1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 SX1233的無(wú)線手持終端的設(shè)計(jì)方案 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，手持終端設(shè)備在物流、酒店服務(wù)、無(wú)線抄表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的， 涉及多學(xué)科、高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了現(xiàn)代無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供直接、有效、真實(shí)的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、

2、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。 無(wú)線通信是手持終端的主要功能之一，考慮到手持終端設(shè)備還需要帶有顯示器和鍵盤(pán)等人機(jī)界面以及采用電池供電等因素，體積、功耗以及性能的穩(wěn)定成為手持終端設(shè)備設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)。 文中根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、能耗小、組網(wǎng)靈活，等多種優(yōu)勢(shì)，以及手持終端設(shè)備對(duì)設(shè)備體積、功耗等方面的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種低功耗、構(gòu)造緊湊，具有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性的手持終端，用于餐館點(diǎn)菜系統(tǒng)。由于可通過(guò)無(wú)線通信接口實(shí)現(xiàn)程序升級(jí)，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于餐館點(diǎn)菜、無(wú)線抄表、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。 1 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖如圖1 所示。它主要由MCU 控制單元、射頻收發(fā)單元、按鍵及LCD 顯示單

3、元、電源管理單元構(gòu)成。 圖1 系統(tǒng)組成框圖 1.1 MCU 單元 MSP430F449 是IT 公司推出的一種超低功耗單片機(jī)，它的主要特點(diǎn)有： 1）超低功耗：其電源電壓采用1.83.6 V,待機(jī)電流小于1 A,在RAM 數(shù)據(jù)保持方式時(shí)耗電僅0.1 A,在活動(dòng)模式時(shí)耗電250 A/MIPS（MIPS:每秒百萬(wàn)條指令數(shù)），I/O 輸入輸出口的漏電流為50 nA.MSP430F449 有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 包括2 個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)： 基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)（FLL 和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU 和各功能模塊所需的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開(kāi)或關(guān)閉，從

4、而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用的功能模塊不同， 即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明顯的差異。在系統(tǒng)中有1 種活動(dòng)模式和5種低功耗模式。另外它采用矢量中斷，支持多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請(qǐng)求將CPU 喚醒短只要1 s,通過(guò)合理編程，既可以系統(tǒng)功耗，又可以對(duì)外部事件請(qǐng)求作出快速響應(yīng)。 2）強(qiáng)大的處理能力：MSP430F449 是16 位單片機(jī)，采用了目前流行的精簡(jiǎn)指令集（RISC）構(gòu)造，1 個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行1 指令。同時(shí)它還采用了16 位多功能硬件乘法器等一系列先進(jìn)的體系構(gòu)造。 3）高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊：MSP430F449組合了功能模塊：12 位ADC、比較

5、器、LCD 驅(qū)動(dòng)器、電源電壓監(jiān)控（SVS）、串行通信（UART/SPI）硬件乘法器（MPY）溫度傳感器、看門(mén)狗計(jì)時(shí)器（WDT）、多個(gè)16 位定時(shí)器等。 4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定：上電復(fù)位后，首先由DCO_CLK 啟動(dòng)CPU（數(shù)字控制振蕩器DCO 是單片機(jī)內(nèi)置的），以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行，保證外接的晶振有足夠的起振和穩(wěn)定時(shí)間。然后通過(guò)軟件設(shè)置適當(dāng)?shù)拇娣牌鞯目刂茷閬?lái)確定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU 時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。 MCU 是手持終端系統(tǒng)的，在無(wú)事件發(fā)生的情況下工作于LPM3 低功耗狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下或有無(wú)線數(shù)據(jù)接收時(shí)，MCU 可響應(yīng)并

6、退出LPM3 狀態(tài)進(jìn)入活開(kāi)工作狀態(tài)。 MSP430F449 功能豐富，編程方式靈活，完全可滿足手持終端的設(shè)計(jì)要求。 1.2 無(wú)線收發(fā)單元 SX1233 是Semtech 公司推出的一款超低功耗的可編程ISM 頻段收發(fā)器，擁有的碼率（600 kbps）以及的鏈路預(yù)算（137 kB）、超低功耗、出色的ACR（鄰道抑制）以及抗阻塞能力。SX1233 提供高接收（RX）靈敏度，增強(qiáng)了對(duì)弱信號(hào)的接收能力， 而且能夠以1 dB 步長(zhǎng)編程的發(fā)射機(jī)（TX）輸出功率.高RX 靈敏度與TX 輸出功率相當(dāng)于獲得了更長(zhǎng)距離上的可靠傳輸， 這與需要RF 中繼器的傳統(tǒng)射頻系統(tǒng)相比，節(jié)省了成本。 SX1233 具備發(fā)射、接

