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无线体域网人体中心通信设备使用说明

09 Apr 2021 4103字 14分 次 Others
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1 简介

        无线体域网人体中心通信设备由以下四部分组成：

  • ZigBee模块；
  • FPGA控制器；
  • 电池监测与连接底板；
  • 锂电池。

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        本设计通过ZigBee进行信道建模，并由MAX17263电池电量计IC获取电池性能。信道建模数据大约每秒更新20次，电池性能数据每秒更新10次（可通过FPGA代码中的INTERVAL值配置更新间隔）。PC会以设置好的时间间隔向A、B发送不同的指令（A设备为C5，B设备为3A），设备收到对应的命令后会将当前的信道建模和电池信息数据传送回PC，指令和数据均通过UART传送，波特率为115200。

2 接口说明

2.1 ZigBee模块接口说明

        ZigBee模块采用创思通信设计的基于CC2530的 ZigBee节点。串口的等通信接口全部引出。

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        引脚如下图：

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2.2 FPGA核心板接口说明

        FPGA核心板采用Intel PSG的Cyclone IV EP4CE6芯片。内置EPCS存储器用于固化配置信息，能够上电自动配置FPGA。

        Mini-USB：核心板通过Mini-USB供电，同时可以通过板载USB转UART芯片进行串口通信。

        JTAG：下载配置文件或调试需要同时连接USB和Altera JTAG调试器。

        自锁开关：自锁开关用于启动和关闭核心板电源。

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2.3 电池监测与连接底板接口说明

        电池监测与连接底板包含了MAX17362电池电量计IC电路以及固定其他模块的接口。三边的排针用于连接FPGA核心板。

        外置NTC电阻：内置的NTC电阻位于电池温度测量区域中心，同时有冗余的外置NTC电阻接口（2.54mm排针）。

        外接负载：本设计的负载主要是ZigBee模块，也设计了外置负载的接口，如果使用其余的锂电池供电的负载时可以接入此XH2.54接口。

        充电座：在系统连接电池的情况下为锂电池充电，能够将配套的50mA或500mA充电器接入此DC5.5/2.1接口。

        电池开关：开关拨至左侧（OFF/C）将断开电池与负载的连接，并且若接入充电器则开始充电；开关拨至右侧（ON）时电池开始为负载供电。

        锂电池接口：此XH2.54接口用于连接锂电池。

        FPGA供电开关：开关拨至左侧点断开底板（也就是锂电池）对FPGA核心板的供电，核心板只能通过其板载的Mini-USB供电；开关拨至右侧通过电池给FPGA核心板供电。

        ZigBee插座：用于连接ZigBee模块，其天线方向与丝印白色箭头方向相同。

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2.4 锂电池

        软包锂离子电池采用中顺芯的带保护板动力聚合物锂电池，接口为XH2.54。

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3 模块连接与实验平台搭建

3.1 模块连接

        首先将电池开关拨至“OFF/C”，然后将电池接入锂电池接口，电池使用绑带固定在电池测温区域，如下图所示。

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        底板背面用于固定FPGA核心板。核心板三边的排针座与底板三边的排针对应连接。

        最后将ZigBee模块插入底板的对应接口，注意方向。

3.2 实验平台搭建

        两台设备互收发的实验平台包含以下组件：

  • 无线体域网人体重心设备×2；
  • Mini-USB线缆×2；
  • PC×1。

        首先将FPGA核心板自锁开关复位，并将FPGA供电开关拨至板内侧断开锂电池对FPGA核心板的供电。

        两台无线体域网人体中心设备平行摆放至间隔一米的平台上，各接一条Mini-USB线缆，另一端均连接至PC，如下图所示。

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4 实验过程

        首先将底板上的电池开关拨至ON，此时蓝色指示灯“POW”常亮，ZigBee模块开始工作，即绿色收发指示灯闪烁。

        将在PC上启动两个SSCOM串口助手，打开连接好Mini-USB线缆的两台设备中FPGA核心板上的自锁开关，在SSCOM串口助手中分别选择对应的端口号，波特率均为38400，选择“HEX显示”和“HEX发送”，选择“接受数据到文件”，选择“定时发送”并将发送间隔设置为“200ms/次”。A模块对应的发送指令为C5，B模块对应的发送指令为3A，设置好之后打开两个串口。

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        打开串口后，两个串口助手则会收到设备返回的信道建模和电池性能数据。根据FPGA内部电路设计，A设备收到的数据每字节高4bit都为0x5，而B设备收到的数据每字节高4bit都为0xA，如果由0x00则表明另一个设备未启动，若有其他数据则是串口传输数据出现错误，这种情况在有线串口传输中几乎不会发生，若使用无线串口透传则有一定几率出现。

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        收到的数据会以二进制的形式存在“*.DAT”文件中，A、B模块收到的数据分别存储，推荐使用Hex Editor Neo软件查看原始二进制数据。当电量耗尽，蓝色指示灯熄灭，先关闭串口助手，然后关闭电池开关，最后关闭FPGA核心板上的自锁开关，拔掉USB线缆。收拾东西实验结束。

