基于MC9S08QG8低端微控制器的無線控制器設(shè)計(jì)

0 引 言
    無線通信是人們現(xiàn)代日常生活的一部分，在辦公室、學(xué)?；蚣彝サ葓鏊?，都在接觸無線通信設(shè)備，如筆記本電腦、打印機(jī)、攝像機(jī)、手持設(shè)備、照明控制器和家電設(shè)備等。這些設(shè)備的復(fù)雜程度與它們執(zhí)行的任務(wù)類型有關(guān)，其中許多家庭自動(dòng)化的無線應(yīng)用采用小型微控制器和少量代碼執(zhí)行簡單的任務(wù)，更加追求低成本、單一性和微型化。在目前眾多的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，ZigBee技術(shù)作為一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，近兩年在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域以及科研開發(fā)中得到了眾多的關(guān)注和使用，而且越來越顯示出它的強(qiáng)勁應(yīng)用勢(shì)頭。ZigBee是一種低功耗、短距離和低速的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作在2．4 GHz國際免執(zhí)照的頻段，在IEEE標(biāo)準(zhǔn)上它和無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙同屬802家族中的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。
    通常的ZigBee無線控制器節(jié)點(diǎn)是以一個(gè)高端微控制器為核心，再配合無線收發(fā)器構(gòu)成的。本文將設(shè)計(jì)一個(gè)新型的、低成本的、使用ZigBee無線技術(shù)的精簡型無線控制器，比如用于空調(diào)遙控，整個(gè)目標(biāo)應(yīng)用板上的元器件極少，走線極少，體積極小。該設(shè)計(jì)只采用三個(gè)電子芯片：一個(gè)低端微控制器(MC9S08QG8)、一個(gè)RF收發(fā)器(MC13192)和一個(gè)16×2的LCD，其他需要的元器件為電阻和按鍵之類的無源器件。

1 器件選擇
    為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)或家電無線控制應(yīng)用低成本的目標(biāo)，首要任務(wù)是選擇合適的微控制器(MCU)和無線收發(fā)器。Freescale半導(dǎo)體公司(飛思卡爾，前身為Mo-torola半導(dǎo)體部)的各檔微控制器在國內(nèi)嵌入式控制領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用。它最新推出的MC9S08QG低端微控制器系列，其處理內(nèi)核、片上外圍設(shè)備、節(jié)電功能和開發(fā)工具等，構(gòu)成了成本、能源、效率敏感的控制應(yīng)用的理想解決方案。采用MC9S08QGx微控制器系列，不僅開發(fā)的費(fèi)用可明顯減少，最終生產(chǎn)階段的成本也可大幅下降。在開發(fā)階段，一些高級(jí)調(diào)試功能，包括CodeWarrior全功能工具鏈和ProcessorExpert工具包等都是免費(fèi)贈(zèng)送的。在生產(chǎn)階段，內(nèi)部時(shí)鐘源模塊、模擬電路和E2PROM模擬則減少了對(duì)諸如晶振或諧振器、模擬比較器、串行E2PROM等外部器件的需求，否則這些外部器件都是印制電路板上必不可少的。
    本無線控制器設(shè)計(jì)的核心器件即選擇Freescale該系列中的僅有16引腳的MC9S08QG8，它是采用高性能、低功耗的HCS08內(nèi)核的飛思卡爾8位微控制器系列中具有很高的集成度的器件，內(nèi)置8 KB FLASH存儲(chǔ)器，512 B RAM，SCI／SPI／IIC接口，8位模／數(shù)定時(shí)器模塊，A／D模塊等。MC9S08QG8 MCU集成了通常只有較大、較昂貴的元器件才具有的性能，包括背景調(diào)試系統(tǒng)以及可進(jìn)行實(shí)時(shí)總線捕捉的內(nèi)置在線仿真(ICE)功能，具有單線的調(diào)試及仿真接口(BDM)，還包括一個(gè)可編程的16位定時(shí)器／脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊(TPM)，是同類產(chǎn)品中最靈活、又最經(jīng)濟(jì)的模塊之一。
    另一個(gè)主要芯片為無線收發(fā)器，同樣選擇Frees-cale半導(dǎo)體公司的MCl3192，它是Freescale公司推出的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的新型射頻芯片。其工作頻率是2．405～2．480 GHz，該頻帶劃分為16個(gè)信道，每個(gè)信道占用5 MHz的帶寬；采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kb／s。MCl3192具有一個(gè)優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。為了適應(yīng)低功耗的要求，芯片除了接收、發(fā)送和空閑三種工作狀態(tài)外，還有三種低功耗運(yùn)行模式：
    掉電模式 此模式下芯片電流小于1μA；
    睡眠模式 此模式下電流在3μA左右；
    休眠模式 此模式下電流約為35μA。
    芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率為O～4 dBm，接收靈敏度可以達(dá)到-92 dBm，傳輸距離為30～70 m。由于MC13192的低功耗特性以及SPI通信接口，它與MC9S08QG8微處理器配合用于解決電池供電設(shè)備的低電壓、低功耗應(yīng)用以及通信控制等，是十分適合的。
    至于其他外圍器件則可選用通用的，比如液晶顯示器使用16×2的字符型LCD，按鍵按最終的工藝要求配用，這部分的電路應(yīng)用是成熟技術(shù)。

