MC9S08QG8低端微控制器的無線控制器設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 MC9S08QG8低端微控制器的無線控制器設(shè)計 無線通信是人們現(xiàn)代日常生活的一部分，在辦公室、學(xué)?；蚣彝サ葓鏊荚诮佑|無線通信設(shè)備，如筆記本電腦、打印機(jī)、攝像機(jī)、手持設(shè)備、照明控制器和家電設(shè)備等。這些設(shè)備的復(fù)雜程度與它們執(zhí)行的任務(wù)類型有關(guān)，其中許多家庭自動化的無線應(yīng)用采用小型微控制器和少量代碼執(zhí)行簡單的任務(wù)，更加追求低成本、單一性和微型化。在目前眾多的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，ZigBee技術(shù)作為一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，近兩年在工業(yè)控制、消費電子等領(lǐng)域以及科研開發(fā)中得到了眾多的關(guān)注和使用，而且越來越顯示出它的強(qiáng)勁應(yīng)用勢頭。ZigBee是一種低功耗、短距離和低速的無線網(wǎng)絡(luò)

2、技術(shù)，工作在2.4 GHz國際免執(zhí)照的頻段，在IEEE標(biāo)準(zhǔn)上它和無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙同屬802家族中的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。 通常的ZigBee無線控制器節(jié)點是以一個高端微控制器為，再配合無線收發(fā)器構(gòu)成的。本文將設(shè)計一個新型的、低成本的、使用ZigBee無線技術(shù)的精簡型無線控制器，比方用于空調(diào)遙控，整個目標(biāo)應(yīng)用板上的元器件極少，走線極少，體積極小。該設(shè)計只采用三個電子芯片：一個低端微控制器(MC9S08QG8)、一個RF收發(fā)器(MC13192)和一個162的LCD，其他需要的元器件為電阻和按鍵之類的無源器件。 1 器件選擇 為了實現(xiàn)工業(yè)或家電無線控制應(yīng)用低成本的目標(biāo)，首要任務(wù)是選擇合適的微控制器(MC

3、U)和無線收發(fā)器。Freescale半導(dǎo)體公司(飛思卡爾，前身為Mo-torola半導(dǎo)體部)的各檔微控制器在國內(nèi)嵌入式控制領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用。它推出的MC9S08QG低端微控制器系列，其處理內(nèi)核、片上外圍設(shè)備、節(jié)電功能和開發(fā)工具等，構(gòu)成了成本、能源、效率敏感的控制應(yīng)用的理想解決方案。采用MC9S08QGx微控制器系列，不僅開發(fā)的費用可明顯減少，終生產(chǎn)階段的成本也可大幅下降。在開發(fā)階段，一些調(diào)試功能，包括CodeWarrior全功能工具鏈和ProcessorExpert工具包等都是的。在生產(chǎn)階段，內(nèi)部時鐘源模塊、模擬電路和E2PROM模擬則減少了對諸如晶振或諧振器、模擬比較器、串行E2PR

4、OM等外部器件的需求，否則這些外部器件都是印制電路板上必不可少的。 本無線控制器設(shè)計的器件即選擇Freescale該系列中的僅有16引腳的MC9S08QG8，它是采用高性能、低功耗的HCS08內(nèi)核的飛思卡爾8位微控制器系列中具有很高的集成度的器件，內(nèi)置8 KB FLASH存儲器，512 B RAM，SCISPIIIC接口，8位模數(shù)定時器模塊，AD模塊等。MC9S08QG8 MCU集成了通常只有較大、較昂貴的元器件才具有的性能，包括背景調(diào)試系統(tǒng)以及可開展實時總線捕捉的內(nèi)置在線仿真(ICE)功能，具有單線的調(diào)試及仿真接口(BDM)，還包括一個可編程的16位定時器脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊(TPM)

5、，是同類產(chǎn)品中靈活、又經(jīng)濟(jì)的模塊之一。 另一個主要芯片為無線收發(fā)器，同樣選擇Frees-cale半導(dǎo)體公司的MCl3192，它是Freescale公司推出的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的新型射頻芯片。其工作頻率是2.4052.480 GHz，該頻帶劃分為16個信道，每個信道占用5 MHz的帶寬；采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kbs。MCl3192具有一個優(yōu)化的數(shù)字，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。為了適應(yīng)低功耗的要求，芯片除了接收、發(fā)送和空閑三種工作狀態(tài)外，還有三種低功耗運行模式： 掉電模式 此模式下芯片電流小于1A； 睡眠模式 此模式下電流在3A左右； 休眠模式 此模式下

