1 硬件設計
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（射頻信號的調制與解調、發(fā)射與接收和對數(shù)據進行打包與解包等）、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。
1.1 MCU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，其內置256kB+4KB的RAM和64KB的Flash存儲器；精確校準(0.25%)的12MHz內部振蕩器(工作時外部不必接晶振)，處理速度可達48MIPS；基于JTAG接口的非侵入式在系統(tǒng)調試接口等[1]。其功能和性能完全滿足設計要求。
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，QLP 4×4mm）、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+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，這可作為在調試時判斷CC1100是否正常工作的依據。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)據收發(fā)都通過該SPI接口進行。在設計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的偏壓設置一個精準的參考電流。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/關鍵等，它由一個8行×3列的矩陣和一個獨立的鍵(電源開/關)組成。其中的行線與MCU的數(shù)據線（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口的內容，可獲得當前按下的鍵。電源開/關鍵直接與電源管理芯片的啟動/關閉腳相連。
UC1610為具有128×160點陣的4個灰度級偽彩LCD控制器和驅動器，專為超低功耗的手持設備設計，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，應把CD、WR0和WR1接地，D0、D3分別與MCU的SCL、SDA相連，數(shù)據線中的其他位接地。對其控制可參考其數(shù)據手冊[4]。
1.4 存儲器單元
MCU的片內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SPI Flash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)據傳輸率為12Mb/s?？筛鶕?shù)據手冊中的命令格式進行相關的讀寫以及擦除操作[5]。
1.5 UART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變換的驅動芯片MAX3232，就可與PC的串口相連。MCU內嵌一個USB2.0（設備）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）轉換器，它把以前需要5個或更多芯片實現(xiàn)的幾個功能結合在一起。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：5.0V AC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/關閉輸出電源。
2 軟件設計
軟件的開發(fā)環(huán)境為keil μVISION3，使用keil C51語言。系統(tǒng)的無線通信部分采用主從結構，從站由手持設備組成，主站由設在廚房的基站組成，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。系統(tǒng)軟件主要流程如圖4所示。
2.1 CC1100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，有些配置必須經過復雜的計算才能獲得。Chipcon公司提供了SmartRF Studio軟件對有關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/Tx FIFO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標示當前操作是讀1還是寫0；Burst標示當前操作是訪問單個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。當前狀態(tài)可從狀態(tài)寄存器MARCSTATE獲得。狀態(tài)轉移圖如圖5所示。命令、內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)下周期性地自動轉到IDLE狀態(tài)，然后再自動轉到Rx狀態(tài)。但如果在此狀態(tài)下沒有數(shù)據包可接收，將又回到SLEEP狀態(tài)；否則，在接收完數(shù)據包之后，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)據包的處理機制
CC1100的特點之一是在收發(fā)數(shù)據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。
前導碼提供包的位同步，它是由0和1交替排列組成的序列。當進入Tx狀態(tài)時，調制器將根據MDMCFG2中的SYNC_MODE決定是否啟動發(fā)送前導碼，若允許發(fā)送，則其長度由MDMCFG1中的NUM_PREAMBLE決定。在發(fā)送完前導碼后，如果TX FIFO中有數(shù)據，則立即發(fā)送同步字；否則，調制器將重復發(fā)送前導碼直到TX FIFO中有數(shù)據，或者，在強制轉換到其他狀態(tài)時，停止發(fā)送前導碼。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還決定是否重復發(fā)送一次同步字。
CC1100支持4種格式的包，其中數(shù)據（凈荷）長度分別是：定長(小于255B)、變長(小于255B)、無限長（數(shù)據長度無效，手動終止包的發(fā)送）和有限長（數(shù)據長度有效，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)據長度都應減2。
在接收端把包中的數(shù)據放入Rx FIFO之前，會自動進行前導碼、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的負荷。為了提高數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_率，建議使能前向糾錯編碼（FEC）和數(shù)據白化功能。
2.2 MCU的編程要點
由于引入了交叉棒的設計，所以與其他類型的MCU相比，該處理器的端口I/O方式配置比較復雜。可按下列步驟對端口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選擇應被交叉開關跳過的那些引腳。
(4)由端口I/O交叉開關寄存器XBR0、XBR1、XBR2將引腳分配給要使用的外設。
(5)使能交叉開關（XBARE=1）。
本文介紹的無線手持設備，成本低、開發(fā)技術成熟、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。實驗結果表明，在樓宇內的有效接收距離為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內部集成了溫度傳感器和多達20路（48腳封裝）的10位AD輸入腳，經過適當?shù)母膭泳涂蛇m用于其他應用場合，例如RFID、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] C8051F34X User′s Manual.Silicon Laboratories Inc，2005.
[2] CC1100 User′s Manual.Texas Instruments.http：//www.ti.com.
[3] LTC3455 data sheet.www.linear.com.
[4] UC1610 data sheet.www.adultpdf.com.
[5] AT25F2048 data sheet.www.atmel.com.
[6] 童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程.北京：北京航空航天大學出版社，2005.
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