存器都有一个固定的地址;CC2420的发送缓冲与接收缓冲是分开的:TXFIFO 为128 字节,RXFIFO 为128 字节。

  TXFIFO 与RXFIFO 的读写可以通过两种方式进行:

  寄存器方式:通过读写TXFIFO 寄存器(0x3E)操作128 字节的TXFIFO 通过读写RXFIFO寄存器(0x3F)操作128 字节的RXFIFO.RAM 方式:直接对具体RAM 地址的读写来操作指定地址的RAM 数据。TXFIFO 中同一时刻只能有一个等待发送的数据帧,RXFIFO 中同一时刻可以有多个接受到的数据帧,只要这些数据帧的总长度不超过128 字节。CC2420 使用SFD、FIFO、FIFOP 表示收发数据的状态。

  ZigBee 组网设计

  ZigBee 无线病房呼叫系统是为了弥补现有病房呼叫系统的不足、改善病房环境、减轻医生、护士的工作量、更好的为病人服务而专门设计开发的一套病房呼叫系统。房间内的呼叫节点采用星型网络连接,由其中一个节点作为ZigBee 路由器,负责与中心网络的连接和数据中继转发;所有的ZigBee 路由器组成一个星型与树型结合的混合网络,再与ZigBee中心节点连接,中心节点设置在管理中心,构建成一个完整的ZigBee 无线网络。当病人发出的服务请求会通过网络传到中心端,医生或护士可以通过中心端获得病人的信息,对请求作出及时处理。



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