6、電流約為35A。 芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為O4 dBm，接收靈敏度可以到達(dá)-92 dBm，傳輸距離為3070 m。由于MC13192的低功耗特性以及SPI通信接口，它與MC9S08QG8微處理器配合用于解決電池供電設(shè)備的低電壓、低功耗應(yīng)用以及通信控制等，是十分適合的。 至于其他外圍器件則可選用通用的，比方液晶顯示器使用162的字符型LCD，按鍵按終的工藝要求配用，這部分的電路應(yīng)用是成熟技術(shù)。 2 無線控制器的總體構(gòu)建 基于前述主要器件的選擇考慮，本文實現(xiàn)的無線控制器原理框圖如圖1所示。 用來在收發(fā)器和微控制器之間交換數(shù)據(jù)的接口主要為串行外設(shè)接口(SPI)。微控制器MC9S08QG

7、8通過SPI接口(4線)對MCl3192的內(nèi)部存放器開展讀寫操作，從而完成對MCl3192的控制和數(shù)據(jù)通信。該接口可以讀寫收發(fā)器的配置、狀態(tài)和控制存放器。SPI接口還可以讀寫位于收發(fā)器內(nèi)部的RAM，用于通過RF發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。另一個用于收發(fā)器和微控制器間通信的信號是中斷請求(IRQ)信號。IRQ腳由收發(fā)器開展處理。當(dāng)收發(fā)器的狀態(tài)存放器發(fā)生變化時，IRQ腳會產(chǎn)生下降沿跳變。IRQ產(chǎn)生后，微控制器要做的件事就是讀取狀態(tài)存放器，確定產(chǎn)生中斷的特定事件。 微控制器MC9S08QG8通過通用IO接口GPIO完成與液晶顯示器和按鍵的連接，其中LCD數(shù)據(jù)線和按鍵輸入線設(shè)計成多路分時復(fù)用的(共4線)，LCD的

8、控制線由MCU單獨提供(共3線)。 BDM程序和在線調(diào)試僅占用MCU的單線1線，在設(shè)計之初是必須的，但當(dāng)調(diào)試完成后，該引線也可當(dāng)做普通IO使用或備用。 3 硬件電路的具體設(shè)計 根據(jù)前面器件選擇和總體構(gòu)建的考慮，本文完成的無線控制器具體設(shè)計電路如圖2所示。其中MC9S08QG8微控制器(MCU)的大部分管腳具有多重功能，電路設(shè)計中，即以MC9S08QG8為，實現(xiàn)各種控制。 圖2無線控制器應(yīng)用原理圖分為三部分：MC9S08QG8 MCU所需的基本連接；MCl 3192無線收發(fā)器的連接；162 LCD和4個按鍵的連接。 各部分的供電電源為低電壓3 V，可用兩節(jié)7號電池供電。MCU的時鐘電路無需外接晶

9、振，直接使用MCU內(nèi)部自帶的時鐘；MCU的RST和BKGD引腳用于BDM接口的連接，完成程序后可另作它用，比方MCl3192的中斷信號IRO就接至PTA3RSTIRQ復(fù)用；圖2中MCl3192收發(fā)器其他外圍電路使用數(shù)據(jù)手冊提供的工作所需的硬件要求。MCU與MCl3192的連接按照標(biāo)準(zhǔn)SPI方式連接，MCU為主機(jī)，MCl3192為從機(jī)，通過MOSI，MISO，SPSCK信號線可以配置收發(fā)器，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同時也可以通過SPI配置收發(fā)器提供的定時器和GPIO引腳，將其用于其他的目的。收發(fā)器的片選CE信號由MCU的通用IO口PTB5開展選通。收發(fā)器要切換運行模式(接收、發(fā)送、半休眠、休眠或空閑)

10、還需要另外一個信號，該信號稱為RXTXEN，由MCU的通用IO口PTB7開展處理。MCU與MCl3192之間的數(shù)據(jù)傳輸模式可采用流模式，每次收發(fā)一個字(16 b)，都通過中斷由MCU控制處理，這樣可以限度地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。 162 LCD的RS，RW，E信號由MCU通用IO口PTB的三個引腳開展控制，實際上可以將RW直接接低電平，或者軟件控制使始終為低點平，因為應(yīng)用時只需對LCD做命令、數(shù)據(jù)寫入；數(shù)據(jù)線采用LCD的4線訪問形式，即只用DB4DB7，由MCU的PTA0PTA3提供；背光電源BKL+，BKL-不接，以減少功耗。4個按鍵也接在MCU的PTA0PTA3，與LCD數(shù)據(jù)線復(fù)用，按鍵

