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文檔簡介
基于CC1100的無線手持終端的設(shè)計
在布線繁雜、不方便或不允許布線的情況下,人們都希望能通過短距離無線通信方案來解決。常見的應(yīng)用有RFID、無線抄表、無線餐飲點菜系統(tǒng)、無線監(jiān)控等。隨著射頻通信技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的日趨成熟以及人們生活水平和要求的不斷提高,餐飲行業(yè)的信息化建設(shè)方興未艾。餐館服務(wù)員手中的點菜器是餐飲點菜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分,它與基站的通信是無線方式。本文介紹一種適用于中小餐館的普及型無線點菜手持終端設(shè)備(經(jīng)適當(dāng)改動可用于其他領(lǐng)域),它采用高性能、低價位、低開發(fā)成本的C8051F340單片機作為MCU,以Chipcon公司新推出的一體化無線收發(fā)芯片CC1100為射頻收發(fā)器,工作在免許可證的ISM(工業(yè)、科研及醫(yī)療)頻段的433MHz。
1硬件設(shè)計
系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。它主要由MCU控制單元(控制各可編程芯片、處理輸入和輸出信號)、射頻收發(fā)單元(射頻信號的調(diào)制與解調(diào)、發(fā)射與接收和對數(shù)據(jù)進行打包與解包等)、鍵盤與LCD顯示單元(信息的輸入和顯示)、存儲器單元(存放漢字庫和菜單數(shù)據(jù)庫)、UART和USB接口單元(與PC機的通信、提供充電電源)、電源管理單元(為系統(tǒng)提供各種類型的電壓、充電、外接電源的切換等)等組成。
1.1MCU單元
C8051F340(以下簡稱MCU)是一款具有全速USB功能的混合信號Flash微控制器,其內(nèi)置256kB+4KB的RAM和64KB的Flash存儲器;精確校準(zhǔn)(0.25%)的12MHz內(nèi)部振蕩器(工作時外部不必接晶振),處理速度可達(dá)48MIPS;基于JTAG接口的非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試接口等[1]。其功能和性能完全滿足設(shè)計要求。
1.2射頻收發(fā)器單元
CC1100是Chipcon/TI公司力推的一款性價比“最高”的射頻單片收發(fā)器芯片,它體積?。?0pins,QLP4×4mm)、接收靈敏度高(-110dBm/1.2kbps)、速率可編程(1.2kb/s~500kb/s)、工作電壓低(1.8V~3.6V)、功耗低(15.4mA/433MHz/1.2kb/s,1.8μA的待機電流,待機模式下的啟動時間僅為0.3ms)、在所有頻段輸出功率高達(dá)+10dBm、高效的SPI接口、數(shù)字RSSI(接收信號強度指示)輸出、無線喚醒(WOR)功能等。它的工作頻率為300MHz~1000MHz[2]。
考慮到高頻干擾,該單元單獨做一塊PCB板,并用金屬罩對其進行電磁屏蔽,通過一個7針的連接器與底板相連,如圖2所示。GDO0與MCU的P0.7相接,用于指示是否已完整地接收了一個數(shù)據(jù)包,它可作為MCU的外部中斷源信號。在缺省情況下,GDO0會輸出一個頻率為晶振頻率(192Hz)的方波,這可作為在調(diào)試時判斷CC1100是否正常工作的依據(jù)。SCLK(串行時鐘)、SO(串行輸出)、SI(串行輸入)、CSn(片選)分別與MCU的P0.0、P0.1、P0.2和P0.6相接,實現(xiàn)MCU與CC1100的SPI接口相連。MCU對CC1100的配置、控制和數(shù)據(jù)收發(fā)都通過該SPI接口進行。在設(shè)計PCB時要讓晶振與芯片引腳盡量靠近,并用地線把時鐘區(qū)隔離開,晶振外殼接地并固定,元件都使用SMT(表帖式)元件,以減少過孔和體積。VCC為3.3V。C4、C5、C6和L3、L4組成一個非平衡變壓器,用于在差分和單端RF(射頻)信號之間進行變換,C1、C2、C3和L1、L2組成一個LC濾波器,它與非平衡變壓器一起實現(xiàn)與50Ω的天線相適配。電阻R1用于為CC1100的偏壓設(shè)置一個精準(zhǔn)的參考電流。DS1用于指示模塊上的電源是否正常。
1.3鍵盤和LCD顯示單元
鍵盤包括數(shù)字鍵、發(fā)射鍵、方向鍵、多功能鍵、電源開/關(guān)鍵等,它由一個8行×3列的矩陣和一個獨立的鍵(電源開/關(guān))組成。其中的行線與MCU的數(shù)據(jù)線(P4口)相連,列線分別與P2.0、P2.1和P2.2相連。軟件在判斷P2口的低3位有變化時,立即讀取P4口的內(nèi)容,可獲得當(dāng)前按下的鍵。電源開/關(guān)鍵直接與電源管理芯片的啟動/關(guān)閉腳相連。
