MSP430的車載無線手持終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞 MSP430 TB31224F GPS車臺(tái) 無線手持終端 低功耗
引 言
信息時(shí)代的到來使得汽車電子產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，新興技術(shù)層出不窮。車載終端設(shè)備作為新興汽車電子產(chǎn)品的標(biāo)志性產(chǎn)物也是日新月異，客戶對(duì)其要求越來越高。其中，GPS車臺(tái)已成為當(dāng)今汽車必備的主流終端產(chǎn)品之一。而市場上現(xiàn)有的GPS車臺(tái)手柄拖著一根沉重的通信連接線，操作非常不便，且功能不強(qiáng)，可擴(kuò)展空間有限，因此，在激烈的市場競爭中顯得力不從心。這就必然要求設(shè)計(jì)出更具市場競爭力的無線方案取而代之。筆者利用TI公司推出的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F149和Toshiba公司的射頻(RF)芯片TB31224F設(shè)計(jì)了一款功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，可擴(kuò)展性強(qiáng)的車載無線手持終端，且已成功投放市場。
1 系統(tǒng)組成原理
車載無線手持終端系統(tǒng)主要由GPS車臺(tái)、車臺(tái)擴(kuò)展模塊(RF模塊)和手持終端三部分組成，如圖1所示。
GPS車臺(tái)包含GPS模塊、GSM模塊、控制單元MCU、天線以及接口單元。GPS接收模塊用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為定位信號(hào)源，計(jì)算車輛的位置信息；控制單元MCU完成數(shù)據(jù)接口、協(xié)議和格式等轉(zhuǎn)換以及命令設(shè)置和功能控制；GSM通信模塊完成數(shù)據(jù)傳輸和語音通信等。GPS車臺(tái)接收到衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息，通過GSM通信模塊以短消息的方式將車輛的位置和狀態(tài)信息發(fā)送至GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營服務(wù)中心；GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營服務(wù)中心將接收到的車輛定位信息通過數(shù)據(jù)專線傳送至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心借助電子地圖實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)又?jǐn)U展了射頻(RF)模塊與手持終端進(jìn)行無線通信。這里利用Toshiba公司的射頻(RF)芯片TB31224F，工作在46／49 MHz的無繩電話公用信道上，通過雙工濾波器很好地解決了抗干擾問題。
2 手持終端硬件設(shè)計(jì)
圖2為手持終端硬件組成原理框圖，主要由超低功耗16位單片機(jī)MSP430F149、射頻(RF)芯片TB31224F及其外圍電路、雙工濾波器、人機(jī)接口以及電源管理等單元組成。
MsP430F149和TB31224F是手持終端的核心單元。其中：MSP430F149主要完成人機(jī)接口控制、射頻(RF)芯片TB31224F的控制、數(shù)據(jù)編碼以及數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等任務(wù)；TB31224F主要實(shí)現(xiàn)與GPS車臺(tái)進(jìn)行無線通信(包括數(shù)據(jù)和語音)。由于車輛上各種電氣、電磁干擾很強(qiáng)，對(duì)無線通信的影響非常大，因此系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。本文采用雙工濾波器技術(shù)并且在電路板設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)高頻部分進(jìn)行了精心的布局；經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)試，誤碼率和語音通話質(zhì)量完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。由于手持終端設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的功耗要求非常嚴(yán)格，因此電源管理也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的單元。