2 無線控制器的總體構(gòu)建
    基于前述主要器件的選擇考慮，本文實(shí)現(xiàn)的無線控制器原理框圖如圖1所示。

    用來在收發(fā)器和微控制器之間交換數(shù)據(jù)的接口主要為串行外設(shè)接口(SPI)。微控制器MC9S08QG8通過SPI接口(4線)對(duì)MCl3192的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，從而完成對(duì)MCl3192的控制和數(shù)據(jù)通信。該接口可以讀寫收發(fā)器的配置、狀態(tài)和控制寄存器。SPI接口還可以讀寫位于收發(fā)器內(nèi)部的RAM，用于通過RF發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。另一個(gè)用于收發(fā)器和微控制器間通信的信號(hào)是中斷請(qǐng)求(IRQ)信號(hào)。IRQ腳由收發(fā)器進(jìn)行處理。當(dāng)收發(fā)器的狀態(tài)寄存器發(fā)生變化時(shí)，IRQ腳會(huì)產(chǎn)生下降沿跳變。IRQ產(chǎn)生后，微控制器要做的第一件事就是讀取狀態(tài)寄存器，確定產(chǎn)生中斷的特定事件。
    微控制器MC9S08QG8通過通用I／O接口GPIO完成與液晶顯示器和按鍵的連接，其中LCD數(shù)據(jù)線和按鍵輸入線設(shè)計(jì)成多路分時(shí)復(fù)用的(共4線)，LCD的控制線由MCU單獨(dú)提供(共3線)。
    BDM程序下載和在線調(diào)試僅占用MCU的單線1線，在設(shè)計(jì)之初是必須的，但當(dāng)調(diào)試下載完成后，該引線也可當(dāng)做普通I／O使用或備用。

3 硬件電路的具體設(shè)計(jì)
    根據(jù)前面器件選擇和總體構(gòu)建的考慮，本文完成的無線控制器具體設(shè)計(jì)電路如圖2所示。其中MC9S08QG8微控制器(MCU)的大部分管腳具有多重功能，電路設(shè)計(jì)中，即以MC9S08QG8為核心，實(shí)現(xiàn)各種控制。
    圖2無線控制器應(yīng)用原理圖分為三部分：MC9S08QG8 MCU所需的基本連接；MCl 3192無線收發(fā)器的連接；16×2 LCD和4個(gè)按鍵的連接。

    各部分的供電電源為低電壓3 V，可用兩節(jié)7號(hào)電池供電。MCU的時(shí)鐘電路無需外接晶振，直接使用MCU內(nèi)部自帶的時(shí)鐘；MCU的RST和BKGD引腳用于BDM接口的連接，完成程序下載后可另作它用，比如MCl3192的中斷信號(hào)IRO就接至PTA3／RST／IRQ復(fù)用；圖2中MCl3192收發(fā)器其他外圍電路使用數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的工作所需的最低硬件要求。MCU與MCl3192的連接按照標(biāo)準(zhǔn)SPI方式連接，MCU為主機(jī)，MCl3192為從機(jī)，通過MOSI，MISO，SPSCK信號(hào)線可以配置收發(fā)器，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同時(shí)也可以通過SPI配置收發(fā)器提供的定時(shí)器和GPIO引腳，將其用于其他的目的。收發(fā)器的片選CE信號(hào)由MCU的通用I／O口PTB5進(jìn)行選通。收發(fā)器要切換運(yùn)行模式(接收、發(fā)送、半休眠、休眠或空閑)還需要另外一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)稱為RXTXEN，由MCU的通用I／O口PTB7進(jìn)行處理。MCU與MCl3192之間的數(shù)據(jù)傳輸模式可采用流模式，每次收發(fā)一個(gè)字(16 b)，都通過中斷由MCU控制處理，這樣可以最大限度地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。
    16×2 LCD的RS，R／W，E信號(hào)由MCU通用I／O口PTB的三個(gè)引腳進(jìn)行控制，實(shí)際上可以將R／W直接接低電平，或者軟件控制使始終為低點(diǎn)平，因?yàn)閼?yīng)用時(shí)只需對(duì)LCD做命令、數(shù)據(jù)寫入；數(shù)據(jù)線采用LCD的4線訪問形式，即只用DB4～DB7，由MCU的PTA0～PTA3提供；背光電源BKL+，BKL-不接，以減少功耗。4個(gè)按鍵也接在MCU的PTA0～PTA3，與LCD數(shù)據(jù)線復(fù)用，按鍵的上拉電阻使用MCU內(nèi)部配置的，無需外接上拉以減省元件。同時(shí)當(dāng)?shù)却幚戆存I時(shí)，MCU將按鍵輸入直接配置成按鍵輸入中斷，也減少了硬件連接和軟件復(fù)雜度，按鍵發(fā)生時(shí)MCU自動(dòng)轉(zhuǎn)去讀取按鍵輸入及按鍵處理，當(dāng)要進(jìn)行LCD顯示時(shí)，MCU又將復(fù)用線臨時(shí)配置成數(shù)據(jù)輸出，配合LCD控制信號(hào)完成LCD的內(nèi)容顯示。
    MCU的8 KB FLASH和512 B的存儲(chǔ)器資源對(duì)于一般的無線控制是足夠的，另外，設(shè)計(jì)中還會(huì)用到MCU的定時(shí)器資源，通過定時(shí)比較器生成一般無線控制應(yīng)用中都需要的定時(shí)時(shí)間，通過軟件編程可以方便地實(shí)現(xiàn)。

