病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点设计研究（设计成果+说明书+任务书+开通报告）

摘要设计了病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点。在确定无线对讲方式的系统总体设计方案的基础上，采用ZigBee无线传感器通信技术、语音编码技术、嵌入式技术研制了病员紧急呼叫节点。分析了语音处理和ZigBee通信技术的原理，选用TMS320VC5402数字信号处理器、TLV320AIC23音频采样模块、ZigBee无线通信模块等设计了病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点的硬件。利用IAR和CCS集成开发环境，编写了语音处理、无线收发及主机访问等程序。测试结果表明，该节点能够完成短距离内的紧急呼叫和无线对话。关键词无线传感器网络，时分双工，语音呼叫AbstractTheWSN(wirelesssensornetwork)nodeforemergencycallisdesigned.Theworkingmodeofwirelesstalkbackmethodisadoptedinthisarticle.ThetechnologyofZigBee,voicecodingandembeddedareusedtodesignthenodeforpatientsinemergencyconditions.TheprinciplesofWSNandvoiceprocessingareanalyzed.TheintegratedcomponentsofTMS320VC5402,TLV320AIC23audiosamplingmoduleandCC2430areusedinthehardwaredesigning.ThecodeforrealizethefunctionslikeVoiceprocessing,wirelesstransmissionandPCaccessionarewritteninIARworkbenchandCCSsoftware.ItisresultedthattheemergencycallandvoicetransmissionattheshortdistancecanbecompletedeasilybyusingtheWSNnodedevelopedbythisarticle.KeywordsWirelessSensorNetwork,TimeDivisionDuplex,voicecall目录1引言.11.1课题研究背景及意义.11.2国内外研究与应用状况.11.3课题研究的主要内容.32病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点总体设计方案.42.1节点功能需求分析.42.2节点硬件组成.42.3节点数据处理过程.52.4小结.63病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点硬件设计.63.1节点硬件设计性能要求指标.63.2处理器电路设计.63.2.1TMS320VC5402芯片.63.2.2McBSP接口.73.2.3HPI接口.73.2.4处理器原理图.83.3音频电路设计.93.3.1TLV320AIC23芯片.93.3.2AIC23模拟接口电路设计.93.3.3AIC23数字音频接口原理.103.3.4AIC23控制接口原理.103.3.5音频电路原理图.113.4无线收发模块设计.113.4.1设计要求.113.4.2模块组成.123.4.3电路设计.123.4.4PCB设计.133.4.5电路制作.133.5接口电路设计.143.5.1数字音频接口设计.143.5.2AIC23控制接口设计.143.5.3主机访问接口设计.153.5.4按键接口设计.163.6电源电路设计.163.6.1设计要求.163.6.2电路设计.173.7硬件电路PCB板设计.173.8小结.184病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点嵌入式程序设计.184.1节点程序功能.184.2节点语音处理程序设计.194.2.1语音处理功能