基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)病房呼叫系統便攜端設計

1 引言

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，是為了滿(mǎn)足小型廉價(jià)設備的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。ZigBee 是一種用于無(wú)線(xiàn)連接的全球標準，標準建立的重點(diǎn)是可靠性、低成本、長(cháng)電池壽命和容易應用。不僅是簡(jiǎn)單的線(xiàn)纜互連的替代方案，而且能在不同ZigBee 設備之間即連即用的建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，方便的實(shí)現數據通信、交換，同時(shí)具有低功耗、較高數據傳輸速率、低成本等特點(diǎn)。利用Zighee 技術(shù)的低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸和自組網(wǎng)功能，可以實(shí)現隔離監護、動(dòng)態(tài)監護.ZigBee 技術(shù)與局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結合，還可以實(shí)現遠程監護、家庭保健監護,是實(shí)現無(wú)線(xiàn)病房呼叫服務(wù)的理想選擇。

2 系統方案設計

系統網(wǎng)絡(luò )方案是采用的新興的ZigBee 無(wú)線(xiàn)技術(shù)，由于ZigBee 提供免費的協(xié)議棧，所以我們在開(kāi)發(fā)應用程序中使用這些協(xié)議棧提供的底層函數時(shí)不需要額外付費。再加上ZigBee具有網(wǎng)絡(luò )容量大可以支持大量的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、安全及時(shí)延短、使用頻段為2.4GHz 的免執照頻段等特點(diǎn)，可以很好的滿(mǎn)足設計的需要。

本研究方案采用MCU 和RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案。其方案優(yōu)點(diǎn)是方案靈活性高，有很好的可擴展性。硬件設計方案選擇為MSP430F4618+CC2420 的雙芯片解決方案。

MSP430FG4618 是具有100 個(gè)引腳的16 位超低功耗MCU:

在主動(dòng)模式下，工作在1MHz 情況下，耗電為400uA;在待機模式下，僅為1.3uA;在RAM 保持關(guān)閉模式下，僅為0.22uA.具有5 種節電模式；從待機狀態(tài)喚醒的時(shí)間小于6uS.

它還擁有豐富的片上資源：具有116KB 閃存、8KB RAM、12 位ADC、雙DAC、DMA、3 個(gè)OPAMP和16 段LCD,采用外部8MHz 晶振（時(shí)鐘），主要功能是根據用戶(hù)的命令，完成按鍵檢測、液晶顯示以及數據的發(fā)送與接收。它提供兩個(gè)雙工串口UART0、UART1,可實(shí)現與天線(xiàn)控制器和MODEM 的異步數據通信，并可用UART 多串口擴展芯片（SP2338DP）按需要將其擴展至多個(gè)較高波特率的UART 串口，由于界面顯示程序占用較大的RAM 和Flash,并且要求較高的運算速率，MSP430FG4618 系列恰能滿(mǎn)足設計要求。

CC2420 是Chipcon 公司（現屬于TI公司）推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4 標準的射頻收發(fā)器[3].該器件是第一款適用于ZigBee 產(chǎn)品的RF 器件。它基于Chipcon 公司的SmartRF03 技術(shù)，以0.18umCMOS 工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。

CC2420 的選擇性和敏感性指數超過(guò)了IEEE 802.15.4 標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳輸率高達250kbps,可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

系統設計時(shí)預留了調試端口。JTAG 接口用來(lái)調試和下載程序。RS232 串口提供調試信息輸出并用于與PC 機交互。RF 插座可以插入功能完好的射頻模塊進(jìn)行調試，且引出測試點(diǎn)易于測量波形。由于射頻電路不易調試，出現問(wèn)題時(shí)不容易定位錯誤點(diǎn)。也要先預留調試接口，可以先試用確保功能正確的獨立RF 模塊調試電路板基本功能，最后焊接電路板上的RFIC和天線(xiàn)匹配電容、電感，以提高調試效率。

采用本方案設計的好處是硬件平臺只需要十分少的外部元器件和設備，相應的需要的元器件就成本低，并且該平臺可以穩定的運行。

由于便攜終端采用電池供電，同時(shí)低功耗也是ZigBee 系統應用成功的關(guān)鍵，所以低功耗自然也是本系統設計所追求的目標。為了最大程度地降低系統的功耗，從硬件設計角度考慮，我們在硬件方面采用以低功耗而聞名的TI 公司的MSP430 系列處理器，無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片采用毫安級別的CC2420 芯片，兩者組合的硬件平臺在功率消耗方面表現十分出色；從軟件設計角度考慮，也可以利用好MSP340F4618 芯片的節電模式，根據需要采用看門(mén)狗、中斷以及定時(shí)器的方式來(lái)喚醒設備進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，其余的時(shí)間設備都處在幾乎不消耗電能的睡眠狀態(tài)以降低系統功耗。

3 系統呼叫模塊硬件設計

我們根據實(shí)際的應用需求設計出電路的總體結構，從功能模塊角度劃分可以分為幾個(gè)部分：MSP430 模塊、RS232 模塊、顯示模塊，聲光報警和鍵盤(pán)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,輸入設備是按鍵，輸出設備有LED 和液晶顯示芯片，與外界接口有RS232 和JTAG,上述設備可以滿(mǎn)足需要并可支持功能擴展。CC2420 和MSP430FG4618 都采用電池供電。硬件結構框圖如圖3-1 所示。

MSP430 模塊是整個(gè)系統的核心部分，本文設計的呼叫模塊是由MSP430FG4618 和外圍電路構成。

圖3-2 給出了MSP430FG4618 的核心電路，包括JATG 接口、復位電路、電源和時(shí)鐘電路。

同時(shí)，將沒(méi)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)行擴展。