7、收和睡眠模式下的低功耗，從而延長(zhǎng)了電池壽命。由于在1.83.6 V 工作范圍內(nèi)有恒定的RF 性能，即使不用穩(wěn)壓器，在電池壽命快要終止時(shí)也能保證穩(wěn)定的通信.另外，采用True RFTM 技術(shù)，無(wú)需使用SAW 濾波器，在獲得低成本外接元件數(shù)的同時(shí)， 仍能滿足ETSI 與FCC 的規(guī)定。SX1233 還集成了VCO 儲(chǔ)能器、PLL 環(huán)濾波器以及一個(gè)RF 開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步減少了總物料數(shù)。 SX1233 中集成的封包引擎可卸除微控制器的RF 封包工作，從而解放出微控制器的資源，或者讓設(shè)計(jì)者選擇一種成本更低或功耗更低的替代方案。封包引擎還可通過(guò)CRC錯(cuò)誤檢查、AES-128 加密和一個(gè)66 字節(jié)的FIFO,提

8、供數(shù)據(jù)包的傳輸安全性。 SX1233 的頻率范圍為2901 020 MHz,已通過(guò)規(guī)范的，包括歐盟（ETSI EN 300-220-1）、北美（FCC part 15），以及韓國(guó)和日本的ARIB 監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。它還支持的調(diào)制格式（FSK、GFSK、MSK、GMSK、OOK）。 為了防止射頻干擾，無(wú)線收發(fā)單元采用射頻板材單獨(dú)制版， 并用金屬罩對(duì)其開(kāi)展屏蔽， 通過(guò)102 連接器與主板相連。如圖2 所示，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P1 口和P2 口能夠承受外部上升沿或下降沿的中斷輸入，所以DIO0-DIO5 分別與單片機(jī)的P2.0-P2.5 連接，便于數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中的狀態(tài)檢測(cè)。SPI 口連接單片機(jī)的P3.0-P3.3

9、,將單片機(jī)的USART0 設(shè)置為SPI 工作模式，單片機(jī)通過(guò)該SPI 口對(duì)SX1233 開(kāi)展參數(shù)配置、控制和數(shù)據(jù)收發(fā)。RESET 和RXTX 腳分別接P3.4 和P3.5. 圖2 射頻收發(fā)單元電路圖 在手持終端的設(shè)計(jì)中，SX1233 的可設(shè)置參數(shù)包括頻段、發(fā)射功率、數(shù)據(jù)傳輸速率， 這些參數(shù)存放在MCU 的FLASH存儲(chǔ)器中，即使發(fā)生掉電情況也不會(huì)丟失，用戶可根據(jù)需要開(kāi)展設(shè)置。其余參數(shù)不可改變。 1.3 鍵盤(pán)和LCD 顯示單元 鍵盤(pán)包括開(kāi)關(guān)鍵、功能鍵、數(shù)字加一鍵、光標(biāo)移動(dòng)鍵。4 鍵接MCU 的P1.0-P1.3 口， 由于P1 口能夠承受外部上升沿或下降沿中斷,因此可采用中斷式按鍵編程方式，有助

10、于節(jié)省功耗。 LCD 為定制的段式液晶，MSP430F449 內(nèi)有LCD 驅(qū)動(dòng)模塊，因此既節(jié)省了成本也減小了體積。它的LCD 驅(qū)動(dòng)模塊顯示段數(shù)為404=160 段，能夠直接顯存讀寫(xiě)，控制顯示，自動(dòng)產(chǎn)生液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 支持4 種LCD（static,2mux,3mux,4mux），并支持閃爍功能. 1.4 電源管理單元 手持終端采用3.6 V 鋰電池供電， 由于所采用的MCU、無(wú)線收發(fā)模塊、LCD 均為3.3 V 供電器件，因此可直接使用電池電源。MCU 采用基本定時(shí)器1 分鐘定時(shí)檢測(cè)電源電壓，當(dāng)電池電壓低于3.0 V 時(shí)主動(dòng)報(bào)警。檢測(cè)的方法是將電源電壓分壓一半送入P6.3 口， 采用MCU 內(nèi)