.194.2.2语音处理技术.204.2.3语音处理程序流程图.214.2.4语音处理代码.224.3无线通信程序设计.234.3.1无线通信功能.234.3.2无线通信技术.244.3.3无线通信程序流程图.254.3.4无线通信代码.264.4主机访问程序设计.274.4.1主机访问功能.274.4.2主机访问技术.274.4.3主机访问程序流程图.284.4.4主机访问代码.284.5小结.305病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点性能测试.305.1节点实物照片.305.2节点语音通信测试.305.2.1功能测试.305.2.2性能测试.315.3小结.33总结与展望.34致谢.35参考文献.361引言1.1课题研究背景及意义无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是由大量分布的不同规格和功能的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点通过自组织的方式构成的一个小范围的无线网络1。大量传感器节点通过相互之间的分工协作，可实时感知、监测和采集分布区域内的监测对象或周围环境的信息2。在医院，病人分布密集，人数众多，而要对每个病人的身体情况进行实时监测记录的确很困难。医院护士不可能每时每刻都陪伴着每个病人，为其提供服务或记录其身体恢复情况。随着无线电技术的发展，病员呼叫系统从传统的有线振铃发展到目前的无线对讲系统，当病人需要帮助，而身边没有护士或家人时，就可以通过呼叫器对服务台求助。在“病员紧急呼叫系统”中引入无线传感器网络的概念是一个创新，它解决了传统病员呼叫系统固定有线的弊端，如果无线传感器网络覆盖了整个医院，那么病人在医院任何位置，只要身上携带了传感器节点，若病人需要帮助，就可以通过该传感器节点与服务控制台取得联系。这种传感器网络系统还可以和医院病人信息管理系统紧密结合，定时询问病情，将病员的身体反馈情况输入数据库，及时更新病员的信息数据库，医生坐在办公室也可以通过节点与病员沟通，从而增加了医生和病员的互动，也使医院的管理和服务更加方便快捷。因而病员紧急呼叫无线传感器网络节点的设计研究具有十分重要的意义。本课题主要对病员紧急呼叫无线传感器网络终端节点的部分功能进行设计研究，主要完成语音全双工无线通信。主要工作是设计相应的语音模块电路和无线收发电路，研究编写语音处理程序和无线收发程序，测试实物电路板的性能指标，并对其不良之处做进一步改进。1.2国内外研究与应用状况病员紧急呼叫系统的功能主要是用来作为病员和护士站之间信息交换的平台，它的要求是安全第一，其次是要技术指标高、性能可靠、成本低、使用方便。目前病区呼叫系统主要有：有线系统、无线系统、介于有线与无线之间的电力线载波系统等3。（1）有线系统有线系统采用得最多，它主要的优点是系统简单、可靠、功能全，适合新修病房预埋安装；缺点是安装麻烦，成本高，在没有预埋管道的楼房很难安装使用或者因为美观的原因无法安装。（2）基于电力线载波技术的病房呼叫系统基于电力线载波技术的病房呼叫系统也是一种新技术，它不用安装，成本低廉，功能介于有线和无线之间，安全性得到充分的保证；缺点是不能进行语音通话，只能向主机床送1-15种不同信息，比如“紧急呼叫”、“打针”、“换药水”等。（3）基于无线传感器网络的紧急呼叫系统病员紧急呼叫无线传感器网络系统就是基于无线传感器网络的紧急呼叫系统，它由终端节点、无线传感器网络和控制中心组成，如图1-1所示。数据传输网络是无线传感器网络，它是终端节点与控制中心之间的数据传输媒介。终端节点路由节点控制中心无线传感网络协调器图1-1病员紧急呼叫无线传感器网络拓扑结构目前，流行的无线传感器网络系统一般采用ZigBee技术。ZigBee是一种无线连接协议，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点4：低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元，并且ZigBee协议是免专利费得。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各种应用都可以灵活确定其安全属性。