UC1610為具有128×160點陣的4個灰度級偽彩LCD控制器和驅(qū)動器,專為超低功耗的手持設(shè)備設(shè)計,與MCU的接口有并口、SPI、I2C。本系統(tǒng)采用2線I2C總線與MCU的SMBus相連,此時,應(yīng)把CD、WR0和WR1接地,D0、D3分別與MCU的SCL、SDA相連,數(shù)據(jù)線中的其他位接地。對其控制可參考其數(shù)據(jù)手冊[4]。
1.4存儲器單元
MCU的片內(nèi)存儲器已足夠存放程序代碼,但由于要存放漢字庫和菜庫,所以必須外接一個數(shù)據(jù)存儲器。此存儲器既要容量大又要封裝小,因此選擇了ATMEL公司的SPIFlash存儲器AT25F2048。該存儲器容量為2Mbit,8腳貼片封裝,通過4線SPI與MCU連接,數(shù)據(jù)傳輸率為12Mb/s??筛鶕?jù)數(shù)據(jù)手冊中的命令格式進行相關(guān)的讀寫以及擦除操作[5]。
1.5UART和USB接口單元
程序可以通過JTAG接口下載,但像菜庫、漢字庫只能通過UART/USB接口下載。MCU提供2個UART口,通過外接一個UART←→RS232變換的驅(qū)動芯片MAX3232,就可與PC的串口相連。MCU內(nèi)嵌一個USB2.0(設(shè)備)控制器[1],可以直接與PC的USB接口相連。同時,USB口還提供對設(shè)備進行充電的電源。
1.6電源管理單元
LTC3455是凌特公司針對手持應(yīng)用新推出的一個完整的單片電源管理解決方案,在4mm×4mm的24引腳QFN封裝內(nèi)集成了USB電源管理器、鋰離子電池充電器和雙DC-DC(5V~3.3V和5V~1.8V)轉(zhuǎn)換器,它把以前需要5個或更多芯片實現(xiàn)的幾個功能結(jié)合在一起。對電源進行無縫選擇(3選1),其過程完全是按優(yōu)先級自動進行的:5.0VAC適配器→USB電源→電池。在使用適配器或USB電源時,電池充電器被使能,而且器件內(nèi)部的電源完全由選擇的外部電源供電[3]。電源管理單元電路圖如圖3所示。圖中的CON1與PC的USB口相接,CON2與電源適配器相接,USBHP用于選擇USB電源的上限電流為500mA。P30用于使能SW2和熱插拔功能,P31用于指示電池的電量,P32用于指示ON腳的狀態(tài),P33用于使能本芯片,SW-VCC用于開啟/關(guān)閉輸出電源。
2軟件設(shè)計
軟件的開發(fā)環(huán)境為keilμVISION3,使用keilC51語言。系統(tǒng)的無線通信部分采用主從結(jié)構(gòu),從站由手持設(shè)備組成,主站由設(shè)在廚房的基站組成,工作方式采用主站輪詢、從站監(jiān)聽方式。為了避免多個從站爭用信道而發(fā)生沖突,規(guī)定只有主站向某個從站點名時,從站才向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件主要流程如圖4所示。
2.1CC1100的編程要點
(1)寄存器訪問
在不同速率下CC1100有不同的配置。為了獲得最佳性能,有些配置必須經(jīng)過復(fù)雜的計算才能獲得。Chipcon公司提供了SmartRFStudio軟件對有關(guān)的寄存器進行最佳配置。針對某一個速率,該軟件會自動提供一組最佳的寄存器配置參數(shù),程序員只需在初始化時把這些配置寫入相應(yīng)的寄存器即可。配置只能在CC1100處于IDLE狀態(tài)下時才能進行。
除了配置操作外,還有讀狀態(tài)、發(fā)命令和讀/寫Rx/TxFIFO操作。這些操作有相似的通信格式:head字節(jié)+data(讀和發(fā)命令操作除外)字節(jié)。Head由R/W(bit7)、Burst(bit6)和Addr(bit5~0)三部分組成。R/W標(biāo)示當(dāng)前操作是讀1還是寫0;Burst標(biāo)示當(dāng)前操作是訪問單個0還是多個1寄存器。但在讀狀態(tài)寄存器時是一個例外,雖然每次只能讀一個狀態(tài)寄存器,但該位必須為1,原因是狀態(tài)寄存器的地址與命令寄存器的地址是重疊的,因此對burst位進行了重定義;bit0~5(Addr)為寄存器的地址。
(2)狀態(tài)機
