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系统频率与系统的工作电压密切相关（MSP430 工作电压1.8V~3.6V，编程电压 2.7V~3.6V），所以不同的工作电压，需要选择不同的系统时钟。控制时钟模块的三个寄存 器为DCO 控制寄存器DCOCTL、基本时钟系统控制寄存器1BCSCTL1、基本时钟控制寄存 器2 BCSCTL2。当两个外部振荡器失效时，DCO 振荡器会自动被选作MCLK 的时钟源。 125 PUC 信号之后，DCOCLK 被自动选作MCLK 和SMCLK 的时钟信号，LFXT1CLK 被选作 ACLK 的时钟信号，根据需要MCLK 和SMCLK 的时钟源可以另外设置。从硬件电路角度 分析，需要根据实际连接确定ACLK、SMCLK 和MCLK 时钟源，ACLK 只能来源于LFXT1。 LFXT1 只有工作于高频模式才需要外接电容，同时将MCLK，SMCLK 时钟设置为XT2。 本 系统的晶振电路连接如图2。 130 图2：系统晶振 Fig. 2 System crystal 3.2 系统低功耗设计 135 3.2.1 功耗管理 当系统被集成后，功耗是一个值的考虑的问题，这里减少功耗从硬件和软件两方面入手。 硬件低功耗设计就是从选择低功耗组件、使用具有集成功能的组件来减少组件数量。在 满足最优功能情况下尽量减少外围元件的使用。另外在电路设计的时候，要避免与MCU 管 脚直接相连的电阻在休眠状态下消耗电能；对高阻输入的I/0 引脚，应该在外部上拉到高电 140 平或者下拉低电平，以免悬空状态下的杂散信号侵入引起开关电流。 软件设计只能通过高效的算法来调节和改善一些可调参数，数据发送频率、比特率、重 发和数据帧长度设定。数据发送频率，延长发射间隔显然可以降低功耗，但需要在此与数据 可靠性和用户获取信息的及时性之间进行权衡。数据发送比特率，比特速率太高，接收电路 误码增加；过低，则会增加多节点之间的数据发送的冲突机会。重发数据，因为在无线席位 145 屏设计系统中需要的节点不止一个，各个节点之间又是相互独立工作不能相互通信的，所以 在和唯一的主控机通信时，必然存在一定的冲突概率。数据帧长度设定，RF905 发射接收需 要消耗的电池能量，因此传输较短帧能显著延长电池寿命，同时也可以减少发射数据在空中 冲突的机会，降低误码率。 3.2.2 功耗设计方案 150 在硬件方面，微处理器采用TI 公司的MSP430F149 单片机，工作电压为1. 8~3. 6 V， 一般情况下，在1MHz 时钟的条件下运行时，芯片的工作电流仅为0. 1~400μA。RAM 数 据保持方式下耗电仅为0.1uA，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. 7A；在节电方式下，最低可达0. 1 A。而且还可以通过软件 指令可以控制CPU 和各种功能模块所需时钟的打开和关闭，便于实现对总体功耗的控制， 155 达到功耗最小化原则。 在软件方面，采用中断处理方式，当且仅当中断响应才使MCU 才从低功耗模式唤醒进 入工作模式；射频芯片发射频率为433.936MHz，最大发射功率l0dBm，传输率为100kbps， 数据的传输长度为32 字节，射频部分是系统的功耗的主要消耗部分，在优化配置射频参数 的情况下，除了在工作状态其余情况下，均处于待机模式。 160 结合上述两方面考虑，主控板USB 接口与PC 机连接通过串口与MSP430F149 进行数 据通讯，其中MSP430F149 的USART 模块可通过寄存器配置为通用异步串行口，相应时钟 设置为ACLK。主控板凭借串口接收中断将主控板从低功耗中唤醒，为了达到最合理的低功 耗，主控板选用LMP3 模式。LMP3 模式下电流消耗0.80uA，运行期间电流消耗250uA。从 机板为了满足nRF905 在低功耗1.9V~3.6V 工作，待机模式下状态电流为2.5uA，因此，从 165 机板最优低功耗模式设置为LPM1 或LPM0。 3.2.3 实际功耗 由于系统供电采用普通纽扣电池供电，所以系统的功耗问题非常重要。下面以从机板为 例从工作状态和和待机状态测量系统的实际功耗。 工作模式下系统的能耗来源包括处理器能耗、LM358 能耗，nRF905 工作时的能耗，LCD 170 液晶显示能耗。MSP430F149 在工作状态下的电流为250uA，其中射频工作能耗和LCD 液 晶显示能耗占主要部分，实际nRF905 进行通信时的为12mA，LCD 液晶显示能耗1mA，系 统的总功耗测量为13mA。 在待机模式下系统的能耗主要来自微处理器、nRF905 和LCD 液晶显示。MSP430F149 电流很小大约35uA，nRF905 待机模式下测得的电流为2.5uA，LCD 液晶显示能耗1mA， 175 总电流约为1037.5uA。 分析工作状态和待机状态能耗情况，采取模式切换的方式进行能耗管理，系统大部分时 间出于待机状态仅当需要传输时才唤醒进入工作模式，这样整个系统就达到了低功耗。 