嵌入式数字信号处理和物联网技术为无线传感器网络赋予了更加广阔的应用舞台，无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，进行远距离传输，有着广阔的应用前景。1.3课题研究的主要内容由于病员紧急呼叫无线传感器网络系统的复杂性，本课题主要研究了病员紧急呼叫无线传感器网络系统终端节点的设计。在确定无线对讲方式的系统总体设计方案的基础上，采用ZigBee无线传感器通信技术、语音编码技术、计算机技术研制了病员紧急呼叫节点；分析了语音处理和ZigBee通信技术的原理，选用TMS320VC5402数字信号处理器、TLV320AIC23音频模块、ZigBee无线通信模块等电路设计了病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点的硬件；应用IAR嵌入式工作平台和CCS软件开发平台，编写了语音数据采集、处理与收发程序，并进行了调试和测试运行。归纳起来，主要的研究工作如下：（1）系统总体方案设计；（2）ZigBee无线通信技术的研究；（3）无线传感器网络系统节点硬件设计；（4）语音处理，实现语音基于ZigBee无线通信的程序设计；（5）整合程序代码，调试硬件电路，测试系统性能。2病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点总体设计方案2.1节点功能需求分析病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点应用于医疗监控，支持语音呼叫，多点对点通信。节点可通过按键控制呼叫建立和通话结束；在空闲状态进入呼叫状态，和在呼叫状态进入通话状态都要有明显的状态指示；节点是通过无线信道传输语音数据；具有实时全双工通信。这些功能需求可概括如下：（1）语音处理：具有采集语音模拟信号，进行量化，编码的能力，而且能解码，能将数字语音信号还原为语音模拟信号的能力。（2）无线通信：具有无线信道传输数据的能力，数据最大传输速率为250kb/s，工作频率为2.4GHz，传输范围为10m75m，能进行全双工语音通信。（3）按键控制：具有按键呼叫控制和按键挂断控制两项最基本的功能。（4）状态指示：在呼叫时，呼叫方具有呼叫进行中的状态指示，而被叫方具有被呼叫的状态指示，在通话中和空闲时也需具有各不相同状态指示。2.2节点硬件组成节点由处理器电路、控制器电路、语音采集和回放电路、按键电路和无线收发模块组成，节点硬件结构框图如图2-1所示。phone语音输出mic语音输入语音采集回放电路电源模块处理器按键LED控制器天线LED无线收发模块图2-1节点硬件结构框图语音采集回放电路包括了模拟信号放大、滤波、采集、量化、编码、解码、数模转换、功率放大等工作机制。主要完成模拟信号数字化过程和数字信号模拟化过程，便于数字信号处理和数字信号传输。处理器电路包括了处理器、时钟电路、复位电路及其接口电路，主要完成语音数字信号的实时处理，减少传输时的冗余数据和传输误码率。无线收发模块内部集成了无线单片机（控制器）、LED灯、天线及接口等。主要有电路控制和无线收发的功能，对语音采集回放电路、处理器电路及外部设备都有控制能力，并且能将处理器内的数据进行无线收发。电源模块是对系统节电供电，主要有模拟电路供电和数字电路供电，其中模拟电路供电提供3.3V的电压，数字电路提供3.3V和1.8V电压。2.3节点数据处理过程从节点的功能划分来看，节点的主要数据处理可分为语音数字信号处理、无线协议处理、按键功能处理和状态指示处理，节点数据处理过程如图2-2所示。ADPCM编解码交织和解交织数据交换语音数字信号处理数据交换TD时分双工SP简单包协议无线通信协议处理呼叫及其状态显示挂断及其状态显示空闲及其状态显示按键和LED处理图2-2节点数据处理过程按键功能处理和状态指示处理也是在无线单片机中完成的，主要完成语音呼叫的一些控制信号处理。语音呼叫状态包括呼叫建立、呼叫挂断、呼叫中和空闲中，由按键来完成不同状态的切换，由LED来显示不同状态。无线协议处理主要在无线单片机中完成的，包括语音呼叫和挂断处理，TDD（时分双工）协议处理，ZigBee中数据链路层的SPP（简单包协议）处理。其中自定义了TDD协议，并利用SPP协议完成端到端的传输。