基于MSP430F149 的低功耗无线席位屏
系统设计
薄奇，张文爱**
作者简介：薄奇，（1985-），男，硕士，主要研究方向：人工智能。
通信联系人：张文爱，（1967-），女，副教授，主要研究方向：人工智能. E-mail: zhangwenai@tyut.edu.cn
5 （太原理工大学信息工程学院，太原 030024）
摘要：MSP430F149 单片机在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势，充分利用节能特性
实现了由MSP430F149、nRF905 与PC 机组成的一种无线数据传输系统的设计。首先对核心芯
片的选型和系统低功耗设计的理论基础进行简单简述，然后介绍无线席位屏系统软件和硬件
的设计，其中着重介绍本系统的低功耗设计方法，并给出典型的应用电路以及相关程序源代
10 码。
关键词：MSP430F149；低功耗；RF905；无线数据传输；PC
中图分类号：TN873+.93
Design of low-power wireless seat screen system based on
15 MSP430F149
BO Qi, ZHANG Wenai
(College of Information Engineering, Taiyuan Univercity of Technology, TaiYuan 030024)
Abstract: In this paper…The low power consumption of the single-chip MSP430F149 in
battery-powered applications, has the unique superiority, make full use of the energy conservation
20 characteristic implemented by the MSP430F149, nRF905 and PC components of a wireless data
transmission system's design. First, it carries on the simple summary to the selection of the core
chip and system design of the theoretical basis for low power consumption, and then introduce the
design of wireless seat screen system software and hardware, which introduced emphatically the
system's low-power design method, and Shows a typical application electric circuit as well as the
25 related program source code.
Keywords: MSP430F149; low power consumption; RF905; Wireless data transmission; PC
0 引言
随着电子技术和信息化社会的飞速发展，企事业、政府、机关、院校为促进各部门紧密
30 的合作，各种形式的交流、会议也越来越多，会务组织者通常都在会议席放上主要参加者名
字的塑料三角形桌牌。这种传统的塑料三角形桌牌，需要会务组织者贴上或者插入提前准备
好的参会人员姓名的纸张，这种席位牌给会务组织者带来很大的不便，同时也浪费大量的资
源和财力。为了减轻会务组织者的工作量，提高工作效率，同时也节约资源和财力，有必要
对现有的塑料三角形桌牌加以改进。在构建和谐社会这个时代大背景下“绿色”、“环保”
35 尤为倡导，“低功耗”、“微功耗”以至“零功耗”经成为电子产品设计的主潮流。而本设
计的席位器具有低功耗，无线数据信息通讯，人机交互，方便、快捷、美观，提高会务工作
者的工作效率；低功耗设计可以提高产品的综合性能，提升产品的市场竞争力，具有重大的
社会和经济效益。无线通讯无需架设电缆或挖掘电缆沟同时后续扩展性好，具有广泛的市场
应用前景。人机交互性强，控制面板按键，可以实现LCD 液晶屏上下翻页查看会议内容，
40 同时不需走动可直接呼叫服务台，不会影响会议的进行，也提供了一种便捷服务。
本文设计的无线席位屏采用TI 公司MSP430 系列中F149 单片机以及Nordik 公司RF905
单片射频收发芯片，利用它们本身具有的各种低功耗运行方式最大限度地降低系统功耗，以
 较小的硬件尺寸、较好的便携性和移动性实现点对点或者点对多点的无线数据和信息的传
输。
45 1 MSP430F149 的低功耗模式
1.1 MSP430 系列单片机
MSP430 系列单片机是美国德州仪器公司(TI)近年开发的新一代单片机，该单片机在设
计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、超低功耗、多种功能。由
于其功能远远超过其他系列单片机，因而又称之为混合型单片机[1]。它特别适用于各种要求
50 功率消耗极低的场所。一般来说，MSP430 单片机运行在1 MHz 时钟条件下，最大工作电流
仅有350μA；具有易于控制的5 种低功耗工作模式；视工作模式和工作电压不同，工作电
流仅为0.1~70μA。MSP430 单片机之所以具有超低的功耗，是因为在降低芯片电源电压及
灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处[2]。①采用1. 8~3. 6 V 电源电压，在1MHz 时钟
的条件下运行时，芯片的工作电流仅为0. 1~400μA。②具有2 种不同的系统时钟：基本时
55 钟和锁频环( FLL 和FLL + )时钟系统。可以使用1 个手表晶振( 321768 kHz) ，也可以使用
2 个晶振(一个为32. 768 kHz，另一个为高频振荡器) 。由时钟系统产生CPU 和各种功能模
块所需的时钟，这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，便于实现对总体功耗的控制。③
具有1 种活动模式(AM)和5 种低功耗模式(LPM0 ~LPM4 ) 。在待机方式下，电流消耗为0.
