基于CC1100的無(wú)線手持終端的設(shè)計(jì)

1.1 MCU單元
C8051F340（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MCU）是一款具有全速USB功能的混合信號(hào)Flash微控制器，其內(nèi)置256kB+4KB的RAM和64KB的Flash存儲(chǔ)器；精確校準(zhǔn)(0.25%)的12MHz內(nèi)部振蕩器(工作時(shí)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(jì)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(jià)比“最高”的射頻單片收發(fā)器芯片，它體積?。?0pins，QLP 44mm）、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(jī)電流，待機(jī)模式下的啟動(dòng)時(shí)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(hào)強(qiáng)度指示)輸出、無(wú)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(dú)做一塊PCB板，并用金屬罩對(duì)其進(jìn)行電磁屏蔽，通過(guò)一個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)包，它可作為MCU的外部中斷源信號(hào)。在缺省情況下，GDO0會(huì)輸出一個(gè)頻率為晶振頻率(192Hz)的方波，這可作為在調(diào)試時(shí)判斷CC1100是否正常工作的依據(jù)。SCLK（串行時(shí)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(shí)現(xiàn)MCU與CC1100的SPI接口相連。MCU對(duì)CC1100的配置、控制和數(shù)據(jù)收發(fā)都通過(guò)該SPI接口進(jìn)行。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)要讓晶振與芯片引腳盡量靠近，并用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離開(kāi)，晶振外殼接地并固定，元件都使用SMT(表帖式)元件，以減少過(guò)孔和體積。VCC為3.3V。C4、C5、C6和L3、L4組成一個(gè)非平衡變壓器，用于在差分和單端RF（射頻）信號(hào)之間進(jìn)行變換，C1、C2、C3和L1、L2組成一個(gè)LC濾波器，它與非平衡變壓器一起實(shí)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(gè)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(pán)和LCD顯示單元
鍵盤(pán)包括數(shù)字鍵、發(fā)射鍵、方向鍵、多功能鍵、電源開(kāi)/關(guān)鍵等，它由一個(gè)8行3列的矩陣和一個(gè)獨(dú)立的鍵(電源開(kāi)/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(shí)，立即讀取P4口的內(nèi)容，可獲得當(dāng)前按下的鍵。電源開(kāi)/關(guān)鍵直接與電源管理芯片的啟動(dòng)/關(guān)閉腳相連。
UC1610為具有128160點(diǎn)陣的4個(gè)灰度級(jí)偽彩LCD控制器和驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)為超低功耗的手持設(shè)備設(shè)計(jì)，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(shí)，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(duì)其控制可參考其數(shù)據(jù)手冊(cè)^[4]。
1.4 存儲(chǔ)器單元
MCU的片內(nèi)存儲(chǔ)器已足夠存放程序代碼，但由于要存放漢字庫(kù)和菜庫(kù)，所以必須外接一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此存儲(chǔ)器既要容量大又要封裝小，因此選擇了ATMEL公司的SPI Flash存儲(chǔ)器AT25F2048。該存儲(chǔ)器容量為2Mbit，8腳貼片封裝，通過(guò)4線SPI與MCU連接，數(shù)據(jù)傳輸率為12Mb/s。可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的命令格式進(jìn)行相關(guān)的讀寫(xiě)以及擦除操作^[5]。
1.5 UART和USB接口單元
程序可以通過(guò)JTAG接口下載，但像菜庫(kù)、漢字庫(kù)只能通過(guò)UART/USB接口下載。MCU提供2個(gè)UART口，通過(guò)外接一個(gè)UART← →RS232變換的驅(qū)動(dòng)芯片MAX3232，就可與PC的串口相連。MCU內(nèi)嵌一個(gè)USB2.0（設(shè)備）控制器^[1]，可以直接與PC的USB接口相連。同時(shí)，USB口還提供對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電的電源。
1.6 電源管理單元
LTC3455是凌特公司針對(duì)手持應(yīng)用新推出的一個(gè)完整的單片電源管理解決方案，在4mm4mm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(gè)或更多芯片實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)功能結(jié)合在一起。對(duì)電源進(jìn)行無(wú)縫選擇（3選1），其過(guò)程完全是按優(yōu)先級(jí)自動(dòng)進(jìn)行的：5.0V AC適配器→USB電源→電池。在使用適配器或USB電源時(shí)，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(kāi)啟/關(guān)閉輸出電源。

2 軟件設(shè)計(jì)
軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為keil μVISION3，使用keil C51語(yǔ)言。系統(tǒng)的無(wú)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(tīng)方式。為了避免多個(gè)從站爭(zhēng)用信道而發(fā)生沖突，規(guī)定只有主站向某個(gè)從站點(diǎn)名時(shí)，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。