2.1 超低功耗單片機(jī)MSP430F149
TI公司推出的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F149特別適合用于手持終端設(shè)備，主要是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)勢：
①超低功耗。MSP430F149的電源電壓采用1．8～3．6 V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0．1 μA，活動(dòng)模式下耗電為250μA／MIPS，I／O輸入端口的漏電流最大僅為50 nA。獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，MSP430F149包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)時(shí)鐘系統(tǒng)(或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng))。這些時(shí)鐘可在指令的控制下打開或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。另外，MSP430F149采用矢量中斷，2個(gè)8位端口有中斷能力，支持十多個(gè)中斷源，并可任意嵌套。用中斷請求將CPU喚醒只需6μs。通過合理編程，既可降低系統(tǒng)功耗，又可對(duì)外部事件請求作出快速響應(yīng)。
②超強(qiáng)處理能力。MSP430F149采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，1個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行1條指令，使MSP430F149在8MHz工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS。另外。MSP430F149采用了16位多功能硬件乘法器和硬件乘一加(積之和)等先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力。
③系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復(fù)位后，首先由DCO_CLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，且晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫骺刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU主系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，則DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。另外，MSP430F149的內(nèi)部看門狗定時(shí)器(WDT)可在程序失控時(shí)迅速復(fù)位。
2.2 射頻(RF)芯片TB31224F工作原理
Toshfiba公司的射頻(RF)芯片TB31224F是一款集鎖相環(huán)系統(tǒng)、中頻處理系統(tǒng)、壓擴(kuò)器和功放等于一體的復(fù)合型芯片，其內(nèi)部架構(gòu)如圖3所示。利用TB31224F可以減少很多外部器件，從而提高系統(tǒng)的可靠性，因此特別適用于無線手持終端設(shè)備。TB31224F主要用于46／49MHz的無繩電話系統(tǒng)中，步步高無繩電話的高頻板就采用了該芯片。
TB31224F可工作在寬電壓(2．O～6．0 V)范圍。這對(duì)使用電池供電的手持終端設(shè)備來說非常關(guān)鍵。針對(duì)手持終端設(shè)備的低功耗設(shè)計(jì)，在節(jié)電模式下耗電僅為50μA，待機(jī)模式下耗電為7．5 mA，通信狀態(tài)下耗電為12．5 mA。該芯片可設(shè)置5個(gè)閾值來栓測電池電壓，進(jìn)行低壓預(yù)警。TB31224F采用QFP-48的小型封裝，只有O.83g。
2.2.1 接收解調(diào)原理
由GPS車臺(tái)擴(kuò)展單元發(fā)出的已調(diào)FSK射頻信號(hào)經(jīng)天線接收，再由耦合電感送人雙工濾波器進(jìn)行分離，分離后的信號(hào)加至場效應(yīng)管放大，然后經(jīng)高頻變壓器選頻通過耦合電容送入射頻(RF)芯片TB31224F的40腳(如圖3所示)。
