【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 濾波器和放大器以及I/Q解調(diào)器等，主要工作參數(shù)大都可通過(guò)芯片狀態(tài)字由用戶根據(jù)需要自行配置，沒(méi)有復(fù)雜的通信協(xié)議，他完全對(duì)用戶透明，且同種產(chǎn)品之間可以自由通信。因此CC2500是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片之一[9]。CC2500射頻芯片還為信息包處理、數(shù)據(jù)緩沖、脈沖傳送、空閑信道評(píng)估等功能提供了額外的硬件支持?？臻e信道評(píng)估CCA(Clear Channel Assessment)功能是指當(dāng)CC2500處于RX狀態(tài)時(shí)，可以檢測(cè)自身所處信道的電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱以判斷該信道是否空閑[10]，從而保證了數(shù)據(jù)的正確性。表3 CC2500的主要特性可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率，可達(dá)500kbps單獨(dú)的64字節(jié)RX和TX數(shù)據(jù)FIFO較低的電流消耗()集成模擬溫度傳感器可編程控制的輸出功率，可達(dá)+1dBm可編程的載波感應(yīng)指示器極少的外部元件：芯片內(nèi)頻率合成器，不需要外部濾波器或RF轉(zhuǎn)換高效的SPI接口：所有的寄存器能用一個(gè)“突發(fā)”轉(zhuǎn)換器控制可編程控制的基帶調(diào)制解調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)的可選自動(dòng)白化處理自動(dòng)頻率補(bǔ)償可用來(lái)調(diào)整頻率合成器到接收中間頻率許多強(qiáng)大的數(shù)字特征，使得使用廉價(jià)的微控制器就能得到高性能的RF系統(tǒng)(2) CC2500射頻芯片外圍電路設(shè)計(jì)CC2500射頻芯片外圍電路中只需加入少量的外部元件即可使用。CC2500技術(shù)手冊(cè)中推薦的應(yīng)用電路如圖7所示，外部元件由表4給出。詳細(xì)參數(shù)信息請(qǐng)參見CC2500技術(shù)手冊(cè)。偏阻器R171用來(lái)設(shè)置一個(gè)精確地偏電流。C122,C132,L121和L131形成一個(gè)平衡轉(zhuǎn)換器，用以將CC2500上的微分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號(hào)(C121和C131也用在直流模塊上)。同一個(gè)合適LC網(wǎng)絡(luò)一起，平衡轉(zhuǎn)換器元件也將阻抗轉(zhuǎn)換以匹配50歐的天線(或電纜)。使用SmartRF Studio軟件可容易地得到RF平衡轉(zhuǎn)換器和LC網(wǎng)絡(luò)元件的值。晶體振蕩器使用一個(gè)帶2個(gè)負(fù)載電容(C81和C101)的外部晶體。能量供給必須在靠近供給引腳處恰當(dāng)?shù)赝笋睢Ｍ笋铍娙莸姆胖眉按笮?duì)于達(dá)到最優(yōu)性能是非常重要的。必須嚴(yán)格遵照Chipcon公司給出的參考設(shè)計(jì)。表4 CC2500射頻芯片外部元件總攬?jiān)枋鯟51數(shù)字部分的片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器的100nF退耦電容C81/C01晶體負(fù)載電容C121/C131RF平衡轉(zhuǎn)換器DC模塊電容C122/C132RF平衡轉(zhuǎn)換器/匹配電容C123/C124RF LC濾波/匹配電容L121/L131RF平衡轉(zhuǎn)換器/匹配電感(便宜的多層類型)L122RF LC濾波電感(便宜的多層類型)R171內(nèi)部偏電流參考的56千歐電阻XTAL26MHz28MHz晶體CC2500芯片典型應(yīng)用電路如下：圖7 CC2500芯片外圍電路CC2500芯片外圍電路原理圖如圖8所示，該原理圖完全參照TI公司提供的CC2500芯片外圍電路設(shè)計(jì)樣板而制作的。圖8 CC2500芯片外圍電路原理圖(3) CC2500芯片外圍驅(qū)動(dòng)電路CC2500芯片驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖9所示。該驅(qū)動(dòng)電路以單片機(jī)STC12LE5410AD為核心，該單片機(jī)具有低功耗，低供電電壓等特點(diǎn)，~。選擇該款單片機(jī)最主要的原因是，該單片機(jī)集成有一個(gè)UART接口和一個(gè)SPI接口。SPI接口與CC2500射頻芯片相連，UART接口與MAX232芯片相連。STC12LE5410AD單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)CC2500芯片進(jìn)行初始化和控制。STC12LE5410AD單片機(jī)的UART接口通過(guò)MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后與MSP430F149微處理器的UART1接口相連接，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。因而，MSP430F149微處理器只需要將控制指令通過(guò)串口傳遞給STC12LE5410AD單片機(jī)，STC12LE5410單片機(jī)就會(huì)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)指令驅(qū)動(dòng)CC2500射頻芯片將信息轉(zhuǎn)發(fā)出去。這樣設(shè)計(jì)大大降低了單純使用MSP430F149微處理器對(duì)GSM模塊和CC2500芯片進(jìn)行初始化和控制的工作量，減少了資源的占用，大大提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。