一种低功耗无线呼叫系统的设计与实现.doc

PAGE PAGE 1 一种低功耗无线呼叫系统的设计与实现 　　【摘要】设计了基于CC2430射频芯片和CC2591功放芯片的硬件节点，并根据ZigBee联盟所定义的标准，对ZigBee协议进行研究，然后移植和修改精简协议栈代码，再编写无线呼叫系统的应用程序和相关驱动程序，最后在硬件节点之间实现一个具有电池检测功能的低功耗的无线呼叫系统。实验证明，该设计可扩展性强，节点功耗低，能够满足无线呼叫系统的基本需求。 　　【关键词】ZigBee；无线呼叫；CC2430；CC2591 　　传统的呼叫系统多是有线的，多采用单片机系统、主机和呼叫器通过导线相连，包括电源线、信号线、地线，这样的系统存在着布线繁琐、成本高等问题；而现有的大多数无线呼叫系统也存在系统功耗大、节点体积相对较大等缺点，这与便携式设备尽量小型化、集成化、省电式的要求不相符合。为了解决这个矛盾，本文选取ZigBee协议作为底层通讯协议，提出了基于ZigBee技术的无线呼叫系统，实现了低成本、低功耗、高服务质量的系统要求。 　　1.设计方案 　　该呼叫系统是由一个网络协调器（Coo-rdinator）节点、若干个RFD（呼叫器）节点、几个路由器（Router）节点组成的簇状网络[2]，其框架如图1所示。上位机通过串口与一个ZigBee模块连接，该模块属于全功能设备（FFD，Full　Function　Device），负责建立和管理网络，称为ZigBee网络协调器，它可以通过PC机串口来保存和显示相应信息。下位机的绝大多数ZigBee模块也是FFD，而RFD（Reduced　Function　Device）设备总是作为簇状网络的叶设备连接到网络中。任意一个FFD都可初始化为普通终端设备或者网络协调器、路由器，为其他设备提供同步信息，但一个网络只能有一个网络协调器。当网络协调器组建网络成功后，路由器和普通RFD设备可以直接与网络协调器取得关联，加入网络，也可以通过上级路由器与网络协调器取得关联，加入网络。 　　2.硬件电路设计 　　2.1　无线呼叫系统网络协调器模块 　　网络中协调器兼顾了控制、仲裁、处理的功能[3]。该模块上有射频模块、蜂鸣器、复位电路、IDC10下载器插槽、串口模块。蜂鸣器鸣叫用于提示接收到一个信息。该系统中节点天线设计有两种：带SMA头的射频天线，PCB布线天线。相比较而言，采用SMA头的射频天线，节点性能更稳定，但成本相对更高。本无线呼叫系统中网络协调器的天线用了带SMA头的接收性能比较好的射频天线。网络协调器的电路框图如图2所示。 　　2.2　无线呼叫系统呼叫器模块 　　呼叫器节点由电池供电，上面有射频模块、复位电路、IDC10下载器插槽、电池盒、两个LED、两个按钮。一个按钮用于故障报警，另一个按钮用于其他服务。该呼叫器节点的电路框图如图3所示，其中呼叫节点天线采用PCB布线天线。相比较网络协调器的那种射频天线而言，成本相对降低。路由器节点的硬件设计与呼叫器相同，只在软件设计方面有所不同。 　　2.3　ZigBee射频收发模块 　　ZigBee模块的性能，是影响整个呼叫系统的关键。本文的ZigBee模块采用CC2430和CC2591功放的结合[4-5]，由于CC2591内部集成了RF匹配网络，所以在RF输入/输出部分不需要增加额外的匹配网络，其硬件设计原理如图4所示，为了图形的直观性，电源及滤波电容、数字I/O口、ADC接口并未在图中标出。 　　图4中R1和R2是偏置电阻。R1为32MHz晶振设置精确的偏置电流，R2用于RF部分的电流参考发生器。 　　CC2430芯片的主时钟是由外部晶振XTAL1和两个负载电容C14、C15提供的。定时器/计数器1、2、3、4都工作于该时钟。此时钟还提供给8051所有的外设。时钟的控制通过使用SFR寄存器CLKCON来实现。而XTAL2和电容C1、C2用来产生32.768KHz的时钟，该时钟主要为CC2430和CC2591在休眠的时候提供时序。此外，该时钟还可以通过CC2430内部的32KHz的RC振荡器来产生。 　　CC2591的HGM、EN、PA_EN引脚都连接到CC2430闲置的I/O口，由单片机来控制。当HGM为高电平，表示CC2591接收数据时，LNA是高增益模式；当HGM为低电平，表示CC2591接收数据时，LNA是低增益模式。而EN引脚和PA_EN引脚在CC2591正常工作时候置为高电平，当其进入低功耗模式时候，将其置为低电平，这样可以（下转第137页）（上接第134页）降低功耗。 　　3.软件设计 　　无线呼叫系统软件设计主要包括三部分：ZigBee协议栈的实现，基于CC2430和CC2591硬件驱动的编写，无线呼叫系统的应用程序实现，包括人机界面，呼叫请求和处理、电池检测、低功耗功能等。