4 無線控制功能示例
    以上設(shè)計(jì)方案適用于多種無線控制應(yīng)用，如空調(diào)、智能風(fēng)扇等的無線控制。在此方案基礎(chǔ)上還可以擴(kuò)展出更復(fù)雜的無線控制應(yīng)用，因?yàn)镸CU還有少量口線(比如再增加一個(gè)設(shè)備開關(guān)按鍵)、MCl3192還有很多接口如它自帶的GPIO、定時(shí)器等都是可利用資源；同時(shí)此方案其實(shí)仍然可以精簡，比如不需要顯示的無線控制應(yīng)用，就可省去LCD顯示器。
    以空調(diào)的無線控制應(yīng)用為例，按本文硬件設(shè)計(jì)原理，使用LCD來顯示不同的功能菜單，如當(dāng)前溫度、定時(shí)設(shè)置、溫度設(shè)置和工作狀態(tài)報(bào)告等。4個(gè)按鍵可以分別安排為：
    SW1為功能菜單或狀態(tài)報(bào)告；SW2為增加數(shù)值或功能切換；SW3為減少數(shù)值或功能切換；SW4為確認(rèn)或接受，兼用開關(guān)設(shè)備。
    當(dāng)應(yīng)用開始時(shí)，空調(diào)總是處于關(guān)閉狀態(tài)。必須先按SW4按鍵才能打開空調(diào)。當(dāng)強(qiáng)制關(guān)閉空調(diào)時(shí)，SW1+SW4按鍵起作用。空調(diào)打開后，LCD上會(huì)顯示當(dāng)前溫度和上次設(shè)定溫度，一旦空調(diào)打開，可以分別使用SW2鍵和SW3鍵來降低或增加溫度。這時(shí)如果要設(shè)置空調(diào)的各種工作模式如制冷、制熱、除濕、自動(dòng)、風(fēng)向、風(fēng)速、定時(shí)時(shí)間及溫度等，可以按動(dòng)SW1切換功能并配合SW2鍵、SW3進(jìn)行操作，每次用按鍵修改了工作模式、溫度、定時(shí)時(shí)間等設(shè)置后，系統(tǒng)會(huì)采用一個(gè)簡單的協(xié)議將控制命令通過MCl3192無限收發(fā)器發(fā)送到加熱／制冷系統(tǒng)。此時(shí)可按SW4鍵確認(rèn)以使LCD恢復(fù)到狀態(tài)報(bào)告及新的設(shè)定指示。
    如果沒有設(shè)置定時(shí)時(shí)間，空調(diào)永遠(yuǎn)不會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，需要人工強(qiáng)制關(guān)閉。設(shè)置定時(shí)時(shí)間能自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)，安排定時(shí)時(shí)間在5～300 min之間。如果設(shè)置希望的定時(shí)時(shí)間，步驟如下：
    (1)打開空調(diào)，如果空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)，則不能設(shè)置定時(shí)時(shí)間；
    (2)按SW1鍵。調(diào)整菜單到定時(shí)功能，使在LCD上顯示定時(shí)設(shè)置菜單；
    (3)按SW2鍵或SW3鍵來減少或增加希望的定時(shí)時(shí)間；
    (4)按SW4來接受新的定時(shí)時(shí)間；
    (5)一旦接受新的定時(shí)時(shí)間后，LCD上會(huì)再次顯示工作模式、當(dāng)前溫度、定時(shí)時(shí)間、剩余時(shí)間等相關(guān)信息。
    對(duì)應(yīng)于設(shè)備定時(shí)關(guān)閉，空調(diào)的自動(dòng)開啟功能則需要在本文電路基礎(chǔ)上增加專門的時(shí)鐘芯片來獲得日期、時(shí)間信息基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)，具體本文不做討論。

5 結(jié) 語
    本文僅使用了一個(gè)Freescale MC9S08QG8低端微控制器，再加上很少的一些連接線和硬件資源，已經(jīng)具有無線通信能力和人機(jī)交互功能。這說明ZigBee無線應(yīng)用并不一定總是需要高性能的微控制器，低端微控制器也能夠完成無線網(wǎng)絡(luò)要求的一些基本任務(wù)，從而降低了整個(gè)解決方案的成本。同時(shí)，本文實(shí)現(xiàn)的無線控制器具有功耗低、元器件少、成本低、性能高而功能全的特點(diǎn)，是嵌入式無線控制應(yīng)用的一種精簡解決方案。