摘要： 為了實現(xiàn)嵌入式手持終端系統(tǒng)的功耗低、體積小、性能穩(wěn)定的需求，以TI 公司的MSP430F449 的16 位低功耗微控制器為中央處理單元，Semtech 公司的SX1233 為射頻收發(fā)單元，設(shè)計了一種能廣泛應(yīng)用于餐飲、物流、無線抄表等領(lǐng)域的低成本、超低功耗的無線手持終端設(shè)備。分析了系統(tǒng)的功耗和編程特點，給出了系統(tǒng)軟件的設(shè)計方案。實測結(jié)果表明，所設(shè)計的無線手持終端設(shè)備性能穩(wěn)定、靈活可調(diào)，達到了設(shè)計要求。

　　隨著計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展，手持終端設(shè)備在物流、酒店服務(wù)、無線抄表等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的， 涉及多學(xué)科、高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微計算機技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)的進步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴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、真實的信息。無線傳感器網(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)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠程控制等領(lǐng)域。

　　無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等人機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)計的主要難點。

　　文中根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、能耗小、組網(wǎng)靈活，等多種優(yōu)勢，以及手持終端設(shè)備對設(shè)備體積、功耗等方面的技術(shù)要求，設(shè)計了一種低功耗、結(jié)構(gòu)緊湊，具有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特性的手持終端，用于餐館點菜系統(tǒng)。由于可通過無線通信接口實現(xiàn)程序升級，所設(shè)計的產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于餐館點菜、無線抄表、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。

　　1 硬件設(shè)計

　　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

　　1.1 MCU 單元

　　MSP430F449 是IT 公司推出的一種超低功耗單片機，它的主要特點有：

　　1）超低功耗：其電源電壓采用1.8~3.6 V,待機電流小于1 μA,在RAM 數(shù)據(jù)保持方式時耗電僅0.1 ΜA,在活動模式時耗電250 μA/MIPS（MIPS:每秒百萬條指令數(shù)），I/O 輸入輸出口的漏電流為50 nA.MSP430F449 有獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計， 包括2 個不同的時鐘系統(tǒng)： 基本時鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)（FLL 和FLL+）時鐘系統(tǒng)或DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。由時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU 和各功能模塊所需的時鐘，這些時鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時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 種活動模式和5種低功耗模式。另外它采用矢量中斷，支持多個中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請求將CPU 喚醒短只要1 μs,通過合理編程，既可以系統(tǒng)功耗，又可以對外部事件請求作出快速響應(yīng)。

　　2）強大的處理能力：MSP430F449 是16 位單片機，采用了目前流行的精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，1 個時鐘周期可以執(zhí)行1 指令。同時它還采用了16 位多功能硬件乘法器等一系列先進的體系結(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、看門狗計時器（WDT）、多個16 位定時器等。

　　4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定：上電復(fù)位后，首先由DCO_CLK 啟動CPU（數(shù)字控制振蕩器DCO 是單片機內(nèi)置的），以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證外接的晶振有足夠的起振和穩(wěn)定時間。然后通過軟件設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂茷閬泶_定的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU 時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作。

　　MCU 是手持終端系統(tǒng)的，在無事件發(fā)生的情況下工作于LPM3 低功耗狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下或有無線數(shù)據(jù)接收時，MCU 可響應(yīng)并退出LPM3 狀態(tài)進入活動工作狀態(tài)。

　　MSP430F449 功能豐富，編程方式靈活，完全可滿足手持終端的設(shè)計要求。

　　1.2 無線收發(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，增強了對弱信號的接收能力， 而且能夠以1 dB 步長編程的發(fā)射機（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也能保證穩(wěn)定的通信[5].另外，采用True RFTM 技術(shù)，無需使用SAW 濾波器，在獲得低成本外接元件數(shù)的同時， 仍能滿足ETSI 與FCC 的規(guī)定。SX1233 還集成了VCO 儲能器、PLL 環(huán)濾波器以及一個RF 開關(guān)，進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CRC錯誤檢查、AES-128 加密和一個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,已通過規(guī)范的，包括歐盟（ETSI EN 300-220-1）、北美（FCC part 15），以及韓國和日本的ARIB 監(jiān)管標(biāo)準。它還支持的調(diào)制格式（FSK、GFSK、MSK、GMSK、OOK）。

　　為了防止射頻干擾，無線收發(fā)單元采用射頻板材單獨制版， 并用金屬罩對其進行屏蔽， 通過10×2 連接器與主板相連。如圖2 所示，因為單片機的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 分別與單片機的P2.0-P2.5 連接，便于數(shù)據(jù)收發(fā)過程中的狀態(tài)檢測。SPI 口連接單片機的P3.0-P3.3,將單片機的USART0 設(shè)置為SPI 工作模式，單片機通過該SPI 口對SX1233 進行參數(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