语音数字信号处理主要在数字信号处理器中完成的，包括ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）编解码，交织和解交织，和主机的高速数据交换等处理过程，其中自定义了语音数据帧格式和高速数据交换协议。2.4小结本节简要介绍了病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点的功能需求，分析了能完成这些功能的硬件电路组成和数据处理过程，并且给出了电路组成结构框图和数据处理框图。3病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点硬件设计3.1节点硬件设计性能要求指标病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点硬件支持高质量话音无线通信，工作于医疗通用的频段2.4GHz，传输距离在10-75m的范围内，话音质量需达到4.0以上。语音处理采用的数字信号处理器运算速率需达到100MIPS，可以实时编解码ADPCM编码；与语音芯片有对应的音频接口，与主机有高速数据接口，实现与主机的高速数据交换。无线收发模块的射频工作频率在2.4GHz，最大传输速率为250kb/s，完全可以支持32kb/s的话音数据时分双工通信。电源模块的设计从模拟电路和数字电路量大方面考虑，提供相对独立的电压，保证互不干扰。在节点的硬件电路设计上给出了较大的冗余空间，可以方便日后系统的更新升级。3.2处理器电路设计3.2.1TMS320VC5402芯片TMS320VC5402（以后简称VC5402）芯片性价比高，VC5402适用于语音实时处理等嵌入式应用场合。与其它“C54X”芯片一样，VC5402具有高度灵活的可操作性和高速的处理能力。其性能特点有5：（1）运算速率可达100MIPS；（2）具有先进的多总线结构，三条16位数据存储器总线和一条程序存储器总线；（3）40位算术逻辑单元（ALU），包括一个40位桶形移位器和两个40位累加器；（4）一个1717乘法器和一个40位专用加法器，允许16位带/不带符号的乘法；（5）整合维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度；（6）单周期正规化及指数译码；（7）8个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用业界最先进的定点DSPC语言编译器；（8）数据/程序寻址空间为1M16bit，内置4K16bitROM和16K16bitRAM；（9）内置可编程等待状态发生器、锁相环（PLL）时钟产生器、两个多通道缓冲串口、一个与外部处理器通信的8位并行HPI口、两个16位定时器以及6通道DMA控制器且低功耗。与“C54X”系列的其它芯片相比，VC5402具有高性能、低功耗和低价格等特点。它采用6级流水线，且当RPT（重复指令）时，一些多周期的指令就变成了单周期的指令；芯片内部RAM和ROM可根据PMST寄存器中的OVLY和DROM位灵活设置。3.2.2McBSP接口McBSP接口的控制寄存器，是用subbank寻址方案接入的。这个允许一个设置或subbank的寄存器来被接入，通过一个单一的内存位置访问。串口subbank地址寄存器（SPSA）被用作一个指针，来在subbank中选择一个特定的寄存器。串口subbank数据寄存器（SPSD）被用来访问（读或写）选定的寄存器。VC5402芯片拥有两个高速全双工多通道缓冲串口（McBSPs），它允许直接接到其他的C54x/VC54x芯片、编码器或一个系统中的其他设备。VC54x芯片的多通道缓冲串口是基于标准串行接口的设备。6在发送端，发送帧同步和时钟信号分别通过BFSX和BCLKX引脚发送的，CPU或DMA通过写数据发送寄存器（DXR）开始发送数据。被写入DXR的数据通过发送移位寄存器（XSR）移位后从BDX引脚输出。这种结构允许DXR加载下一个发送字，即使当前字发送仍在进程中。3.2.3HPI接口主机HPI的组成部分包括以下五部分7，如图3-1所示。161616HD(7-0)HPI接口控制信号HPIC寄存器ID寄存器HPIA寄存器PI控制逻辑8VC5402片内RAM片内16位数据总线图3-1HPI-8结构图HPI存储器（DARAM）。HPIRAM主要用于DSP与主机之间传送数据，也可以用作通用的双导址数据RAM或程序RAM。