TB31224F的42～46腳配合一個(gè)高頻感容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成第一本振電路，一本振頻率受TB31224F的6～8腳上來自MCU的鎖相環(huán)數(shù)據(jù)信號(hào)控制。從46腳輸出的鎖相環(huán)控制電壓經(jīng)積分電路后送入4l腳，41腳內(nèi)接變?nèi)荻O管的負(fù)極，變化的控制電壓改變了變?nèi)荻O管結(jié)電容，從而政變一本振頻率。第一本振信號(hào)經(jīng)44腳送入42腳，與內(nèi)部的參考頻率比較而使46腳的控制電壓鎖定，也就鎖定了一本振頻率。第一本振信號(hào)與輸入40腳的外來信號(hào)混合后從38腳輸出10．7 MHz的第一中頻信號(hào)；經(jīng)陶瓷濾波器(10．7 MHz)選頻后送入36腳，與第二本振信號(hào)混合，差頻出455 kHz的第二中頻信號(hào)從34腳輸出；經(jīng)窄帶濾波將純凈的455 kHz信號(hào)送入32腳，再經(jīng)內(nèi)部限幅放大、鑒頻、解調(diào)出復(fù)合音頻信號(hào)(語音和數(shù)據(jù)共用一個(gè)信道)。鑒頻輸出的語音信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)從27腳輸出后分兩路進(jìn)行：一路送入24腳放大后，從23腳輸出數(shù)據(jù)信號(hào)RX-DATA送MCU處理；另一路送入15腳，經(jīng)內(nèi)部預(yù)放、擴(kuò)展、放大后從19和20腳輸出語音信號(hào)加至耳機(jī)。
2.2.2 發(fā)射電路原理
發(fā)射電路主要由語音預(yù)放、壓縮、放大、調(diào)制振蕩、緩沖和功放等單元電路組成。由于篇幅有限，這里不再給出詳細(xì)的TB31224F外圍電路。
語音信號(hào)經(jīng)MIC聲電轉(zhuǎn)換后送入TB31224F的14腳，經(jīng)內(nèi)部預(yù)放、壓縮、放大后從9腳輸出；經(jīng)電位器選擇合適的調(diào)制電壓后加至變?nèi)荻O管的負(fù)極調(diào)頻，來自MCU的TX-DATA數(shù)據(jù)信號(hào)也加至變?nèi)荻O管的負(fù)極調(diào)頻。已調(diào)射頻信號(hào)經(jīng)緩沖放大、功率放大、選頻后送雙工濾波器，分離后經(jīng)天線發(fā)射，供GPS車臺(tái)擴(kuò)展單元接收。發(fā)射鎖相環(huán)控制電壓由MCU送至TB31224F的鎖相環(huán)數(shù)據(jù)(DATA)、鎖相環(huán)時(shí)鐘(CLK)和鎖相環(huán)控制信號(hào)(STB)決定。鎖相環(huán)控制電壓經(jīng)積分后加至變?nèi)荻O管的負(fù)極，改變鎖相環(huán)控制電壓就能改變發(fā)射頻率和工作信道。
2．3 人機(jī)接口設(shè)計(jì)
人機(jī)接口包括鍵盤矩陣和LCD液晶顯示屏。鍵盤采用5×4矩陣，鍵盤的復(fù)用體現(xiàn)在軟件算法中；使用Solomon公司的SSDl812圖形點(diǎn)陣(132×54)液晶顯示模塊作為人機(jī)對(duì)話的界面，SSDl812工作電壓為l.8～3.5V，低功耗，特別適用于手持終端設(shè)備。具體設(shè)計(jì)這里不再贅述。
2.4 電源管理設(shè)計(jì)
合理的電源管理設(shè)計(jì)是手持終端設(shè)備正常、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本系統(tǒng)所采用的低功耗單片機(jī)MSP430F149可由軟件配置為5種低功耗模式，且內(nèi)部有一個(gè)用于系統(tǒng)監(jiān)測的看門狗定時(shí)器(WDT)；另外射頻(RF)芯片TB31224F可設(shè)置5個(gè)閾值來檢測電池電壓，進(jìn)行低壓預(yù)警。因此，設(shè)計(jì)中充分利用了這些資源，且考慮手持終端的小型化，沒有再使用復(fù)雜的電源監(jiān)測管理芯片。由于MSP430F149工作電壓設(shè)置在3.3V，因而只使用了TPS76033低壓降穩(wěn)壓器，TPS76033專門設(shè)計(jì)用于電池供電的系統(tǒng)．具有熱保護(hù)功能，關(guān)閉狀態(tài)靜態(tài)電流僅為1μA。
2.5 抗干擾設(shè)計(jì)