11、部產(chǎn)生的2.5 V 參考電平， 利用MCU 內(nèi)部的AD 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換即可計(jì)算出實(shí)際電源電壓的大小。 2 軟件設(shè)計(jì) 軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench, 使用C430 語(yǔ)言。系統(tǒng)的無(wú)線通信部分采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS 協(xié)議，為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。主機(jī)由設(shè)在廚房的基站組成，從機(jī)為手持終端，每一個(gè)手持終端都擁有一個(gè)的地址，工作方式為主站輪詢，從站監(jiān)聽(tīng)的方式。系統(tǒng)軟件的主要流程如圖3所示。 圖3 系統(tǒng)程序框圖 無(wú)事件發(fā)生時(shí)，MCU 進(jìn)入LPM3 低功耗模式，SX1233 進(jìn)入Sleep 模式。當(dāng)服務(wù)員使用按鍵記錄客人點(diǎn)菜時(shí)，MCU 被激活。菜單數(shù)據(jù)存放在MCU 的FLA

12、SH 存儲(chǔ)器中，記錄客人點(diǎn)菜時(shí)只需將菜名序號(hào)存放即可， 點(diǎn)菜完成后MCU 重新進(jìn)入LPM3 低功耗模式。 當(dāng)SX1233 被喚醒時(shí)，會(huì)從Sleep 狀態(tài)中進(jìn)入接收工作狀態(tài)并觸發(fā)MCU 退出LPM3 模式， 當(dāng)發(fā)現(xiàn)通信地址非本機(jī)地址時(shí)立即中斷接收，SX1233 重新進(jìn)入Sleep 狀態(tài)，MCU 進(jìn)入LPM3 模式。否則，完成數(shù)據(jù)幀的接收工作，并根據(jù)協(xié)議執(zhí)行相應(yīng)的程序，返回響應(yīng)代碼后，SX1233 回到Sleep 狀態(tài)，MCU進(jìn)入LPM3 低功耗模式。 2.1 MCU 編程要點(diǎn) IO 口配置： MSP430 的多數(shù)IO 口都有2 種或以上的功能，每個(gè)IO 位都可以獨(dú)立編程，因此初始化時(shí)要對(duì)IO 口

13、開(kāi)展配置。 LPM3 低功耗模式： MSP430F449 有5 種低功耗模式，即LPM0-LPM4.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在沒(méi)有按鍵和數(shù)據(jù)收發(fā)的工作狀態(tài)下工作在LPM3 模式，耗電僅為0.9 A.此時(shí)CPU 處于禁止?fàn)顟B(tài)，DCO 被禁止， 直流發(fā)生器被禁止，MCLK 和SCLK 被禁止，只有低速時(shí)鐘ACLK（32 768 Hz）活動(dòng).因此當(dāng)按鍵或無(wú)線偵聽(tīng)激活MCU 時(shí)，程序應(yīng)立刻從LPM3 模式中退出。 MCU 的FLASH 存儲(chǔ)區(qū)分配： MSP430F449 不同于傳統(tǒng)的51 單片機(jī)， 其存儲(chǔ)器為馮諾依曼構(gòu)造， 其FLASH 區(qū)有60KB+256B.本系統(tǒng)地址分配如下： SX1233 配置參數(shù) 0X1000-0X107F MOBUS 通信協(xié)議配置參數(shù)0X1080-0X10FF 用戶參數(shù)（菜單等） 0X1100-0X1FFF 用戶程序區(qū) 0X2000-0X6FFF 升級(jí)程序區(qū) 0XE000-0XFDFF 2.2 SX1233 編程要點(diǎn) SX1233 可工作于較寬的頻率范圍，本系統(tǒng)采用433 MHz免許可證頻段?？紤]到點(diǎn)菜系統(tǒng)對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求不高，收發(fā)器休眠時(shí)偵聽(tīng)的占空比可盡量降低， 這樣有利于節(jié)省用電。SX1233 的發(fā)射功率可調(diào)，不同的用戶