手持式無線終端系統(tǒng)設(shè)計
酒吧無線服務(wù)系統(tǒng)分為用戶無線終端設(shè)備和中心計費管理器兩部分。其中用戶無線終端設(shè)備置于吧臺，中心計費管理器置于服務(wù)總臺。各個吧臺可隨時向服務(wù)總臺發(fā)出服務(wù)請求，服務(wù)總臺接收后將及時響應(yīng)；同時吧臺之間也可進行信息交流。用戶無線終端設(shè)備與中心計費管理器之間利用434 MHz左右的射頻信號進行通信，通信速率最高可達20 kb/s。其中用戶無線終端設(shè)備采用
433.93 MHz(434.33 MHz)的射頻收發(fā)器nRF401，以及TI公司的超低功耗微控制器MSP430F122,3.6 V充電電池供電，待機時間大于180小時。使用64×128點陣式液晶顯示器提供4×8每屏32個漢字顯示功能，具有密碼、帳號控制，短信息收發(fā)功能，同時接收到短信息后能產(chǎn)生發(fā)光二極管閃耀和聲音提示。中心計費管理器采用相同的射頻收發(fā)器,ST89E564微控制器以及EEPROM存儲器(用于保存用戶計費數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和其他系統(tǒng)參數(shù))，240×320點陣式液晶顯示器，4×4的16鍵盤，串行打印機接口。具有用戶無線終端設(shè)備密碼、帳號管理，短信息發(fā)送控制，以及短信息的轉(zhuǎn)發(fā)和計費，計費數(shù)據(jù)統(tǒng)計，故障聲光報警功能，使用220 V交流電源供電。本設(shè)計已成功應(yīng)用于酒吧的無線交友、服務(wù)系統(tǒng)，改進后也可實現(xiàn)酒店的無線點菜系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由無線終端設(shè)備、中心計費管理器兩部分組成。中心計費管理器分時查詢無線終端設(shè)備是否有短信息發(fā)送。有，則通過管理器將短信息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的無線終端設(shè)備。無線終端設(shè)備接收確認后，中心計費管理器將為發(fā)送端無線終端設(shè)備記錄通信費；同時，中心計費管理器提供無線終端設(shè)備管理、通信費統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 無線終端設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計
無線終端設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由微控制器MSP430F122、射頻收發(fā)器nRF401、RS一232接口、串行存儲器、64×128點陣式LCD顯示屏、PCB環(huán)行天線以及電源電路組成。無線終端設(shè)備中，nRF401通過天線接收來自中心計費管理器的射頻信號，解碼后經(jīng)串口以全透明方式傳送給微控制器MSP430F122進行相應(yīng)處理。發(fā)送時，MSP430F122通過串口將數(shù)據(jù)流傳送給射頻收發(fā)器nRF40l，nRF401直接將串行數(shù)據(jù)流經(jīng)天線向外發(fā)射。
3.1 MSP430F122微控制器
MSP430F122是TI(美國德州儀器公司)設(shè)計的一款超低功耗16位微控制器。MSP430F122工作電壓范圍為1.8～3．6 V；在1 MHz時，不同運行模式下的額定工作電流為0．1～200μA；具有五種節(jié)能模式，從等待方式喚醒時間只需6μs，可以使系統(tǒng)在保證正常運行條件下最大限度地降低功耗；適應(yīng)于電池供電的手持設(shè)備。
3.2 射頻收發(fā)電路
(1)射頻收發(fā)器nRF401
nRF401是一種為433 MHz ISM頻段設(shè)計的單片無線收發(fā)芯片，Nordic VLIS公司生產(chǎn)，采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)。nRF401最高工作頻率可以達到20 kHz，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射電平是+10 dBm；具有待機模式，便于節(jié)能和高效。nRF401的工作電壓范圍為2.7～5 V，外圍元件非常少，無須進行初始化和配置，不需要對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼；串行數(shù)據(jù)接口采用全透明方式傳輸；系統(tǒng)中天線接口可設(shè)計使用低成本的PCB環(huán)行天線，具體功能框圖如圖3所示。
(2)發(fā)送和接收頻率對晶體的要求
為了獲得最好的RF性能，發(fā)送和接收頻率誤差不能超過70×10-6(30 Hz)，這就要求晶體的穩(wěn)定度不能低于±35×10-6，頻率的差異將會導(dǎo)致接收靈敏度產(chǎn)生一12dB/倍程的損失。例如，一個±20×10-6頻率精度和在溫度范圍內(nèi)±25×10-6穩(wěn)定度的晶體，最大的頻率誤差將會超過±45×10-6。如果發(fā)送端和接收端工作在不同的溫度環(huán)境，在最糟糕的情況下兩方的誤差將會超過90×10-6，結(jié)果導(dǎo)致接收端靈敏度下降大約5 dB.
