超低功耗單片機(jī)MSP430F413實(shí)現(xiàn)的智能遙控器設(shè)計(jì)

引言
目前市場(chǎng)上常見的無線遙控器多數(shù)為四鍵和十二鍵，主要用于汽車防盜系統(tǒng)、家庭防盜系統(tǒng)及遙控玩具等方面，這些應(yīng)用簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低。但對(duì)于一些工程中需要距離在100米以上，控制或設(shè)定一些數(shù)據(jù)時(shí)，并要求一個(gè)遙控器對(duì)多于12個(gè)甚至上百個(gè)設(shè)備時(shí)，上述遙控器對(duì)操作人員就不方便，而且系統(tǒng)性能不夠穩(wěn)定。鑒于上述情況我們便提出在此基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)編寫地址，通過操作鍵設(shè)置，液晶顯示遙控器的輸出。同時(shí)對(duì)耗電量、多個(gè)控制的設(shè)定、便于攜帶、操作方便及性能穩(wěn)定等的嚴(yán)格要求，于是便設(shè)計(jì)開發(fā)出一種新型智能遙控器。該型遙控器以TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F413為微處理器，配有低功耗3位液晶顯示器EDS812A，還有傳輸比很高的光，整個(gè)系統(tǒng)采用鋰電池和高能氧化銀電池作為供電電源，并且有功耗少、體積小、重量輕、易于編程和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。此外它使用安全可靠，便于攜帶，方便其它類似工程實(shí)際采用，移植性強(qiáng)。該遙控器的電路原理框圖如圖1所示,由電源電路、液晶顯示、按鍵控制、地址輸出、發(fā)射模塊等電路組成。

圖1 智能遙控器原理框圖

單片機(jī)接口
MSP430F413單片機(jī)是TI公司最近推出的超低功耗混合信號(hào)16位單片機(jī)系列中的一種。它采用16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，125ns指令周期，大部分的指令在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率，而且片內(nèi)含有硬件乘法器，大大節(jié)省運(yùn)算的時(shí)間。該芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，具有五種低功耗模式，供電電壓范圍為1.8~3.6V，在工作模式下：2.2伏工作電壓1MHz工作頻率時(shí)電流為225uA；在待機(jī)模式電流為0.7uA；掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持不變)電流為0.1uA。所以特別適用長(zhǎng)期使用電池工作的場(chǎng)合。它采用數(shù)字控制振蕩器(DCO)，使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6us。該芯片具有8KB+256B Flash Memory，256B RAM，采用串行在線編程方式，為用戶編譯程序和控制參數(shù)提供靈活的空間，內(nèi)部的安全保密熔絲可使程序不必非法復(fù)制。此外，MSP430F413具有強(qiáng)大的中斷功能，48個(gè)通用I/O引腳，96段LCD驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)16位定時(shí)器，這樣提高了對(duì)外圍設(shè)備的開發(fā)能力。
    由于考慮到本設(shè)計(jì)有低功耗，小體積，液晶顯示，按鍵編址等要求，所以選用了MSP430F413型單片機(jī)芯片，在線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出與其它單片機(jī)非常明顯的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)接口電路原理圖如圖2所示。