11、的上拉電阻使用MCU內(nèi)部配置的，無需外接上拉以減省元件。同時當(dāng)?shù)却幚戆存I時，MCU將按鍵輸入直接配置成按鍵輸入中斷，也減少了硬件連接和軟件復(fù)雜度，按鍵發(fā)生時MCU自動轉(zhuǎn)去讀取按鍵輸入及按鍵處理，當(dāng)要開展LCD顯示時，MCU又將復(fù)用線臨時配置成數(shù)據(jù)輸出，配合LCD控制信號完成LCD的內(nèi)容顯示。 MCU的8 KB FLASH和512 B的存儲器資源對于一般的無線控制是足夠的，另外，設(shè)計中還會用到MCU的定時器資源，通過定時比較器生成一般無線控制應(yīng)用中都需要的定時時間，通過軟件編程可以方便地實現(xiàn)。 4 無線控制功能例如 以上設(shè)計方案適用于多種無線控制應(yīng)用，如空調(diào)、智能風(fēng)扇等的無線控制。在此方案根底

12、上還可以擴(kuò)展出更復(fù)雜的無線控制應(yīng)用，因為MCU還有少量口線(比方再增加一個設(shè)備開關(guān)按鍵)、MCl3192還有很多接口如它自帶的GPIO、定時器等都是可利用資源；同時此方案其實仍然可以精簡，比方不需要顯示的無線控制應(yīng)用，就可省去LCD顯示器。 以空調(diào)的無線控制應(yīng)用為例，按本文硬件設(shè)計原理，使用LCD來顯示不同的功能菜單，如當(dāng)前溫度、定時設(shè)置、溫度設(shè)置和工作狀態(tài)等。4個按鍵可以分別安排為： SW1為功能菜單或狀態(tài)；SW2為增加數(shù)值或功能切換；SW3為減少數(shù)值或功能切換；SW4為確認(rèn)或承受，兼用開關(guān)設(shè)備。 當(dāng)應(yīng)用開始時，空調(diào)總是處于關(guān)閉狀態(tài)。必須先按SW4按鍵才能打開空調(diào)。當(dāng)強(qiáng)制關(guān)閉空調(diào)時，SW1+

13、SW4按鍵起作用?？照{(diào)打開后，LCD上會顯示當(dāng)前溫度和上次設(shè)定溫度，一旦空調(diào)打開，可以分別使用SW2鍵和SW3鍵來降低或增加溫度。這時如果要設(shè)置空調(diào)的各種工作模式如制冷、制熱、除濕、自動、風(fēng)向、風(fēng)速、定時時間及溫度等，可以按動SW1切換功能并配合SW2鍵、SW3開展操作，每次用按鍵修改了工作模式、溫度、定時時間等設(shè)置后，系統(tǒng)會采用一個簡單的協(xié)議將控制命令通過MCl3192無限收發(fā)器發(fā)送到加熱制冷系統(tǒng)。此時可按SW4鍵確認(rèn)以使LCD恢復(fù)到狀態(tài)及新的設(shè)定指示。 如果沒有設(shè)置定時時間，空調(diào)永遠(yuǎn)不會自動關(guān)閉，需要人工強(qiáng)制關(guān)閉。設(shè)置定時時間能自動關(guān)閉空調(diào)，安排定時時間在5300 min之間。如果設(shè)置希望的定時時間，步驟如下： (1)打開空調(diào)，如果空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)，則不能設(shè)置定時時間； (2)按SW1鍵。調(diào)整菜單到定時功能，使在LCD上顯示定時設(shè)置菜單； (3)按SW2鍵或SW3鍵來減少或增加希望的定時時間； (4)按SW4來承受新的定時時間； (5)一旦承受新的定時時間后，LCD上會再次顯示工作模式、當(dāng)前溫度、定時時間、剩余時間等相關(guān)信息。 對應(yīng)于設(shè)備定時關(guān)閉，空調(diào)的自動開啟功能則需要在本文電路根底上增加專門的時鐘芯片來獲得日期、時間信息基準(zhǔn)來