ZigBee無(wú)線(xiàn)呼叫系統硬件電路 —電路圖天天讀（177）

　　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。

　　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。

　　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。

　　圖 3-1 硬件總體結構

　　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。

　　圖 3-2 MSP430FG4618 最小系統電路圖

　　為了能夠進(jìn)行串行調試，協(xié)調器節點(diǎn)和主機通過(guò)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，需要用到電平轉換芯片MAX232 將RS232 的負邏輯電平轉換成TTL 的正邏輯電平，電路設計如圖3-3 所示。

　　圖 3-3 RS232 接口電路

　　RS232 模塊與MSP430 通過(guò)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 負責RS232 的輸入輸出，P3.4 和P3.5 引腳起控制作用。在設計時(shí)在兩個(gè)I/O 引腳各加入了1 個(gè)LED 燈以方便觀(guān)察。本設計中的模塊和元件只需要一種電壓的直流電源，MSP430FG4618 和MAX3232 都需要+3.3V 直流電源。ETC 公司的AMSlll7 系列穩壓器芯片能夠提供1.5V/1.8V/2.5V/2.85V/3.3V/5.0V 穩壓直流電壓輸出，本設計選用AMSlll7-3.3 型號來(lái)得到+3.3V 電壓。

　　圖 3-4 電源電路設計

　　電源電路設計如圖3-4 所示，開(kāi)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(lái)對電源信號進(jìn)行退耦濾波處理，提高了系統的穩定性　在本設計中聲光報警裝置由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成。而鍵盤(pán)部分設計為一個(gè)3&TImes;4 的矩陣鍵盤(pán)電路。

　　無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊設計

　　CC2420 內部使用1.8V 工作電壓，因而功耗很低，適合于電池供電的設備；外部數字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)直流穩壓器，能夠把3.3V 電壓轉換成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，也可由內部電路提供。由內部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。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(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為芯片內部的PA 及LNA 提供直流偏置。

　　CC2420 通過(guò)4 線(xiàn)SPI 總線(xiàn)（SI、SO、SCLK、CSn）設置芯片的工作模式，并實(shí)現讀/寫(xiě)緩存數據，讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO 和FIFOP 管腳接口的狀態(tài)可設置發(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，其最佳差分負載是115+j180Ω阻抗匹配電路應該根據這個(gè)數值進(jìn)行調整。CC2420 具有內部發(fā)送接收（T/R）開(kāi)關(guān)電路，這就使得天線(xiàn)接口的匹配極為容易。RF 采用差動(dòng)連接；單集天線(xiàn)需要使用不平衡變壓器。通過(guò)外接直流通路，連接引腳TXRX_SWITCH到RF_P 和RF_N，實(shí)現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(kāi)的：TXFIFO 為128 字節，RXFIFO 為128 字節。

　　TXFIFO 與RXFIFO 的讀寫(xiě)可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行：

　　寄存器方式：通過(guò)讀寫(xiě)TXFIFO 寄存器（0x3E）操作128 字節的TXFIFO 通過(guò)讀寫(xiě)RXFIFO寄存器（0x3F）操作128 字節的RXFIFO.RAM 方式：直接對具體RAM 地址的讀寫(xiě)來(lái)操作指定地址的RAM 數據。TXFIFO 中同一時(shí)刻只能有一個(gè)等待發(fā)送的數據幀，RXFIFO 中同一時(shí)刻可以有多個(gè)接受到的數據幀，只要這些數據幀的總長(cháng)度不超過(guò)128 字節。CC2420 使用SFD、FIFO、FIFOP 表示收發(fā)數據的狀態(tài)。

　　ZigBee 組網(wǎng)設計

　　ZigBee 無(wú)線(xiàn)病房呼叫系統是為了彌補現有病房呼叫系統的不足、改善病房環(huán)境、減輕醫生、護士的工作量、更好的為病人服務(wù)而專(zhuān)門(mén)設計開(kāi)發(fā)的一套病房呼叫系統。房間內的呼叫節點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò )連接，由其中一個(gè)節點(diǎn)作為ZigBee 路由器，負責與中心網(wǎng)絡(luò )的連接和數據中繼轉發(fā)；所有的ZigBee 路由器組成一個(gè)星型與樹(shù)型結合的混合網(wǎng)絡(luò )，再與ZigBee中心節點(diǎn)連接，中心節點(diǎn)設置在管理中心，構建成一個(gè)完整的ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。當病人發(fā)出的服務(wù)請求會(huì )通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳到中心端，醫生或護士可以通過(guò)中心端獲得病人的信息，對請求作出及時(shí)處理。