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低功耗無線數(shù)字傳輸模塊的設計與應用
摘要：介紹了一種以PIC16F73單片機芯片和CC1000調制解調芯片為核心的超低功耗無線數(shù)字傳輸模塊的設計方案及實現(xiàn)方法，并給出了該模塊在無線智能IC卡水表中的應用。該模塊通信速率最高可達38.4kbps，查詢工作方式下平均工作電流為10μA，與同類設計相比，該模塊具有功耗低、使用方便、通信可靠等優(yōu)點。在工業(yè)、科學研究以及醫(yī)療設備中，目前出現(xiàn)了大量需要進行通信的設備，這些設備通信距離較近、數(shù)據(jù)量較小、不適合布線。比如自動抄表系統(tǒng)、酒店點菜系統(tǒng)以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，其中有很多設備是可移動的，而且要求何種小便于攜帶。因此，要求其通過設備具有體積小、功耗低、成本低、使用方便等特點�；谶@些需求，本文給出了一款超低功耗的無線數(shù)字傳輸模塊的設備及實現(xiàn)方法。
該模塊采用Chipcon公司的超低功耗FSK調制解調芯片CC1000和Microchip公司的低功耗單片機PIC16F73，從而保證了系統(tǒng)的超低功耗。同時，為了適應電池供電系統(tǒng)的應用，該模塊支持查詢方式的無線通信，可以使系統(tǒng)的平均工作電流低至10μA。該模塊具有8組信道，可以實現(xiàn)點對點、點對多點的半雙工通信，并且提供標準串行數(shù)據(jù)接口，支持TTL、RS232和RS485通信接口，可以方便地與其它控制器或計算機連接。
圖1
1 模塊硬件設計
模塊結構框圖如圖1所示。
作為工作在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的底層通信設備，該系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的調制解調、假數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)組合、解碼數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)校驗等功能。在接收過程中完成數(shù)據(jù)由電信號向位流、由位流數(shù)據(jù)向字節(jié)，由字節(jié)向數(shù)據(jù)幀的變換，而在發(fā)送過程中則完成接收到的逆向過程。數(shù)據(jù)發(fā)送過程中數(shù)據(jù)流的變化如圖2所示。
調制解調由CC1000完成。系統(tǒng)采用頻移鍵控調制（FSK），載波頻率為434MHz，帶寬為64kHz，數(shù)據(jù)采用差分曼徹斯特編碼發(fā)送，空中發(fā)送數(shù)據(jù)速率可以根據(jù)需要設置，最高FSK數(shù)據(jù)速率為76.8kpbs。CC1000采用三線命令接口和兩線數(shù)據(jù)接口，可編程配置載波頻率和數(shù)據(jù)速率等內容。有關CC1000的詳細內容見參考文獻。
模塊控制器在發(fā)送時從用戶接口接數(shù)據(jù)和命令，并將用戶數(shù)據(jù)轉換成數(shù)據(jù)幀傳送給CC1000，控制CC1000進行數(shù)據(jù)發(fā)送。在接收時，控制器接收從CC1000傳送過來的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，過濾噪聲，將數(shù)據(jù)由位流轉換為字節(jié)，進行校驗并將用戶數(shù)據(jù)通過串行口傳送給用戶，使用戶可以實現(xiàn)所發(fā)即所收。
模塊是為低功耗系統(tǒng)而設計的，除了具有SLP引腳可以直接休眠模塊外，還有一些專門設計的命令來支持使用查詢方式的通信。PCMD、RX、TX三線組成模塊的三線接口，配置命令時PCMD必須為高電平。配置命令工作時序如圖3所示。
發(fā)送數(shù)據(jù)時PCMD應置為低電平，通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)即可。模塊使用時間間隔區(qū)分數(shù)據(jù)幀，如果有傳輸半個字節(jié)的時間沒有接收到數(shù)據(jù)，則認為此前接收到的為一幀數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將編碼該幀數(shù)據(jù)并通過CC1000進行調制和發(fā)送。因此，如果用戶數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送的，用戶應當連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免模塊將一幀數(shù)據(jù)分割為兩幀數(shù)據(jù)發(fā)送，從而降低發(fā)送效率。模塊只能進行半雙工通信，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時模塊處于接收狀態(tài)；有休眠信號時模塊進入體眠狀態(tài)，此時模塊無法接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，只有將模塊喚醒后，才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。READY信號是模塊工作狀態(tài)指示信號。當READY長時間處于低電平狀態(tài)時，可以使用RST將模塊復位，重新設置模塊的工作狀態(tài)，以避免模塊處于錯誤工作狀態(tài)。
2 軟件設計
系統(tǒng)軟件采用專門為PIC單片機進行了優(yōu)化，能夠為PIC系列單片機產生優(yōu)質高效的代碼，具體內容參考文獻。系統(tǒng)控制器軟件設計是本系統(tǒng)的核心內容，由于控制器要完成與用戶和CC1000雙方的通信及數(shù)據(jù)封裝，因此系統(tǒng)軟件借用Windows系統(tǒng)的消息循環(huán)機制設計，采用消息循環(huán)的體系結構。這種結構使得程序結構清晰、可擴展性強、可移植性強。經過長時間的初中，證明這種結構非常適合單片機系統(tǒng)軟件的開發(fā)。
圖4為程序初始化和主函數(shù)部分的結構框圖。系統(tǒng)程序總線結構采用消息驅動機制。在系統(tǒng)內部寄存器和變量初始化完成后便可以進入消息循環(huán)程序查詢系統(tǒng)消息。系統(tǒng)消息一般是CPU外部或內部的事件通過CPU中斷系統(tǒng)激勵CPU運行的。為了能夠使系統(tǒng)產生和響應消息，必須啟動CPU的中斷系統(tǒng)，因而在進入消息循環(huán)前啟動CPU定時中斷、串行通信中斷、外部觸發(fā)中斷。程序初始化部分在CPU上電或復位后只執(zhí)行一次，CPU在正常工作時即將終都在消息循環(huán)中反復檢測消息是否存在，并根據(jù)消息的種類做不同的操作，最后清除相應的消息標志，再進行循環(huán)檢測消息。本系統(tǒng)中消息共有三種，分別是程序節(jié)拍控制信號、與CC1000通信的信號以及與用戶通信的信號。程序節(jié)拍控制信號控制程序的運行過程，包括時間信號、外部中斷信號（休眠、喚醒）以及其它定時動作信號；與CC1000通信的信號包括CC1000狀態(tài)轉換信號、接收完成信號、發(fā)送開始信號以及發(fā)送完畢信號等，負責管理與CC1000的通信和控制工作；與用戶通信的信號包括接收用戶數(shù)據(jù)完畢信號、用戶數(shù)據(jù)發(fā)送完畢信號以及向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)開始信號等，負責與用戶的通信管理。程序的消息循環(huán)結構如圖5所示。
3 模塊性能
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