董金榮，陳國林，池上升

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 福建省集成電路設(shè)計(jì)中心，福州350003）

董金榮（碩士研究生），研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用。

引 言

隨著科技的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，以及智能手機(jī)的普及，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在以迅雷不及掩耳之勢走進(jìn)人們的生活［1］。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能手機(jī)是主要的應(yīng)用平臺(tái)［2］。在家居環(huán)境中，智能手機(jī)可以作為控制終端，控制家里的每一個(gè)智能家電。本文從一個(gè)具體的應(yīng)用例子入手，詳細(xì)描述了Android智能手機(jī)通過Wi－Fi控制直流電機(jī)的整個(gè)過程，具有較高的參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)總共分為5部分，分別是：無線路由器、智能手機(jī)、CC3000 Wi－Fi模塊、MSP430單片機(jī)電路和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。首先，智能手機(jī)將Wi－Fi連接到無線路由器；接著打開智能手機(jī)中的SmartConfig的APP，配置CC3000 Wi－Fi模塊，這樣CC3000即可連接到無線路由器；然后打開電機(jī)控制APP，建立智能手機(jī)和CC3000 Wi－Fi模塊的連接。其中，CC3000 Wi－Fi模塊與MSP430單片機(jī)是通過SPI總線進(jìn)行通信的。最后，可以通過智能手機(jī)中的電機(jī)控制APP對(duì)電機(jī)進(jìn)行無線控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CC3000Wi－Fi模塊

系統(tǒng)無線通信部分采用TI 公司的Simple Link CC3000 Wi－Fi，它是一款自成一體的無線解決方案，可大幅簡化因特網(wǎng)連接的實(shí)施過程［3］。而且它可為基于微控制器（MCU）的系統(tǒng)提供簡化的Wi－Fi連接，能夠與MSP430及Tiva C 系列MCU LaunchPad 評(píng)估套件配合，為各種基于MCU 的家庭自動(dòng)化、健康健身以及機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）應(yīng)用快速啟動(dòng)開發(fā)。Simple Link CC3000 Wi－Fi解決方案以模塊方式提供，如圖2所示。

它可以縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間、降低制造成本、節(jié)約板級(jí)空間、簡化認(rèn)證工作，并降低對(duì)RF專業(yè)技術(shù)的要求。通過在CC3000上完整集成軟件來實(shí)現(xiàn)與低存儲(chǔ)容量微控制器的連接。

Simple Link CC3000 Wi－Fi主要特點(diǎn)有：

①無線網(wǎng)絡(luò)處理器使用IEEE802.11b／g（2.4 GHz）標(biāo)準(zhǔn)，嵌入IPv4TCP／IP協(xié)議棧。

②具有良好的射頻性能，發(fā)送功率為＋20dBm，11 Mbps（CCK）；接收靈敏度為－89dBm，11 Mbps（CCK）。

③可輕松與低存儲(chǔ)容量、低成本以及低功耗的微控制器系統(tǒng)進(jìn)行配套。

④經(jīng)過FCC、IC、CE 和TELEC 認(rèn)證的內(nèi)置天線參考設(shè)計(jì)。

⑤集成了晶振和電源管理模塊。

⑥小封裝，尺寸為16.3mm×13.5mm×2mm。

⑦工作溫度為－20～70 ℃。

⑧智能配置技術(shù)：可以用智能手機(jī)、平板電腦或者PC機(jī)配置Simple Link CC3000 Wi－Fi。

⑨已經(jīng)驗(yàn)證的Wi－Fi互操作性：基于TI第七代經(jīng)驗(yàn)證的Wi－Fi解決方案。

⑩提供該方案的完整平臺(tái)，包括用戶手冊、移植指南、API指南、范例應(yīng)用并支持社區(qū)。

CC3000規(guī)范如表1所列。

圖2 CC3000Wi－Fi模塊

表1 CC3000規(guī)范

2.2 MSP430單片機(jī)

MSP430單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的一款超低功耗類型的16位單片機(jī)，它采用了RISC 內(nèi)核結(jié)構(gòu)，支持C 語言編程［4］。同時(shí)，該系列單片機(jī)將大量的外圍模塊（如液晶驅(qū)動(dòng)器、看門狗、A／D 轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、模擬比較器等）集成到片內(nèi)，特別適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)［5］。它與CC3000 Wi－Fi模塊通過SPI總線進(jìn)行連接，具體連接如圖3所示。MSP430 單片機(jī)通過SPI總線，可以配置CC3000 Wi－Fi模塊的連接參數(shù)，也可以與其他Wi－Fi設(shè)備進(jìn)行通信。

圖3 CC3000Wi－Fi模塊與MSP430單片機(jī)連接圖

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

采用L298N 來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，它是ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路［6］。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。通過單片機(jī)的P3.0輸出占空比不同的PWM 波形來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度，通過P3.1和P3.2引腳的高低電平不同來控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 MSP430單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

MSP430單片機(jī)主要完成兩方面的功能：一是與CC3000進(jìn)行通信；二是控制直流電機(jī)，前者是本程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

單片機(jī)主程序流程圖如圖5所示。將CC3000作為Server，等待智能手機(jī)連接。單片機(jī)首先進(jìn)行I／O 口的初始化以及一些寄存器的配置；接著判斷CC3000是否需要進(jìn)行SmartConfig，如果不需要，再判斷是否已經(jīng)連接到一個(gè)無線路由器，CC3000連接上路由器后，就會(huì)獲得一個(gè)IP地址；然后CC3000發(fā)送廣播以及初始化CC3000為Server模式，等待Client連接。當(dāng)智能手機(jī)收到廣播，與CC3000連接上之后，就可以通過智能手機(jī)控制直流電機(jī)了。

圖5 單片機(jī)主程序流程圖

3.2 Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

APP分為兩個(gè)部分：SmartConfig和電機(jī)控制。本系統(tǒng)SmartConfig程序直接采用TI官網(wǎng)提供的APP程序，在此不需要進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。CC3000初次使用或者換一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，需要對(duì)儀器進(jìn)行SmartConfig，將目前的網(wǎng)絡(luò)信息寫入CC3000中，下次再使用時(shí)，該儀器會(huì)自動(dòng)連接到該網(wǎng)絡(luò)中。

電機(jī)控制程序界面如圖6所示。該程序主要實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)連接CC3000 Wi－Fi模塊，以及控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和速度。界面中的3個(gè)Button組件是用來控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。通過滑動(dòng)SeekBar組件，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，并在該組件的上方顯示出速度大小。最下面的Spinner組件用于顯示連接的設(shè)備，當(dāng)連接上CC3000后，會(huì)在此處顯示出來。

圖6 電機(jī)控制程序界面

結(jié) 語

本文采用MSP430單片機(jī)作為控制端的核心，通過SPI總線與CC3000 Wi－Fi模塊進(jìn)行通信，使智能手機(jī)與MSP430單片機(jī)能夠間接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而達(dá)到智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制單片機(jī)及其外圍設(shè)備的目的。經(jīng)過測試，智能手機(jī)和CC3000能夠穩(wěn)定的連接，并可以通過電機(jī)控制APP控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止以及調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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［6］孫緒才.L298N 在直流電機(jī)PWM 調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，9（4）：19－21.