　　在手持終端的設(shè)計中，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存儲器中，即使發(fā)生掉電情況也不會丟失，用戶可根據(jù)需要進行設(shè)置。其余參數(shù)不可改變。

　　1.3 鍵盤和LCD 顯示單元

　　鍵盤包括開關(guān)鍵、功能鍵、數(shù)字加一鍵、光標(biāo)移動鍵。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)動模塊，因此既節(jié)省了成本也減小了體積。它的LCD 驅(qū)動模塊顯示段數(shù)為40×4=160 段，能夠直接顯存讀寫，控制顯示，自動產(chǎn)生液晶驅(qū)動信號， 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 采用基本定時器1 分鐘定時檢測電源電壓，當(dāng)電池電壓低于3.0 V 時主動報警。檢測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)換器實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換即可計算出實際電源電壓的大小。

　　2 軟件設(shè)計

　　軟件的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench, 使用C430 語言。系統(tǒng)的無線通信部分采用標(biāo)準MODBUS 協(xié)議，為點對多點的通信方式。主機由設(shè)在廚房的基站組成，從機為手持終端，每一個手持終端都擁有一個的地址，工作方式為主站輪詢，從站監(jiān)聽的方式。系統(tǒng)軟件的主要流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序框圖

　　無事件發(fā)生時，MCU 進入LPM3 低功耗模式，SX1233 進入Sleep 模式。當(dāng)服務(wù)員使用按鍵記錄客人點菜時，MCU 被激活。菜單數(shù)據(jù)存放在MCU 的FLASH 存儲器中，記錄客人點菜時只需將菜名序號存放即可， 點菜完成后MCU 重新進入LPM3 低功耗模式。

　　當(dāng)SX1233 被喚醒時，會從Sleep 狀態(tài)中進入接收工作狀態(tài)并觸發(fā)MCU 退出LPM3 模式， 當(dāng)發(fā)現(xiàn)通信地址非本機地址時立即中斷接收，SX1233 重新進入Sleep 狀態(tài)，MCU 進入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進入LPM3 低功耗模式。

　　2.1 MCU 編程要點

　　IO 口配置： MSP430 的多數(shù)IO 口都有2 種或以上的功能，每個IO 位都可以獨立編程，因此初始化時要對IO 口進行配置。

　　LPM3 低功耗模式： MSP430F449 有5 種低功耗模式，即LPM0-LPM4.本系統(tǒng)設(shè)計在沒有按鍵和數(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，只有低速時鐘ACLK（32 768 Hz）活動[3].因此當(dāng)按鍵或無線偵聽激活MCU 時，程序應(yīng)立刻從LPM3 模式中退出。

　　MCU 的FLASH 存儲區(qū)分配： MSP430F449 不同于傳統(tǒng)的51 單片機， 其存儲器為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)， 其FLASH 區(qū)有60KB+256B.本系統(tǒng)地址分配如下：

　　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

　　升級程序區(qū)                      0XE000-0XFDFF

　　2.2 SX1233 編程要點

　　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。考慮到點菜系統(tǒng)對通信實時性要求不高，收發(fā)器休眠時偵聽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)實際需要進行設(shè)置。為減小MCU 負擔(dān)，系統(tǒng)采用包（Packet）模式工作。

　　3 結(jié)束語

　　文中介紹的無線手持終端，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，技術(shù)開發(fā)成熟、功耗低，性價比高。實驗結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)射功率設(shè)置為10 dB 時，在樓宇內(nèi)的有效收發(fā)距離為80 m 左右，誤包率低于1%,完滿足中小型餐館的使用要求。由于系統(tǒng)程序具有升級功能，因此經(jīng)過適當(dāng)?shù)母膭泳涂蛇m用于其他應(yīng)用場合，例如工業(yè)監(jiān)控等。因此，該方案有較大的推廣價值和廣闊的市場前景。

參考文獻:

[1]. MSP430F449  datasheet http://hbjingang.com/datasheet/MSP430F449+_17403.html.
[2]. RISC datasheet http://hbjingang.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3]. ACR datasheet http://hbjingang.com/datasheet/ACR_2278911.html.
[4]. C430  datasheet http://hbjingang.com/datasheet/C430+_202039.html.
[5]. MSP430  datasheet http://hbjingang.com/datasheet/MSP430+_490166.html.