HPI地址寄存器（HPIA）。它只能由主机对直接访问。该寄存器中存放着当前寻址的HPI存储单元的地址。HPI数据锁存器（HPID）。它也只能由主机对其直接访问。如果当前进行读操作，则HPID中存放的是要从HPI存储器中读出的数据；如果当前进行写操作，则HPID中存放的是将要写到HPI存储器的数据。HPI控制寄存器（HPIC）。DSP和主机都能对它直接访问。HPI控制逻辑。用于处理HPI与主机之间的接口信号。3.2.4处理器原理图TMS320VC5402电路原理图如图3-2所示。图3-2TMS320VC5402电路原理图处理器电路包括TMS320VC5402数字信号处理器、LED电路、时钟电路、McBSP（多通道缓冲串行口）电路和HPI（主机端接口）电路。LED通过一个1K欧的限流电阻串联接入XF引脚，当XF为低电平时，发光二极管被点亮。时钟电路直接接一个无源晶振，并在晶振两端都接一个22pF的电容到地，起到上电加速起振的目的。DSP的多通道缓冲串行口为匹配音频接口采用5根引线，工作在从模式下。其中有输出同步信号（FSOUT）、输出数据信号（DOUT）、位同步信号（BCLK)、输入同步信号（FSIN）、输入数据信号（DIN）。DSP与无线收发模块采用8位并行口（HPI）通信，接口引脚功能可分为控制（HR/W、HDS）、地址（HBIL、HCNTL0、HCNTL1）、数据（HD0.7）及复位（RST）功能。3.3音频电路设计3.3.1TLV320AIC23芯片TLV320AIC23（以后简称AIC23）是TI公司推出的一款高性能立体声音频编解码器，内置耳机输出放大器，支持MIC和LINEIN二选一的输入方式。输入和输出都具有可编程的增益调节功能。AIC23的模/数转换器（ADC）和数/模转换器（DAC）集成在芯片内部。采用先进的-过采样技术，可以在8kHz至96kHz的采样率下提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样数据。ADC和DAC的输出信噪比分别可达90dB和100dB。同时，AIC23还具有很低的功耗（回放模式为23mW、节电模式为15w）。上述优点使得AIC23成为一款性价比非常理想的音频编解码器。3.3.2AIC23模拟接口电路设计模拟音频接口电路原理图如图3-3所示。图3-3模拟音频接口电路原理图MICIN是高阻抗低容抗输入，兼容广泛的麦克风。它具有可编程控制音量和静音功能。MICIN信号路径有两级放大电路。第一级放大是通过一个外部电阻R4来放大信号的，增益的计算公式是：8（3-1）4105RkGTLV320AIC23具有立体耳机输出端口（LHPOUT和RHPOUT），被设计成能驱动1632的立体耳机。耳机输出功能包括一个高保真音效，可编程音量控制和静音等。耳机的音量通过对数6dB73dB的调整。3.3.3AIC23数字音频接口原理模拟音频接口电路原理图如图3-4所示。图3-4数字音频接口电路原理图TLV320AIC23支持四种音频模式：（1）右声道调整；（2）左声道调整；（3）I2S模式；（4）DSP模式。这四种模式下的位流从数据最高位先输出，数据支持1632bit。数字音频接口包括时钟信号BCLK，数据信号DIN和DOUT，和同步信号LRCIN和LRCOUT。BCLK时钟信号在主模式下输出，在从模式下输入。DSP模式兼容TI公司DSP的McBSP接口，可实现无缝连接。LRCIN和LRCOUT必须连接到McBSP接口的帧同步信号。LRCIN或LRCOUT的一个下降沿开始数据的传输。左声道数据由紧跟着右声道数据的第一个数据字组成，输入的字长由IWL寄存器定义的。93.3.4AIC23控制接口原理控制接口电路原理图如图3-5所示。图3-5控制接口电路原理图TLV320AIC23有很多可编程控制功能。控制接口被用来对设备寄存器编程。该控制接口兼容SPI（3线操作）和两线操作技术。模式终端状态选择控制接口类型，模式引脚必须是硬件所支持的。一个控制字由16比特组成，从最高位开始。数据位在SCLK上升沿被捕获，而在第16个上升时钟沿后的CS上升沿捕获一数据字到AIC23。控制字由两部分构成：第一部分地址块，第二部分是数据块。3.3.5音频电路原理图TLV320AIC23音频电路原理图如图3-6所示。图3-6音频电路原理图音频电路包括：模拟音频接口电路、数字音频接口、控制接口、时钟电路及电源滤波电路。