手持式无线终端系统设计

来源：单片机及嵌入式系统应用  作者：中南大学 樊坚 阳春华

1 系统概述
    酒吧无线服务系统分为用户无线终端设备和中心计费管理器两部分。其中用户无线终端设备置于吧台，中心计费管理器置于服务总台。各个吧台可随时向服务总台发出服务请求，服务总台接收后将及时响应；同时吧台之间也可进行信息交流。用户无线终端设备与中心计费管理器之间利用434 MHz左右的射频信号进行通信，通信速率最高可达20 kb/s。其中用户无线终端设备采用
433.93 MHz(434.33 MHz)的射频收发器NRF401，以及TI公司的超低功耗微控制器MSP430F122,3.6 V充电电池供电，待机时间大于180小时。使用64×128点阵式液晶显示器提供4×8每屏32个汉字显示功能，具有密码、帐号控制，短信息收发功能，同时接收到短信息后能产生发光二极管闪耀和声音提示。中心计费管理器采用相同的射频收发器,ST89E564微控制器以及EEPROM存储器(用于保存用户计费数据、统计数据和其他系统参数)，240×320点阵式液晶显示器，4×4的16键盘，串行打印机接口。具有用户无线终端设备密码、帐号管理，短信息发送控制，以及短信息的转发和计费，计费数据统计，故障声光报警功能，使用220 V交流电源供电。本设计已成功应用于酒吧的无线交友、服务系统，改进后也可实现酒店的无线点菜系统。

2 系统结构
    系统由无线终端设备、中心计费管理器两部分组成。中心计费管理器分时查询无线终端设备是否有短信息发送。有，则通过管理器将短信息转发到相应的无线终端设备。无线终端设备接收确认后，中心计费管理器将为发送端无线终端设备记录通信费；同时，中心计费管理器提供无线终端设备管理、通信费统计等功能。系统结构如图1所示。

3 无线终端设备的硬件结构及设计
    无线终端设备的硬件结构如图2所示。系统由微控制器MSP430F122、射频收发器NRF401、RS一232接口、串行存储器、64×128点阵式LCD显示屏、PCB环行天线以及电源电路组成。无线终端设备中，NRF401通过天线接收来自中心计费管理器的射频信号，解码后经串口以全透明方式传送给微控制器MSP430F122进行相应处理。发送时，MSP430F122通过串口将数据流传送给射频收发器nRF40l，NRF401直接将串行数据流经天线向外发射。
3.1 MSP430F122微控制器
    MSP430F122是TI(美国德州仪器公司)设计的一款超低功耗16位微控制器。MSP430F122工作电压范围为1.8～3．6 V；在1 MHz时，不同运行模式下的额定工作电流为0．1～200μA；具有五种节能模式，从等待方式唤醒时间只需6μs，可以使系统在保证正常运行条件下最大限度地降低功耗；适应于电池供电的手持设备。

3.2 射频收发电路
(1)射频收发器NRF401
    NRF401是一种为433 MHz ISM频段设计的单片无线收发芯片，Nordic VLIS公司生产，采用FSK调制解调技术。NRF401最高工作频率可以达到20 kHz，发射功率可以调整，最大发射电平是+10 dBm；具有待机模式，便于节能和高效。NRF401的工作电压范围为2.7～5 V，外围元件非常少，无须进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码；串行数据接口采用全透明方式传输；系统中天线接口可设计使用低成本的PCB环行天线，具体功能框图如图3所示。

(2)发送和接收频率对晶体的要求
    为了获得最好的RF性能，发送和接收频率误差不能超过70×10-6(30 Hz)，这就要求晶体的稳定度不能低于±35×10-6，频率的差异将会导致接收灵敏度产生一12dB/倍程的损失。例如，一个±20×10-6频率精度和在温度范围内±25×10-6稳定度的晶体，最大的频率误差将会超过±45×10-6。如果发送端和接收端工作在不同的温度环境，在最糟糕的情况下两方的误差将会超过90×10-6，结果导致接收端灵敏度下降大约5 dB.
(3)天线设计
    ANTl和ANT2是接收时LNA的输入及发送时的输出。NRF401的天线是以差分方式连接到NRF401的。在天线端推荐的负载阻抗是400Ω。本系统采用PCB环行天线。PCB环行天线的几何结构如图4所示。其中天线的物理参数为：a1——天线长度(mm)，a2——天线宽度(mm)，d——馈送长度(mm)，b1——环行导体宽度(mm)，b2——环行导体厚度(mm)。