CC1100內(nèi)部有一個用于管理各個狀態(tài)之間相互切換的狀態(tài)機。當(dāng)前狀態(tài)可從狀態(tài)寄存器MARCSTATE獲得。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。命令、內(nèi)部事件和配置信息決定狀態(tài)切換。寄存器MCSM1中的TXOFF_MODE、RXOFF_MODE決定在完成發(fā)送操作、接收一個有效的包后將進入哪一個狀態(tài)。需要注意的是,具有省電功效的無線喚醒功能WOR能使CC1100在SLEEP狀態(tài)下周期性地自動轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài),然后再自動轉(zhuǎn)到Rx狀態(tài)。但如果在此狀態(tài)下沒有數(shù)據(jù)包可接收,將又回到SLEEP狀態(tài);否則,在接收完數(shù)據(jù)包之后,下一個狀態(tài)將由RXOFF_MODE決定,但不會進入SLEEP狀態(tài),必須在進入IDLE狀態(tài)時由MCU發(fā)送SWOR命令才能再次進入。在SLEEP狀態(tài)下,晶振是否繼續(xù)工作是由寄存器MCSM0中的XOSC_FORCE_ON決定的(0:繼續(xù)工作,1:停止工作)。在MCU訪問CC1100(CSn=0)時,無論XOSC_FORCE_ON為何值,晶振將總是工作。
(3)數(shù)據(jù)包的處理機制
CC1100的特點之一是在收發(fā)數(shù)據(jù)時對包處理的全面支持,包在發(fā)送時具有如圖6所示的格式。
前導(dǎo)碼提供包的位同步,它是由0和1交替排列組成的序列。當(dāng)進入Tx狀態(tài)時,調(diào)制器將根據(jù)MDMCFG2中的SYNC_MODE決定是否啟動發(fā)送前導(dǎo)碼,若允許發(fā)送,則其長度由MDMCFG1中的NUM_PREAMBLE決定。在發(fā)送完前導(dǎo)碼后,如果TXFIFO中有數(shù)據(jù),則立即發(fā)送同步字;否則,調(diào)制器將重復(fù)發(fā)送前導(dǎo)碼直到TXFIFO中有數(shù)據(jù),或者,在強制轉(zhuǎn)換到其他狀態(tài)時,停止發(fā)送前導(dǎo)碼。同步字提供包的byte同步。寄存器SYNC0和SYNC1中存放同步字的高低字節(jié)。SYNC_MODE還決定是否重復(fù)發(fā)送一次同步字。
CC1100支持4種格式的包,其中數(shù)據(jù)(凈荷)長度分別是:定長(小于255B)、變長(小于255B)、無限長(數(shù)據(jù)長度無效,手動終止包的發(fā)送)和有限長(數(shù)據(jù)長度有效,可以是任意值)。有限長格式是無限長和定長的綜合,本系統(tǒng)采用該格式。需要特別指出的是,上述格式中的數(shù)據(jù)長度都是假定PKTCTRL1中的CRC_AUTOFLUSH沒有被使能,否則,所有格式中的包長都不能超過63/64B,而且,在PKTCTRL1中的APPEND_STATUS被使能時,所有格式中的數(shù)據(jù)長度都應(yīng)減2。
在接收端把包中的數(shù)據(jù)放入RxFIFO之前,會自動進行前導(dǎo)碼、同步字、長度、地址(可選)和CRC校驗(可選)過濾,對不滿足要求的包,會自動丟棄,這大大減輕了MCU的負(fù)荷。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率,建議使能前向糾錯編碼(FEC)和數(shù)據(jù)白化功能。
2.2MCU的編程要點
由于引入了交叉棒的設(shè)計,所以與其他類型的MCU相比,該處理器的端口I/O方式配置比較復(fù)雜??砂聪铝胁襟E對端口I/O方式進行初始化:
(1)由端口輸入方式寄存器PnMDIN配置端口引腳的輸入方式(模擬或數(shù)字)。
(2)由端口輸出方式寄存器PnMDOUT配置端口引腳的輸出方式(漏極開路或推挽)。
(3)由端口跳過寄存器PnSKIP選擇應(yīng)被交叉開關(guān)跳過的那些引腳。
(4)由端口I/O交叉開關(guān)寄存器XBR0、XBR1、XBR2將引腳分配給要使用的外設(shè)。
(5)使能交叉開關(guān)(XBARE=1)。
本文介紹的無線手持設(shè)備,成本低、開發(fā)技術(shù)成熟、功耗低、接口豐富、電源選擇靈活、功能適用,具有很高的性價比。實驗結(jié)果表明,在樓宇內(nèi)的有效接收距離為35m左右,誤包率低于1%(115.2kb/s),完全能滿足中小型餐館的使用要求。如果還要再增加發(fā)射距離,可考慮在射頻收發(fā)單元增加功放。同時,由于C8051F340內(nèi)部集成了溫度傳感器和多達(dá)20路(48腳封裝)的10位AD輸入腳,經(jīng)過適當(dāng)?shù)母膭泳涂蛇m用于其他應(yīng)
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