郝毫毫，熊俊俏

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073）

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)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(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、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[1]。

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)[2]。

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、結(jié)構(gòu)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顯示單元、電源管理單元構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

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)[3]有：

1）超低功耗：其電源電壓采用1.8～3.6 V，待機(jī)電流小于1 μA，在 RAM數(shù)據(jù)保持方式時(shí)耗電僅 0.1 ΜA，在活動(dòng)模式時(shí)耗電 250 μA/MIPS（MIPS：每秒百萬(wàn)條指令數(shù)），I/O 輸入輸出口的漏電流最大為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喚醒最短只要1 μs，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）結(jié)構(gòu)，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)的體系結(jié)構(gòu)。

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)募拇嫫鞯目刂茷閬?lái)確定最后的系統(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)的核心，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)并退出LPM3狀態(tài)進(jìn)入活動(dòng)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，擁有全球最高的碼率（600 kbps）以及世界級(jí)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[4]。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1.8～3.6 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[5]。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，提供數(shù)據(jù)包的傳輸安全性。

SX1233的頻率范圍為290～1 020 MHz，已通過(guò)全球規(guī)范的認(rèn)證，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)。它還支持全球的調(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)其進(jìn)行屏蔽，通過(guò)10×2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口能夠接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，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進(jìn)行參數(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Fig.2 Circuit of wireless communication part

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)需要進(jìn)行設(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口能夠接受外部上升沿或下降沿中斷[6]，因此可采用中斷式按鍵編程方式，有助于節(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)模塊最大顯示段數(shù)為40×4=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[7]。

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)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)唯一的地址，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Fig.3 Program flow chart

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FLASH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口進(jìn)行配置。

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 μA。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)[3]。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·諾依曼結(jié)構(gòu)，其FLASH區(qū)有60KB+256B。本系統(tǒng)地址分配如下：

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)，不同的用戶可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。為減小MCU負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)采用包（Packet）模式工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的無(wú)線手持終端，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，技術(shù)開(kāi)發(fā)成熟、功耗低，性價(jià)比高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)射功率設(shè)置為10 dB時(shí)，在樓宇內(nèi)的有效收發(fā)距離為80 m左右，誤包率低于1%，完全能滿足中小型餐館的使用要求。由于系統(tǒng)程序具有升級(jí)功能，因此經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母膭?dòng)就可適用于其他應(yīng)用場(chǎng)合，例如工業(yè)監(jiān)控等。因此，該方案有較大的推廣價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]鄧中亮，張紅星，延明，等.基于S3C6410和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持終端設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（2）：1-4.DENG Zhong-liang， ZHANG Hong-xing，YAN Ming， et al.Design of handheld terminal based on S3C6410 and wireless sensor network[J].Electronic Design Engineering， 2011，19（2）：1-4.

[2]蔡理金，王逢?yáng)|，王麗潔，等.S3C2440A嵌入式手持終端電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（9）：28-31.CAI Li-jin，WANG Feng-dong，WANG Li-jie，et al.Power management system for embedded portable terminal based on S3C2440A[J].Microcontrollers&Embedded System，2009（9）：28-31.

[3]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]Semtech Corporation.SX1233 high bit rate transceiver[EB/OL].（2011-01-04）[2011-10-17].http://www.semtech.com/images/datasheet/sx1233_ag.pdf.

[5]Semtech Corporation. Calculating radiated power and field strength for conducted power measurements[EB/OL]. （2007-01-01）[2011-10-17]. http://www.semtech.com/images/datasheet/semtech_acs_rad_pwr_field_ strength_ag.pdf.

[6]Texas Instruments Inc. MSP430x4xx family user’s guide [EB/OL]. （2010-01-18）[2011-10-17]. http://www.ti. com.cn/cn/lit/ug/slau056j/slau056j.pdf.

[7]Texas Instruments Inc.MSP430x43x，MSP430x43x1，MSP430x44x mixed signal microcontroller [EB/OL]. （2009-10-03）[2011-10-17]. http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/sym link/msp430f449.pdf.