超低功耗單片機MSP430F413實現(xiàn)的智能遙控器設計

引言
目前市場上常見的無線遙控器多數(shù)為四鍵和十二鍵，主要用于汽車防盜系統(tǒng)、家庭防盜系統(tǒng)及遙控玩具等方面，這些應用簡單、實用、成本低。但對于一些工程中需要距離在100米以上，控制或設定一些數(shù)據(jù)時，并要求一個遙控器對多于12個甚至上百個設備時，上述遙控器對操作人員就不方便，而且系統(tǒng)性能不夠穩(wěn)定。鑒于上述情況我們便提出在此基礎(chǔ)上，采用單片機編寫地址，通過操作鍵設置，液晶顯示遙控器的輸出。同時對耗電量、多個控制的設定、便于攜帶、操作方便及性能穩(wěn)定等的嚴格要求，于是便設計開發(fā)出一種新型智能遙控器。該型遙控器以TI公司的超低功耗單片機MSP430F413為微處理器，配有低功耗3位液晶顯示器EDS812A，還有傳輸比很高的光，整個系統(tǒng)采用鋰電池和高能氧化銀電池作為供電電源，并且有功耗少、體積小、重量輕、易于編程和使用壽命長等特點。此外它使用安全可靠，便于攜帶，方便其它類似工程實際采用，移植性強。該遙控器的電路原理框圖如圖1所示,由電源電路、液晶顯示、按鍵控制、地址輸出、發(fā)射模塊等電路組成。
圖1 智能遙控器原理框圖

單片機接口
MSP430F413單片機是TI公司最近推出的超低功耗混合信號16位單片機系列中的一種。它采用16位精簡指令系統(tǒng)，125ns指令周期，大部分的指令在一個指令周期內(nèi)完成，16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率，而且片內(nèi)含有硬件乘法器，大大節(jié)省運算的時間。該芯片采用低功耗設計，具有五種低功耗模式，供電電壓范圍為1.8~3.6V，在工作模式下：2.2伏工作電壓1MHz工作頻率時電流為225uA；在待機模式電流為0.7uA；掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持不變)電流為0.1uA。所以特別適用長期使用電池工作的場合。它采用數(shù)字控制振蕩器(DCO)，使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于6us。該芯片具有8KB+256B Flash Memory，256B RAM，采用串行在線編程方式，為用戶編譯程序和控制參數(shù)提供靈活的空間，內(nèi)部的安全保密熔絲可使程序不必非法復制。此外，MSP430F413具有強大的中斷功能，48個通用I/O引腳，96段LCD驅(qū)動器，一個16位定時器，這樣提高了對外圍設備的開發(fā)能力。
    由于考慮到本設計有低功耗，小體積，液晶顯示，按鍵編址等要求，所以選用了MSP430F413型單片機芯片，在線系統(tǒng)設計、開發(fā)調(diào)試及實際應用上都表現(xiàn)出與其它單片機非常明顯的優(yōu)勢。單片機接口電路原理圖如圖2所示。
電源電路
這個系統(tǒng)的電源回路由兩個獨立的電源組成，互不干擾，之所以采用兩組獨立的供電系統(tǒng)，主要從以下幾個方面考慮：1、實際使用中發(fā)現(xiàn)單片機工作時對接收電路產(chǎn)生干擾，影響控制功能；2、隨著遙控距離的不同，發(fā)射電流也不同，距離越遠電流越大，直接影響單片機的工作；3、發(fā)射模塊的最佳工作電壓為12V左右，而單片機系統(tǒng)的工作電壓為1.8-3.6V，這樣就得采用通用DC-DC降壓芯片，成本就會增加。此外發(fā)射模塊與單片機系統(tǒng)共地，它們之間干擾無法徹底消除。鑒于以上因素，從實際使用角度出發(fā)，采用鋰電池和高能氧化銀電池獨立供電。
    單片機系統(tǒng)采用一節(jié)鋰電池CR2032（容量210mAh，電壓3.0V，直徑20mm，高度3.2mm）供電。遙控器部分為兩節(jié)高能氧化銀電池476A（容量165mAh，電壓6.0V，直徑13mm，高度25.2mm）串聯(lián)供電。整個系統(tǒng)的電流工作時小于1 mA，不工作時小于3uA。單片機部分無鍵操作時，可關(guān)閉電源開關(guān)或隔20分鐘后系統(tǒng)自動處于低功耗模式3，這樣可節(jié)省能量；遙控器部分電源在無鍵操作時，不消耗電能。故此系統(tǒng)的電源回路設計可達到耗電少、經(jīng)濟實用、性能穩(wěn)定可靠的指標。
按鍵控制部分
    該遙控器共有6個按鍵：2個設置鍵(KEY1,KEY2)，4個功能鍵(S1-S4)，共同完成特定的功能操作。出于對低功耗設計要求，在有鍵按下時盡可能減少系統(tǒng)功耗，故在地址輸出部分與液晶顯示部分采用組合鍵來完成，即就是在液晶設置完成后再按確定鍵KEY2，才有地址輸出。這時按功能鍵才有遠程控制功能，否則不能遙控。同時掃描按鍵操作，若在20分鐘左右無鍵按下，則使MSP430單片機進入低功耗模式3；若有任意鍵按下時重新開始設置地址并輸出。
圖2 單片機接口電路原理圖
液晶顯示模塊
    液晶顯示器采用的是西安新敏電子有限公司的標準段式低功耗3位液晶顯示器EDS812A，有23個段輸出和1個公共端輸出。利用MSP430F413單片機自身具有液晶驅(qū)動LCD96段來完成系統(tǒng)的顯示接口，因此采用靜態(tài)驅(qū)動方法直接接線，簡單可靠，易于編程，其中MSP430F413的R30引腳必需接地。
地址輸出單元
    該單元由兩片傳輸比很高光耦TLP627-4及其相應電阻組成。由于發(fā)射控制部分的工作電壓在4~15V范圍，單片機系統(tǒng)地址輸出與遙控器發(fā)射控制部分有不同的工作電壓,故采用光電隔離和電平轉(zhuǎn)換使得控制與設置部分準確可靠的工作。