    环行天线通过C1、C2将谐振频率调整到433 MHz，其中电阻Rq用于控制天线的Q值，天线的环行导体宽度b1为1 mm。与天线相关的电容、电阻、电感须满足精度和温度系数的要求。环行天线的等效电路如图5所示。

    根据接收和发送距离的不同要求，可调整天线的几何尺寸，具体计算方法下面描述。
    在系统中，a1=30 mm，a2=50 mm，铜层厚度b2=35 μm，Q=50，天线的工作频率为fO。设计中，发射电平S为10 dBm(10 mW)，接收灵敏度．RRF为一103 dBm(O.050 12 pW)，可以计算出天线的效率η以及信号理想传输距离D。

   
(4)PCB布局和电源设计
    在无线设备中，合理的PCB设计对于获得好的RF性能是必需的。本系统中，电路板使用至少两层板来设计。NRF401的直流供电必须在电源(VDD)引脚尽可能近的地方采用高性能的RF电容去耦。如果一个小电容再并上一个较大的电容(2.2μF)效果会更好。NRF401的电源必须经过很好的滤波，同时与数字电路供电分离。在PCB的设计中避免长的电源走线，所有射频部分元件的地线、电源线、电源去耦电容必须离NRF401尽可能近，而且元件的地线要尽可能近地通过过孔连接到地线覆铜面。所有开关数字信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。注意，数字地与模拟地应一点相连，两者之间采用电容、磁珠(电感)JI型滤波；同时，应考虑晶体布线，晶体与MSP43F122引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶体外壳接地并固定。条件允许的情况下，也可在晶体的输出端接一只PulseCore的抑制电磁干扰的器件，提高系统的电磁兼容性能。中心计费管理器与无线终端设备的硬件电路设计相似。

4 软件设计
    中心计费管理器与无线终端设备之间采用一点对多点的通信方式。中心计费管理器先发送地址包，后发送数据包。无线终端设备接收地址包后与设备地址进行比较，若相同则获得通信链路的控制权，可与中心计费管理器进行数据交换。中心计费管理器以轮询的方式实现与不同无线终端设备的通信。
    在软件设计上应考虑纠错，数据的发送不用长包，而应采用短包方式(每次小于20字节)，中间加延时以及前导码，来保证起始位的可靠。
    通信协议方面也要仔细考虑。通信协议重要的一点就是，能够识别噪声和有效数据。噪声是以随机字节出现的，没有明显的规律。通过测试和试验，发现OxFF后跟Ox00在噪声中不容易发生，传输协议应该在有效数据包前加前导码OxFF后跟0x00。发送协议的开始应该加任意内容的字节(因为第一个字节的数据在发送时易失真)，然后是OxFF后跟一个Ox00；接收协议规定，接收以0xFF后跟一个Ox00开始的数据包为有效数据。
    中心计费管理器提供了故障处理功能。正常情况下，有两台中心计费管理器同时运行：一台处于运行模式，另一台处于备份模式。正常运行时，处于运行模式的管理器在查询、控制无线终端设备的过程中，定时将计费数据传送给处于备份模式的管理器。当备份管理器在一定时间内接收不到运行管理器的数据时，将自动切换为运行模式并产生声光报警信息，提示操作员及时处理。

结 语
    本系统以单片UHF无线收发集成电路为核心，结构简洁，稳定可靠。同时采用了MSP430系列超低功耗微控制器，软件设计方面也充分考虑了节能处理方法，降低了系统的功耗，使用高容量镍氢电池可实现系统的便携功能，使用时间长。目前系统在酒吧应用稳定，以后将应用到酒店的点菜系统。

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