电源电路为其提供数字电路电源和模拟电路电源，防止模拟信号与数字信号产生干扰，减少电路中的噪声。音频电路的功能将模拟信号通过滤波电路再放大采集、量化编码，再经数字音频接口输出；而经数字音频接口输入的数据通过数模转换器产生模拟信号，再经滤波放大，最后经功率放大驱动立体耳机发出声音。3.4无线收发模块设计3.4.1设计要求无线收发模块支持IEEE802.15.4标准，主要采用CC2430芯片。CC2430增强型8051内核使用标准8051指令集，具有标准8051内核的性能，可以使用标准8051的汇编器和编译器进行软件开发。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHzRC振荡器。无线收发模块以CC2430为中心，集成了LED电路、天线电路、晶振及复位电路。模块引出两个电源引线，一个复位引线和17个I/O口。17个I/O口分别用来控制语音芯片、处理器、按键及程序下载等。模块其他设备包括两个LED灯和一个全向天线，为了节约成本，可将天线设计成印制天线。LED灯用来调试或发送状态显示，来电显示等状态显示。3.4.2模块组成无线收发模块由无线单片机、LED状态显示灯、天线及HPI、SPI、按键等接口组成，如图3-7所示。HPI接口无线单片机C2430天线LEDSPI接口按键接口图3-7无线收发模块组成框图无线收发模块控制器为CC2430芯片，拥有21个通用I/O口，其中P1.0、P1.1能够直接驱动LED灯。按键接口直接挂在I/O口上，SPI接口通过CS引脚片选复用了部分HPI接口的引脚。3.4.3电路设计无线收发模块电路原理图如图3-8所示。图3-8无线收发模块电路原理图CC2430有21个端口，可编程控制每个端口的功能，可以灵活分配资源。其中有2个P1.0和P1.1通过1K电阻限流与LED灯相连，能直接驱动点亮LED，有2个P2.3和P2.4与32.768kHz晶体振荡器相接，另外还有2个P2.1和P2.2用于JTAG口，提供程序下载和调试。3.4.4PCB设计无线收发模块电路PCB图的两种设计方案，如图3-9所示。图3-9无线收发模块PCB图印制电路板的设计直接关系到高频性能，要达到最大限度的减少噪声，保证传输质量。高速PCB板大致可分为以下走线模型10：（1）均匀传输线模型；（2）微带线模型；（3）带状线模型。3.4.5电路制作无线收发模块的两种设计方案的实物图，如图3-10所示。图3-10无线收发模块电路实物图无线收发模块的焊接比较困难，因为都是细小的元件，需用镊子夹住，固定焊接。因为射频的频率很高，所以对其设计就要有更高的要求，很多情况都会导致模块不能正常工作。在制作中，遇到的问题有（1）CC2430芯片底部要接地；（2）外围固体器件焊接位置要适当；（3）外围固体器件选购封装要合适；（4）板厚的影响。(a)(b)3.5接口电路设计3.5.1数字音频接口设计数字音频接口电路原理图如图3-11所示。图3-11数字音频接口电路原理图TLV320AIC23数字音频接口是高速同步串行口，支持1632位数据全双工传输，工作于DSP模式，能与VC5402的多通道缓冲串行口实现无缝连接。以主从模式共用AIC23的位同步信号BCLK，VC5402由硬件自动完成得到一帧数据放在缓存。数字音频接口时序图11，如图3-12所示。图3-12数字音频接口时序图数字音频接口共5根引线，分别是帧同步信号线FSIN/FSOUT、位同步信号线BCLK、数据输入输出引线DIN/DOUT。3.5.2AIC23控制接口设计AIC23控制接口电路原理图如图3-13所示。图3-13AIC23控制接口电路原理图AIC23控制接口电路的设计采用片选方式，复用了HPI接口中的两根引线，只要在开机时初始化音频芯片，CS将一直拉高，处于禁止修改状态。AIC23控制接口时序图12，如图3-14所示。图3-14AIC23控制接口时序图AIC23控制接口支持16位字输入，高7位为控制字地址位，低9位为控制数据位，用来设置AIC23相关参数，包括音量、静音、麦克增益、数字音频接口、AD/DA开关及滤波器开关等。接口采用SPI（三线）接口单向通信，包括片选或帧同步信号引线CS、串行输入数据引线SDIN、位同步信号SCLK。3.5.3主机访问接口设计HPI接口电路原理图如图3-13所示。