電源電路
這個(gè)系統(tǒng)的電源回路由兩個(gè)獨(dú)立的電源組成，互不干擾，之所以采用兩組獨(dú)立的供電系統(tǒng)，主要從以下幾個(gè)方面考慮：1、實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)單片機(jī)工作時(shí)對(duì)接收電路產(chǎn)生干擾，影響控制功能；2、隨著遙控距離的不同，發(fā)射電流也不同，距離越遠(yuǎn)電流越大，直接影響單片機(jī)的工作；3、發(fā)射模塊的最佳工作電壓為12V左右，而單片機(jī)系統(tǒng)的工作電壓為1.8-3.6V，這樣就得采用通用DC-DC降壓芯片，成本就會(huì)增加。此外發(fā)射模塊與單片機(jī)系統(tǒng)共地，它們之間干擾無法徹底消除。鑒于以上因素，從實(shí)際使用角度出發(fā)，采用鋰電池和高能氧化銀電池獨(dú)立供電。
    單片機(jī)系統(tǒng)采用一節(jié)鋰電池CR2032（容量210mAh，電壓3.0V，直徑20mm，高度3.2mm）供電。遙控器部分為兩節(jié)高能氧化銀電池476A（容量165mAh，電壓6.0V，直徑13mm，高度25.2mm）串聯(lián)供電。整個(gè)系統(tǒng)的電流工作時(shí)小于1 mA，不工作時(shí)小于3uA。單片機(jī)部分無鍵操作時(shí)，可關(guān)閉電源開關(guān)或隔20分鐘后系統(tǒng)自動(dòng)處于低功耗模式3，這樣可節(jié)省能量；遙控器部分電源在無鍵操作時(shí)，不消耗電能。故此系統(tǒng)的電源回路設(shè)計(jì)可達(dá)到耗電少、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能穩(wěn)定可靠的指標(biāo)。
按鍵控制部分
    該遙控器共有6個(gè)按鍵：2個(gè)設(shè)置鍵(KEY1,KEY2)，4個(gè)功能鍵(S1-S4)，共同完成特定的功能操作。出于對(duì)低功耗設(shè)計(jì)要求，在有鍵按下時(shí)盡可能減少系統(tǒng)功耗，故在地址輸出部分與液晶顯示部分采用組合鍵來完成，即就是在液晶設(shè)置完成后再按確定鍵KEY2，才有地址輸出。這時(shí)按功能鍵才有遠(yuǎn)程控制功能，否則不能遙控。同時(shí)掃描按鍵操作，若在20分鐘左右無鍵按下，則使MSP430單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式3；若有任意鍵按下時(shí)重新開始設(shè)置地址并輸出。
圖2 單片機(jī)接口電路原理圖
液晶顯示模塊
    液晶顯示器采用的是西安新敏電子有限公司的標(biāo)準(zhǔn)段式低功耗3位液晶顯示器EDS812A，有23個(gè)段輸出和1個(gè)公共端輸出。利用MSP430F413單片機(jī)自身具有液晶驅(qū)動(dòng)LCD96段來完成系統(tǒng)的顯示接口，因此采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方法直接接線，簡(jiǎn)單可靠，易于編程，其中MSP430F413的R30引腳必需接地。
地址輸出單元
    該單元由兩片傳輸比很高光耦TLP627-4及其相應(yīng)電阻組成。由于發(fā)射控制部分的工作電壓在4~15V范圍，單片機(jī)系統(tǒng)地址輸出與遙控器發(fā)射控制部分有不同的工作電壓,故采用光電隔離和電平轉(zhuǎn)換使得控制與設(shè)置部分準(zhǔn)確可靠的工作。

遙控器模塊
    PT2262和PT2272是臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的一對(duì)COMS工藝制造的低功耗低價(jià)位專用編、解碼芯片，振蕩頻率通過一個(gè)外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對(duì)后，VT引腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)引腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射模塊沒有鍵按下時(shí)，PT2262不接通電源，其17引腳為低電平，所以315MHz的高頻發(fā)射電路不工作；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，PT2262得電工作，其第17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)17引腳為高電平期間315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)；當(dāng)17引腳為低平期間315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262的17引腳輸出的數(shù)字信號(hào)，從而對(duì)高頻電路完成幅度鍵控（ASK調(diào)制）相當(dāng)于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272的第1_8引腳為地址設(shè)定，可以選擇懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3的8次方為6561，所以地址編碼不重復(fù)度為6561組，只有PT2262和PT2272的地址編碼完全相同，才能配對(duì)使用。生產(chǎn)廠家為了便于管理，出廠時(shí)PT2262和PT2272的八位地址編碼端全部選擇懸空，用戶如果想改變地址編碼，只要將PT2262和PT2272的1_8引腳設(shè)置相同即可。
    該智能遙控器利用MSP430F413的P6口輸出高低電平，經(jīng)過光耦與PT2262的地址設(shè)定腳相連，通過單片機(jī)編寫地址，每完成一次設(shè)置都有唯一的地址輸出，相應(yīng)的PT2272地址設(shè)定腳也應(yīng)設(shè)置為相應(yīng)的高低電平，這時(shí)操作遙控器的功能鍵，則含這個(gè)PT2272的設(shè)備有相應(yīng)的動(dòng)作，而其它含PT2272的設(shè)備不動(dòng)作。這樣就保證了準(zhǔn)確可靠的功能。
無線發(fā)射單元
    該模塊以編碼芯片PT2262為核心，與發(fā)射模塊J6（型號(hào)為9912）連接，可以遙控距離為100米以上。還有一種和PT2262完全兼容的SC2262芯片，外圍電路無需作任何改動(dòng)，編解碼電路簡(jiǎn)單，外部元件少，最多可有12位(A0-A11)三態(tài)地址端引腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供531441地址碼。本設(shè)計(jì)使用8位地址設(shè)定引腳(A0-A8)，選擇接正電源、接地兩種狀態(tài)，組合可提供256個(gè)地址碼。PT2262使用4位(D0-D3)數(shù)據(jù)端引腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17引腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路。發(fā)射電路原理圖見圖3。
    發(fā)射模塊9912的正面信號(hào)引腳名稱見圖4，與圖3中的J6端子對(duì)應(yīng)。(GND為12V接地端)