(3)天線設(shè)計
ANTl和ANT2是接收時LNA的輸入及發(fā)送時的輸出。nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的。在天線端推薦的負載阻抗是400Ω。本系統(tǒng)采用PCB環(huán)行天線。PCB環(huán)行天線的幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中天線的物理參數(shù)為：a1——天線長度(mm)，a2——天線寬度(mm)，d——饋送長度(mm)，b1——環(huán)行導(dǎo)體寬度(mm)，b2——環(huán)行導(dǎo)體厚度(mm)。
環(huán)行天線通過C1、C2將諧振頻率調(diào)整到433 MHz，其中電阻Rq用于控制天線的Q值，天線的環(huán)行導(dǎo)體寬度b1為1 mm。與天線相關(guān)的電容、電阻、電感須滿足精度和溫度系數(shù)的要求。環(huán)行天線的等效電路如圖5所示。
根據(jù)接收和發(fā)送距離的不同要求，可調(diào)整天線的幾何尺寸，具體計算方法下面描述。
在系統(tǒng)中，a1=30 mm，a2=50 mm，銅層厚度b2=35 μm，Q=50，天線的工作頻率為fO。設(shè)計中，發(fā)射電平S為10 dBm(10 mW)，接收靈敏度．RRF為一103 dBm(O.050 12 pW)，可以計算出天線的效率η以及信號理想傳輸距離D。
(4)PCB布局和電源設(shè)計
在無線設(shè)備中，合理的PCB設(shè)計對于獲得好的RF性能是必需的。本系統(tǒng)中，電路板使用至少兩層板來設(shè)計。nRF401的直流供電必須在電源(VDD)引腳盡可能近的地方采用高性能的RF電容去耦。如果一個小電容再并上一個較大的電容(2.2μF)效果會更好。nRF401的電源必須經(jīng)過很好的濾波，同時與數(shù)字電路供電分離。在PCB的設(shè)計中避免長的電源走線，所有射頻部分元件的地線、電源線、電源去耦電容必須離nRF401盡可能近，而且元件的地線要盡可能近地通過過孔連接到地線覆銅面。所有開關(guān)數(shù)字信號和控制信號都不能經(jīng)過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。注意，數(shù)字地與模擬地應(yīng)一點相連，兩者之間采用電容、磁珠(電感)JI型濾波；同時，應(yīng)考慮晶體布線，晶體與MSP43F122引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶體外殼接地并固定。條件允許的情況下，也可在晶體的輸出端接一只PulseCore的抑制電磁干擾的器件，提高系統(tǒng)的電磁兼容性能。中心計費管理器與無線終端設(shè)備的硬件電路設(shè)計相似。
4 軟件設(shè)計
中心計費管理器與無線終端設(shè)備之間采用一點對多點的通信方式。中心計費管理器先發(fā)送地址包，后發(fā)送數(shù)據(jù)包。無線終端設(shè)備接收地址包后與設(shè)備地址進行比較，若相同則獲得通信鏈路的控制權(quán)，可與中心計費管理器進行數(shù)據(jù)交換。中心計費管理器以輪詢的方式實現(xiàn)與不同無線終端設(shè)備的通信。
在軟件設(shè)計上應(yīng)考慮糾錯，數(shù)據(jù)的發(fā)送不用長包，而應(yīng)采用短包方式(每次小于20字節(jié))，中間加延時以及前導(dǎo)碼，來保證起始位的可靠。
通信協(xié)議方面也要仔細考慮。通信協(xié)議重要的一點就是，能夠識別噪聲和有效數(shù)據(jù)。噪聲是以隨機字節(jié)出現(xiàn)的，沒有明顯的規(guī)律。通過測試和試驗，發(fā)現(xiàn)OxFF后跟Ox00在噪聲中不容易發(fā)生，傳輸協(xié)議應(yīng)該在有效數(shù)據(jù)包前加前導(dǎo)碼OxFF后跟0x00。發(fā)送協(xié)議的開始應(yīng)該加任意內(nèi)容的字節(jié)(因為第一個字節(jié)的數(shù)據(jù)在發(fā)送時易失真)，然后是OxFF后跟一個Ox00；接收協(xié)議規(guī)定，接收以0xFF后跟一個Ox00開始的數(shù)據(jù)包為有效數(shù)據(jù)。
中心計費管理器提供了故障處理功能。正常情況下，有兩臺中心計費管理器同時運行：一臺處于運行模式，另一臺處于備份模式。正常運行時，處于運行模式的管理器在查詢、控制無線終端設(shè)備的過程中，定時將計費數(shù)據(jù)傳送給處于備份模式的管理器。當備份管理器在一定時間內(nèi)接收不到運行管理器的數(shù)據(jù)時，將自動切換為運行模式并產(chǎn)生聲光報警信息，提示操作員及時處理。
結(jié) 語
本系統(tǒng)以單片UHF無線收發(fā)集成電路為核心，結(jié)構(gòu)簡潔，穩(wěn)定可靠。同時采用了MSP430系列超低功耗微控制器，軟件設(shè)計方面也充分考慮了節(jié)能處理方法，降低了系統(tǒng)的功耗，使用高容量鎳氫電池可實現(xiàn)系統(tǒng)的便攜功能，使用時間長。目前系統(tǒng)在酒吧應(yīng)用穩(wěn)定，以后將應(yīng)用到酒店的點菜系統(tǒng)。
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