无线病房呼叫系统便携端设计分析

　　1引言
　　
　　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。
　　
　　2系统方案设计
　　
　　系统网络方案是采用的新兴的ZigBee无线技术，由于ZigBee提供免费的协议栈，所以我们在开发应用程序中使用这些协议栈提供的底层函数时不需要额外付费。再加上ZigBee具有网络容量大可以支持大量的网络节点、安全及时延短、使用频段为2.4GHz的免执照频段等特点，可以很好的满足设计的需要。
　　
　　本研究方案采用MCU和RF收发器分离的双芯片方案。其方案优点是方案灵活性高，有很好的可扩展性。硬件设计方案选择为MSP430F4618+CC2420的双芯片解决方案。
　　
　　MSP430FG4618是具有100个引脚的16位超低功耗MCU:
　　
　　在主动模式下，工作在1MHz情况下，耗电为400uA;在待机模式下，仅为1.3uA;在RAM保持关闭模式下，仅为0.22uA.具有5种节电模式；从待机状态唤醒的时间小于6uS.
　　
　　它还拥有丰富的片上资源：具有116KB闪存、8KBRAM、12位ADC、双DAC、DMA、3个OPAMP和16段LCD,采用外部8MHz晶振（时钟），主要功能是根据用户的命令，完成按键检测、液晶显示以及数据的发送与接收。它提供两个双工串口UART0、UART1,可实现与天线控制器和MODEM的异步数据通信，并可用UART多串口扩展芯片（SP2338DP）按需要将其扩展至多个较高波特率的UART串口，由于界面显示程序占用较大的RAM和Flash,并且要求较高的运算速率，MSP430FG4618系列恰能满足设计要求。
　　
　　CC2420是Chipcon公司（现属于TI公司）推出的符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器[3].该器件是*款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18umCMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。
　　
　　CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps,可以实现多点对多点的快速组网。
　　
　　系统设计时预留了调试端口。JTAG接口用来调试和下载程序。RS232串口提供调试信息输出并用于与PC机交互。RF插座可以插入功能完好的射频模块进行调试，且引出测试点易于测量波形。由于射频电路不易调试，出现问题时不容易定位错误点。也要先预留调试接口，可以先试用确保功能正确的独立RF模块调试电路板基本功能，zui后焊接电路板上的RFIC和天线匹配电容、电感，以提高调试效率。
　　
　　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zui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系列处理器，无线收发芯片采用毫安级别的CC2420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。
　　
　　3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ChiponCC2420,微控制器采用的是TI公司的MSP430FG4618,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。
　　　　
　　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。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。
　　
　　4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。
　　　　
　　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*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。
　　
　　5ZigBee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。
　　
　　我们给出如下具体实现步骤：*步：初始化硬件驱动和MAC层。第二步：扫描信道获得并处理环境信息。节点根据信道扫描的结果作出加入网络或新建PAN网络的判断，如果节点决定新建PAN网络，那么执行第三步，否则调到第五步。第三步：建立PAN网络。其中包括以下过程：信道能量扫描、短地址信息选取、选择PAN网络ID、初始化网络设置。第四步：允许接收节点的入网请求。该部分处理关联指示原语，父节点执行完第四步后，节点己做好数据传输的准备，将不再执行第五步到第六步。第五步：加入PAN网络。在这一步中，子节点先发布一个网络查找原语currentPrimitive=NLME_NETWORK_DISCOVERY.request,之后子节点的MAC层就会执行一次主动扫描返回NLME_NETWORK_DISCOVERY.confirm,函数会据此更新邻接表，子节点就可以从搜索到的网络中选择一个父节点加入。第六步：数据传输。当子节点加入网络后，子节点和父节点就可以进行通信了。
　　
　　6结束语
　　
　　本文从医院对病房呼叫系统的实际需要出发，提出了无线病房呼叫系统便携端的硬件整体设计方案，设计出无线病房呼叫系统便携端的总体框图及硬件设计，给出了该系统的组网方案及实现步骤。该方案具有低成本、低功耗、高可靠性和可扩展性等方面的优点。