遙控器模塊
    PT2262和PT2272是臺灣普城公司生產(chǎn)的一對COMS工藝制造的低功耗低價位專用編、解碼芯片，振蕩頻率通過一個外接電阻進行調(diào)節(jié)，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT引腳才輸出高電平，與此同時相應的數(shù)據(jù)引腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當發(fā)射模塊沒有鍵按下時，PT2262不接通電源，其17引腳為低電平，所以315MHz的高頻發(fā)射電路不工作；當有按鍵按下時，PT2262得電工作，其第17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號，當17引腳為高電平期間315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號；當17引腳為低平期間315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262的17引腳輸出的數(shù)字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控（ASK調(diào)制）相當于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272的第1_8引腳為地址設定，可以選擇懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3的8次方為6561，所以地址編碼不重復度為6561組，只有PT2262和PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用。生產(chǎn)廠家為了便于管理，出廠時PT2262和PT2272的八位地址編碼端全部選擇懸空，用戶如果想改變地址編碼，只要將PT2262和PT2272的1_8引腳設置相同即可。
    該智能遙控器利用MSP430F413的P6口輸出高低電平，經(jīng)過光耦與PT2262的地址設定腳相連，通過單片機編寫地址，每完成一次設置都有唯一的地址輸出，相應的PT2272地址設定腳也應設置為相應的高低電平，這時操作遙控器的功能鍵，則含這個PT2272的設備有相應的動作，而其它含PT2272的設備不動作。這樣就保證了準確可靠的功能。
無線發(fā)射單元
    該模塊以編碼芯片PT2262為核心，與發(fā)射模塊J6（型號為9912）連接，可以遙控距離為100米以上。還有一種和PT2262完全兼容的SC2262芯片，外圍電路無需作任何改動，編解碼電路簡單，外部元件少，最多可有12位(A0-A11)三態(tài)地址端引腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供531441地址碼。本設計使用8位地址設定引腳(A0-A8)，選擇接正電源、接地兩種狀態(tài)，組合可提供256個地址碼。PT2262使用4位(D0-D3)數(shù)據(jù)端引腳,設定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17引腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路。發(fā)射電路原理圖見圖3。
    發(fā)射模塊9912的正面信號引腳名稱見圖4，與圖3中的J6端子對應。(GND為12V接地端)
圖3  發(fā)射電路原理圖
無線接收單元
     該模塊是以解碼芯片PT2272為核心的接收模塊SB-JS1。該接收模塊有七個引出端，分別為VCC、GND、D1、D2、D3、D4及VT，其中VT端為解碼有效輸出端，D1_D4為四位數(shù)據(jù)鎖存輸出端，能輸出4V左右的高電平，驅(qū)動電流2mA，與發(fā)射器上的S1、S2、S3、S4四個鍵相對應。接收模塊采用SMD貼片工藝制造生產(chǎn)，為超再生接收方式，它內(nèi)含放大整形及解碼電路，使用極為方便。

軟件設計
    本系統(tǒng)軟件設計的開發(fā)調(diào)試工具是IAR公司的嵌入式工作臺EW430。它是IAR公司專為TI 16位單片機MSP430系列開發(fā)的，它提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境。在支持TI FET驅(qū)動方面，EW430的功能是獨一無二的，目前最新版本是1.26B。該開發(fā)工具支持windows98/ME/NT4/2000/XP多操作系統(tǒng)，在該開發(fā)環(huán)境下可進行工程文件的建立、文件編輯、編譯、匯編、鏈接和建立生成目標文件及對目標文件進行調(diào)試。
    MSP430 IAR C-SPY調(diào)試器是為測試邏輯程序和仿真而開發(fā)的一種快速和高性價比的工具，可以將程序完整地下載到IDE中，在IAR Embedded Workbench中可以方便地進入C-SPY調(diào)試環(huán)境，編輯的功能像源代碼瀏覽器一樣使程序可以編輯的同時調(diào)試，斷點可直接在代碼中設置，寄存器窗口，存儲器窗口，觀察窗口等，可非常方便地調(diào)試用戶所設計的程序。硬件調(diào)試主要通過TI的JTAG Flash仿真工具MSP-FET430(Flash Emulation Tool)連接目標板。可同時編輯調(diào)試匯編語言和C語言源文件。
    MSP430系列的IAR C 語言與標準C語言兼容程度高，所有的文檔資料容易理解，便于移植。整個程序采用C語言設計,模塊化結(jié)構(gòu)，條理清楚，程序量精簡，使得MSP430的速度和編譯程序容量最優(yōu)化。程序流程圖如圖4所示。
圖4  程序流程圖

結(jié)語
    本設計由于選用MSP430F413單片機，其豐富的片上外圍功能模塊使得外圍電路得以大大簡化，而且大多數(shù)元器件均選擇貼片封裝，從而減少了整個板面積，同時在軟件設計中也采用了多種節(jié)能工作方式，從而使整個系統(tǒng)功耗很少，可滿足電池供電要求。目前，在實際應用中也得很好的驗證，精度高、控制準確、抗干擾性強。