7 A；在节电方式下，最低可达0. 1 A[1-3]。
60 1.2 MSP430F149 低功耗模式
MSP430F149 的工作模式通过模块的智能化运行管理和CPU 的状态组合支持超低功耗
的各种要求。一个中断事件可将系统从各种工作模式中唤醒，而RETI 指令又能使
MSP430F149 返回到中断事件发生前的状态。CPU 状态寄存器SR 中的SCG1、SCG2、
OSCOFF、CPUOFF 与功耗有关，可由软件组合成6 种工作模式，如表1 所示
65 表1：低功耗工作模式
Tab. 1 Low-power mode
工作模式 控制位 CPU 状态、振荡器及时钟
AM
SCG1=0
SCG0=0
CPUOFF=0
OSCOFF=0
CPU 活动
MCLK 活动
SMCLK 活动
ACLK 活动
LPM0
SCG1=0
SCG0=0
CPUOFF=0
OSCOFF=1
CPU 禁止
MCLK 禁止
SMCLK 活动
ACLK 活动
LPM1
SCG1=0
SCG0=1
CPUOFF=0
OSCOFF=1
CPU 禁止，MCLK 禁止
如果DCOCLK 位用作MCLK 或SMCLK，则直流发生器禁止，否则，仍然
活动
SMCLK 活动
ACLK 活动
LPM2
SCG1=1
SCG0=0
CPUOFF=0
OSCOFF=1
CPU 禁止，如果DCO 未被用作MCLK 或SMCLK，自动禁止
MCLK 禁止
SMCLK 禁止
ACLK 活动
LPM3
SCG1=1
SCG0=1
CPUOFF=0
OSCOFF=1
CPU 禁止
DCO 被禁止，直流发生器被禁止
MCLK 禁止，SMCLK 禁止
ACLK 活动
LPM4
SCG1=1
SCG0=1
CPUOFF=1
OSCOFF=1
CPU 禁止
DCO 被禁止，直流发生器被禁止，所有振荡器停止工作
MCLK 禁止，SMCLK 禁止
ACLK 禁止
 其中，不同工作模式对应的典型电流消耗如图1 所示。
图1 各种工作模式对应的电流消耗图
Fig.1 Various modes of consumption corresponding 70 to the current map
2 nRF905 的工作模式
2.1 nRF905 简介
nRF905 是挪威Nordic 公司推出的单片射频收发器芯片，工作电压为1. 9~3. 6 V ，32
75 引脚QFN 封装((5*5mm)，工作于433/868/915MHz 三个ISM(工业、科学和医学)频道[4]。
nRF905 由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加
SAW(声表滤波器)也可以有良好的效果。nRF905 整合了ShockBurstTM 技术，可以自动处理
数据包字头，且内置CRC(循环冗余码校验)，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，
确保数据可靠传输，使用SPI 接口与微控制器通信，其中地址、输出功率和通信频道可通
80 过程序进行配置，所以可以用于多机通讯。此外，其功耗非常低，以- 10dBm 的功率发射时，
工作电流只有11mA；而对应接收模式的电流只有12. 5mA[5]。芯片可以软件设置待机模式
与关机模式，易于实现节能。nRF905 传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收
端收到后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU 可以在需要时再到芯片中去取。nRF905 一
次的数据传输量最多为32 Bit。nRF905 适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线
85 钥匙、无线监测、家庭自动化和玩具等领域。
2.2 nRF905 工作模式
nRF905 有两种激活模式和两种节能模式。两种激活模式分别是ShockBurst TX 接收模
式和ShockBurst RX 发送模式，两种节能模式分别是关机模式和待机模式。nRF905 的工作
模式由TRX_CE，TX_EN 和PWR_UP 三个引脚决定。如表2
90
表2：nRF905 工作模式
Tab. 2 Mode of the nRF905
PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式
0 — — 掉电和SPI 编程模式
1 0 — Standby 和SPI 编程模式
1 1 0 ShockBurst RX
1 1 1 ShockBurst TX
2.2.1 ShockBurst 模式
95 与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905 片内进行，数据速率由微控制器配置的
SPI 接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905 中高速发送，因此中间有很长时
间的空闲，这很有利于节能。由于nRF905 工作于ShockBurst 模式，因此使用低速的微控制
 器也能得到很高的射频数据发射速率。在ShockBurst RX 模式下，当一个包含正确地址和数
据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在
ShockBurst 100 TX 模式，nRF905 自动产生字头和CRC 校验码，当发送过程完成后，数据准备
好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nRF905 的ShockBurst 收发模式有利
于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。
2.2.2 节能模式
nRF905 的节能模式包括关机模式和节能模式。
105 在关机模式，nRF905 的工作电流最小，一般为2.5uA。进入关机模式后，nRF905 保持
配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。
待机模式有利于减小工作电流，其从待机模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较
短。在待机模式下，nRF905 内部的部分晶体振荡器处于工作状态。nRF905 在待机模式下的
工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关。
110 3 系统软件与硬件设计
3.1 系统时钟设计
MSP430F149 的时钟模块由低速晶体振荡器LFXT1、高速晶体振荡器XT2、数字控制
振荡器DCO 和增强型琐相环FLL+等部件组成[6]。MSP430F149 基本时钟模块有三个时钟输
入源LFXT1CLK(低速32768Hz，高速450Hz 到8MHz)、XT2CLK(450Hz 到8MHz)、DCOCLK，
115 提供以下三种时钟信号①ACLK 辅助时钟：由LFXT1CLK 信号经1、2、4、8 分频后得到，
可以由软件选作各个外围模块的时钟信号，一般用于低速外设。②MCLK 系统主时钟：MCLK
可由软件选择来自LFXT1CLK、XT2CLK、DCOCLK 三者之一，然后经1、2、4、8 分频得
到，MCLK 主要用于CPU 和系统。③SMCLK 子系统时钟：可由软件选自LFXT1CLK 和
DCOCLK，或XT2CLK 和DCOCLK，然后经1、2、4、8 分频得到。SMCLK 主要用于高速
120 外围模块。
学术论文网Tag：代写代发论文 代写电子论文 代发论文 职称论文发表