車輛上往往會(huì)由于供電電源、空間電磁干擾或其他原因引起強(qiáng)烈的干擾噪聲，因此系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)顯得非常關(guān)鍵。這些干擾作用于數(shù)字器件，極易使其產(chǎn)生誤動(dòng)作，引起MSP430F149發(fā)生“程序跑飛”事故。但MSP430F149內(nèi)部的看門狗定時(shí)器能在程序跑飛時(shí)產(chǎn)生溢出，從而使系統(tǒng)復(fù)位，這樣程序就又可以恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。如果這些干擾作用于以TB31224F為核心的射頻電路，則會(huì)導(dǎo)致誤碼率升高，語音質(zhì)量變差，甚至通信中斷，因此，射頻電路的器件選擇和布局非常重要。另外，合理使用雙工濾波器、中頻陶瓷濾波器和選頻網(wǎng)絡(luò)等也很好地解決了抗干擾問題。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和調(diào)試，誤碼率和語音通話質(zhì)量完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，通信距離可達(dá)到30m。
3 系統(tǒng)軟件開發(fā)
系統(tǒng)軟件開發(fā)使用了IAR嵌入式工作平臺(tái)(IAREnlbedded Workbench)。當(dāng)時(shí)使用的是FET_304版本，目前較新版本是IAR Workbench V2.10。IAR嵌入式工作平臺(tái)使用項(xiàng)目模式來組織應(yīng)用程序，允許設(shè)計(jì)者以樹狀體系結(jié)構(gòu)組織項(xiàng)目，從而可以清晰地表現(xiàn)文件之問的隸屬關(guān)系。該平臺(tái)用戶界面直觀，文本編輯器具有語法表現(xiàn)能力，帶有基于標(biāo)準(zhǔn)C語言并體現(xiàn)MSP430特性的編譯器。另外，匯編器、鏈接器、函數(shù)庫管理器和調(diào)試器C-SPY等內(nèi)嵌工具也為開發(fā)和管理MSP430嵌入式應(yīng)用程序提供了極大便利。
3．1 系統(tǒng)軟件流程
手持終端系統(tǒng)軟件主流程如圖4所示。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，采用了同步接收方式。位同步的目的是確定數(shù)字通信中各碼元的抽樣時(shí)刻；幀同步的任務(wù)則是把碼組區(qū)分出來。為了確定幀定時(shí)脈沖的相位，在發(fā)送端數(shù)字信息流中插入了一些特殊碼組作為每幀頭尾的標(biāo)記，接收端根據(jù)這些特殊碼組的位置即可實(shí)現(xiàn)幀同步。另外，設(shè)計(jì)時(shí)充分利用MSP430F149的矢量中斷特性．設(shè)置多個(gè)中斷源，實(shí)現(xiàn)了嵌套中斷。通過合理的算法，既降低了系統(tǒng)功耗，又能對(duì)外部事件請求做出快速響應(yīng)。
3．2 射頻(RF)芯片控制
TB31224F是可編程控制芯片，通過MSP430F149送至TB31224F的鎖相環(huán)數(shù)據(jù)(DATA)、鎖相環(huán)時(shí)鐘(CLK)和鎖相環(huán)控制信號(hào)(STB)，以決定其發(fā)送和接收鎖相環(huán)控制電壓，從而設(shè)置發(fā)射和接收頻率?？刂品绞綖榇袛?shù)據(jù)輸入控制，其時(shí)序如圖5所示。
鎖相環(huán)數(shù)據(jù)(DATA)在時(shí)鐘(CLK)上升沿被讀取；當(dāng)鎖相環(huán)控制信號(hào)(STB)接收到來自MSP430F149的高電平信號(hào)時(shí)，移位寄存器中的數(shù)據(jù)被加載從而去設(shè)置頻率，例如：
①若設(shè)置內(nèi)部參考頻率(REF)為10．240 MHz，則DATA應(yīng)為0010000000000111；
②若設(shè)置發(fā)射頻率(TX)為49．875 MHz，則 DATA應(yīng)為1110111l01100110；
③若設(shè)置接收頻率(RX)為36．035 MHz，則DATA應(yīng)為1110010000111001l。
注意：DATA的低兩位是命令控制碼，11表示設(shè)置內(nèi)部參考頻率；10表示設(shè)置發(fā)射壓控振蕩器(VCO)的頻率；01表示設(shè)置接收VCO的頻率；00表示進(jìn)行低功耗或靜音控制。
結(jié)語
本文基于MSP430嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了車載無線手持終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)性價(jià)比高，可靠性強(qiáng)，可擴(kuò)展空間大，根據(jù)投放市場情況來看，具有很大市場潛力。若在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上再擴(kuò)展CAN總線接口，即可實(shí)現(xiàn)車內(nèi)局域網(wǎng)控制，這也是目前車載設(shè)備開發(fā)的一個(gè)趨勢。
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