圖3  發(fā)射電路原理圖
無線接收單元
     該模塊是以解碼芯片PT2272為核心的接收模塊SB-JS1。該接收模塊有七個(gè)引出端，分別為VCC、GND、D1、D2、D3、D4及VT，其中VT端為解碼有效輸出端，D1_D4為四位數(shù)據(jù)鎖存輸出端，能輸出4V左右的高電平，驅(qū)動(dòng)電流2mA，與發(fā)射器上的S1、S2、S3、S4四個(gè)鍵相對(duì)應(yīng)。接收模塊采用SMD貼片工藝制造生產(chǎn)，為超再生接收方式，它內(nèi)含放大整形及解碼電路，使用極為方便。

軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)調(diào)試工具是IAR公司的嵌入式工作臺(tái)EW430。它是IAR公司專為TI 16位單片機(jī)MSP430系列開發(fā)的，它提供了一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境。在支持TI FET驅(qū)動(dòng)方面，EW430的功能是獨(dú)一無二的，目前最新版本是1.26B。該開發(fā)工具支持windows98/ME/NT4/2000/XP多操作系統(tǒng)，在該開發(fā)環(huán)境下可進(jìn)行工程文件的建立、文件編輯、編譯、匯編、鏈接和建立生成目標(biāo)文件及對(duì)目標(biāo)文件進(jìn)行調(diào)試。
    MSP430 IAR C-SPY調(diào)試器是為測(cè)試邏輯程序和仿真而開發(fā)的一種快速和高性價(jià)比的工具，可以將程序完整地下載到IDE中，在IAR Embedded Workbench中可以方便地進(jìn)入C-SPY調(diào)試環(huán)境，編輯的功能像源代碼瀏覽器一樣使程序可以編輯的同時(shí)調(diào)試，斷點(diǎn)可直接在代碼中設(shè)置，寄存器窗口，存儲(chǔ)器窗口，觀察窗口等，可非常方便地調(diào)試用戶所設(shè)計(jì)的程序。硬件調(diào)試主要通過TI的JTAG Flash仿真工具M(jìn)SP-FET430(Flash Emulation Tool)連接目標(biāo)板。可同時(shí)編輯調(diào)試匯編語言和C語言源文件。
    MSP430系列的IAR C 語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容程度高，所有的文檔資料容易理解，便于移植。整個(gè)程序采用C語言設(shè)計(jì),模塊化結(jié)構(gòu)，條理清楚，程序量精簡(jiǎn)，使得MSP430的速度和編譯程序容量最優(yōu)化。程序流程圖如圖4所示。

圖4  程序流程圖

結(jié)語
    本設(shè)計(jì)由于選用MSP430F413單片機(jī)，其豐富的片上外圍功能模塊使得外圍電路得以大大簡(jiǎn)化，而且大多數(shù)元器件均選擇貼片封裝，從而減少了整個(gè)板面積，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中也采用了多種節(jié)能工作方式，從而使整個(gè)系統(tǒng)功耗很少，可滿足電池供電要求。目前，在實(shí)際應(yīng)用中也得很好的驗(yàn)證，精度高、控制準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)。