2.1 CC1100的編程要點(diǎn)
(1)寄存器訪問(wèn)
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(guò)復(fù)雜的計(jì)算才能獲得。Chipcon公司提供了SmartRF Studio軟件對(duì)有關(guān)的寄存器進(jìn)行最佳配置。針對(duì)某一個(gè)速率，該軟件會(huì)自動(dòng)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(shí)把這些配置寫(xiě)入相應(yīng)的寄存器即可。配置只能在CC1100處于IDLE狀態(tài)下時(shí)才能進(jìn)行。
除了配置操作外，還有讀狀態(tài)、發(fā)命令和讀/寫(xiě)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(biāo)示當(dāng)前操作是讀1還是寫(xiě)0；Burst標(biāo)示當(dāng)前操作是訪問(wèn)單個(gè)0還是多個(gè)1寄存器。但在讀狀態(tài)寄存器時(shí)是一個(gè)例外，雖然每次只能讀一個(gè)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(duì)burst位進(jìn)行了重定義；bit0～5（Addr）為寄存器的地址。
(2)狀態(tài)機(jī)
CC1100內(nèi)部有一個(gè)用于管理各個(gè)狀態(tài)之間相互切換的狀態(tài)機(jī)。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(gè)有效的包后將進(jìn)入哪一個(gè)狀態(tài)。需要注意的是，具有省電功效的無(wú)線喚醒功能WOR能使CC1100在SLEEP狀態(tài)下周期性地自動(dòng)轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)，然后再自動(dòng)轉(zhuǎn)到Rx狀態(tài)。但如果在此狀態(tài)下沒(méi)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(gè)狀態(tài)將由RXOFF_MODE決定，但不會(huì)進(jìn)入SLEEP狀態(tài)，必須在進(jìn)入IDLE狀態(tài)時(shí)由MCU發(fā)送SWOR命令才能再次進(jìn)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(wèn)CC1100（CSn=0）時(shí)，無(wú)論XOSC_FORCE_ON為何值，晶振將總是工作。

(3)數(shù)據(jù)包的處理機(jī)制
CC1100的特點(diǎn)之一是在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)包處理的全面支持，包在發(fā)送時(shí)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(jìn)入Tx狀態(tài)時(shí)，調(diào)制器將根據(jù)MDMCFG2中的SYNC_MODE決定是否啟動(dòng)發(fā)送前導(dǎo)碼，若允許發(fā)送，則其長(zhǎng)度由MDMCFG1中的NUM_PREAMBLE決定。在發(fā)送完前導(dǎo)碼后，如果TX FIFO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TX FIFO中有數(shù)據(jù)，或者，在強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到其他狀態(tài)時(shí)，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(zhǎng)度分別是：定長(zhǎng)(小于255B)、變長(zhǎng)(小于255B)、無(wú)限長(zhǎng)（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度無(wú)效，手動(dòng)終止包的發(fā)送）和有限長(zhǎng)（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有效，可以是任意值）。有限長(zhǎng)格式是無(wú)限長(zhǎng)和定長(zhǎng)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(zhǎng)度都是假定PKTCTRL1中的CRC_AUTOFLUSH沒(méi)有被使能，否則，所有格式中的包長(zhǎng)都不能超過(guò)63/64B，而且，在PKTCTRL1中的APPEND_STATUS被使能時(shí)，所有格式中的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都應(yīng)減2。
在接收端把包中的數(shù)據(jù)放入Rx FIFO之前，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行前導(dǎo)碼、同步字、長(zhǎng)度、地址（可選）和CRC校驗(yàn)（可選）過(guò)濾，對(duì)不滿足要求的包，會(huì)自動(dòng)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(cuò)編碼（FEC）和數(shù)據(jù)白化功能。
2.2 MCU的編程要點(diǎn)
由于引入了交叉棒的設(shè)計(jì)，所以與其他類(lèi)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(duì)端口I/O方式進(jìn)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(kāi)路或推挽）。
(3)由端口跳過(guò)寄存器PnSKIP選擇應(yīng)被交叉開(kāi)關(guān)跳過(guò)的那些引腳。
(4)由端口I/O交叉開(kāi)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(kāi)關(guān)（XBARE=1）。
本文介紹的無(wú)線手持設(shè)備，成本低、開(kāi)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(jià)比。實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(guò)適當(dāng)?shù)母膭?dòng)就可適用于其他應(yīng)用場(chǎng)合，例如RFID、工業(yè)監(jiān)控等。因此，該方案有較大的推廣價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。
參考文獻(xiàn)
[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(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.