ZigBee无线呼叫系统电路 - 信号处理电子电路图

　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 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。

　　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Chipon CC2420，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。硬件结构框图如图1 所示。

　　图1  硬件总体结构

　　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。

　　图 2 MSP430FG4618 最小系统电路图

　　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 所示。

　　图 3RS232 接口电路

　　该移动音乐机器人以英飞凌16 位单片机XE162FN 处理器为核心，英飞凌开发的16/32 位微控制器具有高度系统集成、无需外设附加器件及相关软件开销、提供系统安全和故障保护机制等功能。蓝牙是一种全球开放性的、低成本的无线通信规范。另外，由于蓝牙具有传输距离远，抗干扰能力强、功耗低、传输速率高的优点，设计采用了蓝牙无线通信技术，设计主体为一轮式移动小车机器人，拥有跟随主人行走、播放音乐、遥控运行、彩灯随拍手频率闪烁以及家庭安防等多项功能。机器人的移动采用驱动直流电机带动轮子转动实现，跟随主人行走的功能由红外发射与接收来判断主人手中的手持设备和移动音乐机器人之间的方位，进而驱动机器人跟随主人行走。

　　无线遥控运行由蓝牙通信实现。在安防功能上，该移动音乐机器人配备了典型的用于检测火灾的烟雾传感器，并且如果检测到有烟雾或者煤气泄露时，本地声音报警以及通过 GSM 无线网络控制短信发送模块发送报警短信给指定的手机号码。GSM 网络是在蜂窝系统的基础上发展而来的一种无线数字网络标准，具有网络容量大、业务种类齐全、信号稳定性强、具有较高的保密性和安全性以及灵活的切换处理和自动漫游功能等众多优点。在手持设备的设计上，配备了一块320*240 的触摸屏以实现直观方便的无按键遥控控制，以及一个加速度传感器感知倾斜角度从而控制机器人运动。

　　接收电路

　　系统的智能跟随功能是通过红外实现的，音乐机器人上的红外接收器感知到红外线时，会追踪红外发射源，感知不到时，会原地旋转重新搜索红外发射源，直至 重新 定位方向。红外发射源是由10 个红外发射管组成，将10 个红外发射管均匀摆放在一个球体表面，使得红外发射源可以向四面八方辐射红外线，保证音乐机器人更加快速准确地寻找到红外发射源。红外发射管发射的载波频 率为38 kHz 占空比为50%的方波。红外的发射和接收电路如图4所示，10.0 连接一个普通I/O 引脚，控制红外线的通断，即接通4 ms，然后关断11 ms，反复进行接通与关断。 连接一路PWM 方波，方波的频率是38 kHz.一共有10 路红外发射管。

　　红外接收装置采用2 个红外接收器1838，分别安装在音乐机器人的头部和尾部。两个接收器的输出引脚分别连接单片机的10.2 和10.7 引脚。红外接收器1838 对38 kHz 频率的红外线敏感，所以红外接收器1838 可以检测到红外发射源的方位，从而驱动电机向外发射源的方向前进。

　　图4 智能跟随红外发送接收电路

　　拍手信号捕获电路设计

　　拍手彩灯功能的实现主要分为拍手信号的捕获和彩灯的旋转点亮，彩灯的旋转点亮较为简单，但拍手信号捕获上由于拍手产生的信号不是标准的阶跃信号，当用示波器进行波形的观察时，实际上波形在上升沿和下降沿的地方出现比较多的毛刺，也就是说一次拍手信号产生了多次阶跃信号。如果单片机记录2 次上升沿的时间间隔时，由于毛刺的存在，使得单片机错误的将毛刺当做上升沿而捕捉，造成两次上升沿的时间间隔的变小。解决的办法是利用包络检测电路进行包络检测，再通过电压比较器选取合适的比较电压值，从而产生比较理想的阶跃信号，即一次拍手产生一次阶跃信号。

　　电路利用麦克风采集声音信号，然后利用LM324 对采集来的信号进行比例放大，放大的比例为100 倍，然后接过两个1N5819 和一个104 独石电容进行包络线检测，最后利用LM358 作为电压比较器，利用1 K 电阻和880Ω电阻分压获得比较电压值，其电路如图5 所示。机器人的移动采用驱动直流电机带动轮子转动实现，即控制直流电机的正反转和速度，系统直流电机驱动芯片采用SGS 公司的L298N，内部有4 通道逻辑驱动电路。用三极管组成H 型平衡桥，驱动功率大，驱动能力强。同时H 型PWM 电路工作在晶体管的饱和状态与截止状态，具有非常高的效率。

　　图 5 拍手信号捕获电路

　　直流电机驱动电路设计

　　电机的转速取决于3 个因素：负载、电压和电流。对于一个给定的负载，可以通过脉冲宽度调制的方法来使电机保持稳定的速度。通过改变施加在直流电机上的脉冲宽度，可以增加或减小电机的转速。调整脉冲宽度，即改变占空比，调整电机的速度。驱动板采用6 个高速光耦6N137 实现驱动电路与逻辑电路的隔离，这样可以有效地避免驱动电路与逻辑电路之间的相互干扰。驱动板的电路原理图如图6所示。

　　图6 直流电机驱动电路

　　通过软件编程可以自由改变单片机两路PWM脉冲信号的占空比，电机的A 端连接PWM 脉冲信号，电机的B 端连接单片机的一个I/O 引脚。当这个I/O 引脚置1 时，电流从电机的B 端流向电机的A 端;当这个I/O 引脚置0 时，电流从电机的A 端流向电机的B 端，这样电机就可以改变电机旋转方向，同时控制PWM 脉冲信号的占空比值还可以改变电机旋转速度，实现转向和转速的控制。