手持式无线终端系统设计

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手持式无线终端系统设计

       1 系统概述
3 h. p$ b$ M" h* z' V: c! H) J' Q　　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,通信速率较高可达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。
+ i/ v' h" {3 {' _( H8 ]: A) y- G2 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
7 r( T0 ]* |3 }8 `/ r　　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
) A% k/ a7 C5 r9 b7 D. R5 V& |　　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较大限度地降低功耗;适应于电池供电的手持设备。

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4 Y# a/ W) t; z% d3.2 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较高工作频率可以达到20 kHz,发射功率可以调整,较大发射电平是+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。

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(2)发送和接收频率对晶体的要求
9 m7 t, ?( S. g& e; k　　为了获得较好的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,较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)。
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# q  l' j& {# H9 u: E$ x# k/ l　　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。
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; W6 _5 O. o6 p7 r7 a1 B% o8 J　　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。
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6 ?$ O9 Z5 Z2 l2 ~  W% u& F(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。
; A2 e5 ~: |, L; m　　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。
; ]+ |/ Z! b) E; S8 p' R$ `　　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。
8 a) P  |. X. o0 w　　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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