3.3 通讯模型以及数据帧设计 从机板MSP430F149 在驱动4 汉字LED 点阵屏和LCD 液晶显示屏，都是上位机将待显 180 示的数据通过串口(采用RS－232 通信标准)发送给主控板MSP430F149，主控板将接收到的 显示数据通过nRF905 传输给从机板，从机板将数据存储到MSP430F149 RAM 中，并驱动 相应屏显示。 从机板MSP430F149 在驱动4 汉字LED 点阵屏不加字库控制器，而是通过上位机录入 汉字与字符转换为相应的点阵字模数据来显示。从机板MSP430F149 在驱动LCD 液晶显示 185 屏采用现成的字库芯片，这样通过上位机将待显示的汉字或字符转换成对应的标准机内码发 送出去，LCD 将接收到的汉字机内码作地址来取出相应汉字的点阵字模数据。其中，320*240 LCD 液晶显示屏是通过表格设置分成6 部分，LCD _Subject、LCD _Addresser、LCD _Topic、 LCD _Organizers、LCD _Remind、LCD _Content，各自显示自己的内容。从而，上位机发送 数据给LED、LCD 以及LCD 所划分的各个部分时，需要通过识别码来区分。 190 上位机发送的帧格式由帧头、帧长、识别码、数据和结束符组成，如表3 所示[7]。帧头 为数据帧开始标志，固定为0xA0FAH，长度2 字节。帧长指从识别码开始至本帧结束的所 有数据的字节数，不包括识别码和结束符。识别码用以指示本帧数据的内容属性，长度为1 字节。不同类型帧的数据长度和识别码具体定义如表4 所示。 195 表3：协议数据帧格式 Tab. 3 Frame format of the Protocol Data LED Data 字 模 字 模… (128Byte 字模) 结束符 0x8F 握手 字 0xA0 同步 头 0xFA 数据 长度 高位 数据 长度 低位 识 别 码 LCD Data 内 码… 内 码 分割符 0x00 内 码 … 内 码 分割符 0x00 结束符 0x8F 表4：识别码分类 Tab. 4 Frame mark 识别码 发送目标 数据格式 0x01 LED LED 字模[0] + 字模[1] + ... + 字模[127] +0x8F 0x02 LCD SubjectData+0x00+AddresserData+0x00+TopicData+0x00+ RemindData+0x00+OrganizersData+0x00+ContentData +0x00+0x8F 0x03 LCD _Subject Subject 内码[0]+ 内码[1]+ ... +内码[n]+0x00+0x8F 0x04 LCD _Addresser Addresser 内码[0]+ 内码[1]+ ... +内码[n]+0x00+0x8F 0x05 LCD _Topic Topic 内码[0]+ 内码[1]+ ... +内码[n]+0x00+0x8F 0x06 LCD _Organizers Organizers 内码[0]+ 内码[1]+ ... +内码[n]+0x00+0x8F 0x07 LCD _Remind Remind 内码[0]+ 内码[1]+ ... +内码[n]+0x00+0x8F 0x08 LCD _Content Content 内码[0]+ 内码[1]+ ... +内码[n]+0x00+0x8F 200 3.4 系统硬件实现 无线席位屏系统硬件的实现如图3 所示，除了MSP430F149 和nRF905 外，系统还留有 USB 接口可以实现主控机与PC 机的通讯，从机板提供了按键、LED 点阵屏和LCD 液晶屏 人机交互界面。 图3：系统硬件总体结构 Fig. 3 The overall structure of the system hardware 4 结论 210 本文给出了微功率短距离无线通信技术，一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和 少量外围器件构成专用或通用包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议无线通 信模块，通常射频芯片采用GFSK(高斯频移键控)调制方式，工作于ISM(工业、科学、医疗) 频段，用户不必对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实 现基本的数据无线传输功能。在功耗设计方面从硬件及软件两个方面提出了功耗设计方案， 215 并从理论和实际两个方面计算出系统的功耗，在低功耗状态下由电池供电，电压和频率都很 低，满足低功耗设计要求。 本设计采用 nRF905 射频收发芯片和MSP430F149 微控制器设计了短距离无线数据传 输席位屏，完成硬件电路和系统软件调试后，进行了无线数据收发实验。实验结果表明，在 300 m 通信距离，该无线传输席位屏工作稳定，能实现数据的高速有效传输，具有低功耗、 220 抗干扰能力强，有效地解决了会务组织者的工作量，同时也节约资源和财力等优点。 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 |