图3-13AIC23控制接口电路原理图TMS320VC5402芯片的HPI8（8位主机接口），实际上是一个8位的并行端口，主机通过它可以直接访问DSP片内所有的RAM。当主机和DSP同时访问同一地址时，主机优先。由于TI的DSP芯片都是16位的，而HPI8只有8根数据线，所以数据的传输必须以字节为单位。在DSP与主机传送数据时，HPI能自动地将外部接口传来连续的8位数组合成16位后传送主机。13HPI是8位并行数据交换的接口，电路较为复杂，通过地址线和控制线写入地址，然后读取或写入的数据寄存器。该接口包括8位的数据线，2个地址线，1个读写控制线，3个数据选通线，1个地址选通线，总共需要15个I/O口驱动。3.5.4按键接口设计按键接口电路原理图如图3-14所示。图3-14按键接口电路原理图按键接口电路设计比较巧妙的利用了JTAG口上的两根I/O口。当下载程序或仿真时，按键不处于工作状态；当不在进行时，按键可以正常工作。3.6电源电路设计3.6.1设计要求电源电路输入电压为512V的直流电压，分别为数字电路和模拟电路提供稳定的电压。其中，为数字电路提供1.8V和3.3V电压，为模拟电路提供3.3V电压。14采用AMS1117稳压芯片，使得电源电路的结构简单紧凑，稳压效果好，电压精度达0.2%，电源输出电流达1A，对于这些低功耗芯片提供电源完全满足要求。3.6.2电路设计该电源电路的输入电压为+5V，经电源开关决定电源的供电使能。当打开开关供电时，分别在3个稳压芯片AMS1117上输出VCC(3.3V)、VDD(1.8V)、AVDD(3.3V)。VCC单独为数字电路提供3.3V电压，最大输出电流1A；VDD单独为数字电路提供1.8V电压，最大输出电流1A；AVDD单独为模拟电路提供3.3V电压，最大输出电流1A。电源电路原理图如图3-15所示。图3-15电源电路原理图3.7硬件电路PCB板设计节点硬件电路PCB板制图如图3-16和图3-17所示。图3-16PCB板顶层图图3-17PCB板底层图在PCB制版设计时考虑到不同的电源有不同的接地敷铜，最终汇聚在一点，尽量减少噪声干扰。在两层板的前提下，可以采取顶层与底层走交叉线、尽量加宽电源线和地线的宽度、电源线成“树杈型”、模拟区和数字区分开等原则，可以达到比较好的效果。3.8小结本节详细介绍了病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点硬件设计，首先从整体出发，介绍了整个节点电路的功能需求及组成，再分别从处理器电路设计、音频电路设计、无线收发模块设计、接口电路设计及电源电路设计等方面分层解析整个节点电路的原理。其中重点描述了无线收发模块的设计，提供了两种PCB设计方案，一种是常用的外部天线，另一种是印制天线，并且给出了实物图。另外着重解析了接口电路的设计，分别在对应模块中先介绍了接口的原理及引脚功能，再在单独小节中对数字音频接口、音频控制接口、主机访问接口及按键电路接口的设计进行描述说明。4病员紧急呼叫无线传感器网络系统节点嵌入式程序设计4.1节点程序功能数字信号处理器TMS320VC5402是用来完成语音采集和处理功能，以及实现数据交织减少较长数据帧丢失带来的语音较大面积无声的概率。无线收发模块是用来接收和发送数据，实现语音的短距离无线通信的功能。主要在端到端的通信协议基础上实现时分双工语音通信。系统节点程序功能可分为语音处理、主机访问、无线通信这三大功能，总体设计框图如下图4-1所示。语音处理功能包括了模拟语音的数字化，通过多通道缓冲串行口采集到数字信号，将该16bit的数字信号进行ADPCM编码，存储，交织，存储。主机访问功能包括了上电加载DSP程序，交织数据的提取，无线接收数据的写入。无线收发功能包括了连接的建立，发送交织数据，接收无线数据。语音数字信号采集语音压缩语音处理缓冲语音回放语音解压读取语音数据帧写入语音数据帧数据无线收发缓冲ZigBe协议栈IE802.154MAC层语音处理主机访问无线通信DSP程序加载通信安全管理图4-1系统节点软件总体设计框图4.2节点语音处理程序设计4.2.1语音处理功能目前语音编码可分成波形编码、参数编码和混合编码，其中波形编码的语音质量比较好，算法复杂度较低，比较适合通过数字信号处理器来处理。波形编码中自适应差分脉冲编码（ADPCM）编码率为32kb/s，而语音质量能和64kb/s的脉冲编码调制相媲美。参数编码压缩率比较高，