基于MC9S08QG8低端微控制器的無線控制器設(shè)計
現(xiàn)代電子技術(shù) 任勇 傅雪驕 張超
摘要： 本文僅使用了一個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)，從而降低了整個解決方案的成本。同時，本文實現(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，是嵌入式無線控制應(yīng)用的一種精簡解決方案。
Abstract：
Key words :
無線通信是人們現(xiàn)代日常生活的一部分，在辦公室、學校或家庭等場所，都在接觸無線通信設(shè)備，如筆記本電腦、打印機、攝像機、手持設(shè)備、照明控制器和家電設(shè)備等。這些設(shè)備的復雜程度與它們執(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勁應(yīng)用勢頭。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標準上它和無線局域網(wǎng)、藍牙同屬802家族中的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。
通常的ZigBee無線控制器節(jié)點是以一個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)計一個新型的、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，整個目標應(yīng)用板上的元器件極少，走線極少，體積極小。該設(shè)計只采用三個電子芯片：一個低端微控制器(MC9S08QG8)、一個RF收發(fā)器(MC13192)和一個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
為了實現(xiàn)工業(yè)或家電無線控制應(yīng)用低成本的目標，首要任務(wù)是選擇合適的微控制器(MCU)和無線收發(fā)器。Freescale半導體公司(飛思卡爾，前身為Mo-torola半導體部)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，一些高級調(diào)試功能，包括CodeWarrior全功能工具鏈和ProcessorExpert工具包等都是免費贈送的。在生產(chǎn)階段，內(nèi)部時鐘源模塊、模擬電路和E2PROM模擬則減少了對諸如晶振或諧振器、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存儲器，512 B RAM，SCI／SPI／IIC接口，8位模／數(shù)定時器模塊，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)以及可進行實時總線捕捉的內(nèi)置在線仿真(ICE)功能，具有單線的調(diào)試及仿真接口(BDM)，還包括一個可編程的16位定時器／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)濟的模塊之一。
另一個主要芯片為無線收發(fā)器，同樣選擇Frees-cale半導體公司的MCl3192，它是Freescale公司推出的符合ZigBee標準的新型射頻芯片。其工作頻率是2．405～2．480 GHz，該頻帶劃分為16個信道，每個信道占用5 MHz的帶寬；采用直接序列擴頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kb／s。MCl3192具有一個優(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MCl3192的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，從而完成對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)。另一個用于收發(fā)器和微控制器間通信的信號是中斷請求(IRQ)信號。IRQ腳由收發(fā)器進行處理。當收發(fā)器的狀態(tài)寄存器發(fā)生變化時，IRQ腳會產(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)計成多路分時復用的(共4線)，LCD的控制線由MCU單獨提供(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)計之初是必須的，但當調(diào)試下載完成后，該引線也可當做普通I／O使用或備用。
3 硬件電路的具體設(shè)計
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)計中，即以MC9S08QG8為核心，實現(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號電池供電。MCU的時鐘電路無需外接晶振，直接使用MCU內(nèi)部自帶的時鐘；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IRO就接至PTA3／RST／IRQ復用；圖2中MCl3192收發(fā)器其他外圍電路使用數(shù)據(jù)手冊提供的工作所需的最低硬件要求。MCU與MCl3192的連接按照標準SPI方式連接，MCU為主機，MCl3192為從機，通過MOSI，MISO，SPSCK信號線可以配置收發(fā)器，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同時也可以通過SPI配置收發(fā)器提供的定時器和GPIO引腳，將其用于其他的目的。收發(fā)器的片選CE信號由MCU的通用I／O口PTB5進行選通。收發(fā)器要切換運行模式(接收、發(fā)送、半休眠、休眠或空閑)還需要另外一個信號，該信號稱為RXTXEN，由MCU的通用I／O口PTB7進行處理。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)膶崟r性。
16×2 LCD的RS，R／W，E信號由MCU通用I／O口PTB的三個引腳進行控制，實際上可以將R／W直接接低電平，或者軟件控制使始終為低點平，因為應(yīng)用時只需對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個按鍵也接在MCU的PTA0～PTA3，與LCD數(shù)據(jù)線復用，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。同時當?shù)却幚戆存I時，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雜度，按鍵發(fā)生時MCU自動轉(zhuǎn)去讀取按鍵輸入及按鍵處理，當要進行LCD顯示時，MCU又將復用線臨時配置成數(shù)據(jù)輸出，配合LCD控制信號完成LCD的內(nèi)容顯示。
MCU的8 KB FLASH和512 B的存儲器資源對于一般的無線控制是足夠的，另外，設(shè)計中還會用到MCU的定時器資源，通過定時比較器生成一般無線控制應(yīng)用中都需要的定時時間，通過軟件編程可以方便地實現(xiàn)。
4 無線控制功能示例
以上設(shè)計方案適用于多種無線控制應(yīng)用，如空調(diào)、智能風扇等的無線控制。在此方案基礎(chǔ)上還可以擴展出更復雜的無線控制應(yīng)用，因為MCU還有少量口線(比如再增加一個設(shè)備開關(guān)按鍵)、MCl3192還有很多接口如它自帶的GPIO、定時器等都是可利用資源；同時此方案其實仍然可以精簡，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)計原理，使用LCD來顯示不同的功能菜單，如當前溫度、定時設(shè)置、溫度設(shè)置和工作狀態(tài)報告等。4個按鍵可以分別安排為：
SW1為功能菜單或狀態(tài)報告；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為確認或接受，兼用開關(guān)設(shè)備。
當應(yīng)用開始時，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)。當強制關(guān)閉空調(diào)時，SW1+SW4按鍵起作用。空調(diào)打開后，LCD上會顯示當前溫度和上次設(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、風向、風速、定時時間及溫度等，可以按動SW1切換功能并配合SW2鍵、SW3進行操作，每次用按鍵修改了工作模式、溫度、定時時間等設(shè)置后，系統(tǒng)會采用一個簡單的協(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)。此時可按SW4鍵確認以使LCD恢復到狀態(tài)報告及新的設(shè)定指示。
如果沒有設(shè)置定時時間，空調(diào)永遠不會自動關(guān)閉，需要人工強制關(guān)閉。設(shè)置定時時間能自動關(guān)閉空調(diào)，安排定時時間在5～300 min之間。如果設(shè)置希望的定時時間，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)置定時時間；
(2)按SW1鍵。調(diào)整菜單到定時功能，使在LCD上顯示定時設(shè)置菜單；
(3)按SW2鍵或SW3鍵來減少或增加希望的定時時間；
(4)按SW4來接受新的定時時間；
(5)一旦接受新的定時時間后，LCD上會再次顯示工作模式、當前溫度、定時時間、剩余時間等相關(guān)信息。
對應(yīng)于設(shè)備定時關(guān)閉，空調(diào)的自動開啟功能則需要在本文電路基礎(chǔ)上增加專門的時鐘芯片來獲得日期、時間信息基準來實現(xiàn)，具體本文不做討論。
5 結(jié) 語
本文僅使用了一個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)，從而降低了整個解決方案的成本。同時，本文實現(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，是嵌入式無線控制應(yīng)用的一種精簡解決方案。
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