5 数据处理

        由上文可知，A、B模块接收到的原始数据分别存放在两个二进制文件中。每帧数据包含29字节数据，其格式为：

字节序号 A模块 B模块
1 {设备校验位（0x5），电池剩余容量百分比15~12bit} {设备校验位（0xA），电池剩余容量百分比15~12bit}
2 {设备校验位（0x5），电池剩余容量百分比11~8bit} {设备校验位（0xA），电池剩余容量百分比11~8bit}
3 {设备校验位（0x5），电池剩余容量百分比7~4bit} {设备校验位（0xA），电池剩余容量百分比7~4bit}
4 {设备校验位（0x5），电池剩余容量百分比3~0bit} {设备校验位（0xA），电池剩余容量百分比3~0bit}
5 {设备校验位（0x5），电池健康度15~12bit} {设备校验位（0xA），电池健康度15~12bit}
6 {设备校验位（0x5），电池健康度11~8bit} {设备校验位（0xA），电池健康度11~8bit}
7 {设备校验位（0x5），电池健康度7~4bit} {设备校验位（0xA），电池健康度7~4bit}
8 {设备校验位（0x5），电池健康度3~0bit} {设备校验位（0xA），电池健康度3~0bit}
9 {设备校验位（0x5），电池温度15~12bit} {设备校验位（0xA），电池温度15~12bit}
10 {设备校验位（0x5），电池温度11~8bit} {设备校验位（0xA），电池温度11~8bit}
11 {设备校验位（0x5），电池温度7~4bit} {设备校验位（0xA），电池温度7~4bit}
12 {设备校验位（0x5），电池温度3~0bit} {设备校验位（0xA），电池温度3~0bit}
13 {设备校验位（0x5），电池内阻15~12bit} {设备校验位（0xA），电池内阻15~12bit}
14 {设备校验位（0x5），电池内阻11~8bit} {设备校验位（0xA），电池内阻11~8bit}
15 {设备校验位（0x5），电池内阻7~4bit} {设备校验位（0xA），电池内阻7~4bit}
16 {设备校验位（0x5），电池内阻3~0bit} {设备校验位（0xA），电池内阻3~0bit}
17 {设备校验位（0x5），电池电压15~12bit} {设备校验位（0xA），电池电压15~12bit}
18 {设备校验位（0x5），电池电压11~8bit} {设备校验位（0xA），电池电压11~8bit}
19 {设备校验位（0x5），电池电压7~4bit} {设备校验位（0xA），电池电压7~4bit}
20 {设备校验位（0x5），电池电压3~0bit} {设备校验位（0xA），电池电压3~0bit}
21 {设备校验位（0x5），电池电流15~12bit} {设备校验位（0xA），电池电流15~12bit}
22 {设备校验位（0x5），电池电流11~8bit} {设备校验位（0xA），电池电流11~8bit}
23 {设备校验位（0x5），电池电流7~4bit} {设备校验位（0xA），电池电流7~4bit}
24 {设备校验位（0x5），电池电流3~0bit} {设备校验位（0xA），电池电流3~0bit}
25 {设备校验位（0x5），ZigBee丢包率十位} {设备校验位（0xA），ZigBee丢包率十位}
26 {设备校验位（0x5），ZigBee丢包率个位} {设备校验位（0xA），ZigBee丢包率个位}
27 {设备校验位（0x5），ZigBee丢包率十分位} {设备校验位（0xA），ZigBee丢包率十分位}
28 {设备校验位（0x5），ZigBee RSSI十位} {设备校验位（0xA），ZigBee RSSI十位}
29 {设备校验位（0x5），ZigBee RSSI个位} {设备校验位（0xA），ZigBee RSSI个位}

        每字节的数据都有4bit是设备校验位，所以在得到以上格式的数据后，需要通过Matlab将校验位去除，并将拆分的各数据拼接起来。

        得到的原始数据需要进一步处理转换为所需的实际数据，其中：

  • fullcap：电池容量，除以2为实际值（mah）；
  • repcap：电池剩余容量，除以2为实际值（mah）；
  • repsoc：电池剩余容量百分比，除以256为实际百分比；
  • age：电池健康度百分比，除以256为实际百分比；
  • thrmtemp：热敏电阻温度，除以256为实际温度值；
  • rcell：电池内阻，除以4096为实际电阻值（Ω）;
  • vcell：电池电压，乘以1.25除以16除以1000为实际电压值（V）;
  • curr：电池电流，补码转换为源码（反码？），再乘以0.15625为实际电流值（mA）。

        有关数据处理的Matlab源代码见无线体域网人体中心通信设备数据处理源代码。

6 故障说明

        电池监测与连接底板上用于电池升压芯片TPS61023DRLR会偶尔烧毁，且仅出现在设备B对应的电池监测与连接底板。起初认为是电池热插拔产生瞬间高压导致烧毁，于是在电池接口处并联TVS管限制电压为5.6V，之后烧毁次数明显改善，但还是出现过一次。

        如果读取数据有误，可能是串口助手波特率不正确，进一步检查代码种的波特率与串口助手的波特率是否一致。

        告辞。