圖9 CC2500芯片驅(qū)動(dòng)電路 MSP430F149微處理器模塊硬件設(shè)計(jì)本課題研制的基于GSM短消息方式的智能家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理部分采用MSP430F149作為微處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。MSP430F149內(nèi)部集成有兩個(gè)UART模式的通信串口，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的初始化設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)通信。由于GSM短消息收發(fā)模塊和CC2500射頻模塊的通信接口均為UART接口，所以MSP430F149通過(guò)UART接口可以十分方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM短消息收發(fā)模塊和CC2500射頻模塊的控制和通信。(1) MSP430F49微處理器簡(jiǎn)介MSP430F149單片機(jī)(或稱為微控制器)，是一種具有超低功耗特性的功能強(qiáng)大的單片機(jī)。其存儲(chǔ)器模塊是目前業(yè)界所有內(nèi)部集成Flash存儲(chǔ)器產(chǎn)品中能耗最低的一種，同其它微處理器相比，既縮小了線路板空間，又降低了系統(tǒng)成本，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)，它具有以下特點(diǎn)[11]。(1) 超低功耗 MSP430F149運(yùn)行在1MHz時(shí)鐘、消耗電流僅280181。A。(2) 低電源電壓范圍：~。(3) 強(qiáng)大的處理能力 MSP430F149具有豐富的尋址方式，片內(nèi)寄存器數(shù)量多，存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算，具有高效的查表處理方法，這些特點(diǎn)保證了可以 編制出高效的程序。MSP430F149的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只需6181。s。(4) 豐富的片上外圍模塊 MSP430F149集成了較多的片上外圍資源，可實(shí)現(xiàn)多種功能。它由以下部分組成：基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊，包括1個(gè)數(shù)控振蕩器(DCO)和頻率為8MHz、32768Hz的兩個(gè)晶體振蕩器；看門狗定時(shí)器Watchdog Timer可用作通用定時(shí)器；帶有3個(gè)捕捉/比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A和Timer_B；6個(gè)8位并行端口，其中2個(gè)具有中斷功能；兩通道串行通信接口可用于異步或同步(UART/SPI)模式；具有多達(dá)60KB FLASH ROM和2KB RAM，便于運(yùn)算處理。(5) 適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境 MSP430F149的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為40~85℃，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合運(yùn)行于工業(yè)環(huán)境下。(2) MSP430F149微處理器外圍電路設(shè)計(jì)MSP430F149微處理器外圍電路原理圖如圖10所示。由于MSP430F149芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了大量功能模塊，所以MSP430F149芯片外圍只需要連接少量的元器件，即可滿足設(shè)計(jì)的要求。MSP430F149微處理器的外圍電路包括復(fù)位電路、晶體振蕩器電路、MAX232電平轉(zhuǎn)換電路以及電源電路。MSP430F149微處理器的電源電路與TC35模塊的電源電路為同一電路，只不過(guò)這里的電源電壓為經(jīng)過(guò)TI的AMS1117芯片電平轉(zhuǎn)換后的+。為了減少各個(gè)模塊之間的信號(hào)干擾，在每塊電路板上都需要相當(dāng)多的旁路電容來(lái)抵消電源線的電感[12]，各個(gè)模塊的地線也需要分開走線，然后在接電源處將各模塊地線相連接。圖10 MSP430F149 外圍電路原理圖 智能家庭網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為GSM短消息收發(fā)模塊接口程序和CC2500射頻通信模塊接口程序兩部分。GSM短消息收發(fā)模塊接口程序分為：UART0接口初始化；GSM模塊的初始化；獲取短消息內(nèi)容的0、1序列；分析0、1序列，獲取其中有用信息并存儲(chǔ)等四部分。CC2500射頻通信模塊接口程序分為：UART1接口初始化；與STC12LE5410AD單片機(jī)串口通信；將轉(zhuǎn)換后的消息內(nèi)容傳送給CC2500射頻通信模塊等三部分。在CC2500射頻模塊部分，CC2500芯片已經(jīng)與STC12LE5410AD單片機(jī)相連接，當(dāng)CC2500射頻模塊通電后，STC12LE5410AD會(huì)立即對(duì)CC2500芯片進(jìn)行初始化，這樣就省去了利用MSP430F149微處理器對(duì)CC2500芯片進(jìn)行復(fù)雜的初始化過(guò)程，CC2500射頻模塊部分對(duì)外的實(shí)際數(shù)據(jù)接口為UART1接口。 智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)(1) 程序設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)核心是MSP430F149微處理器的軟件設(shè)計(jì)，現(xiàn)在先簡(jiǎn)單介紹一下MSP430F149微處理器的開發(fā)環(huán)境。TI公司的MSP430系列微處理器在Windows平臺(tái)上的調(diào)試集成環(huán)境軟件是IAR公司的Embedded Workbench和CSPY。IAR公司的Embedded Workbench是一個(gè)適應(yīng)各種不同CPU的目標(biāo)系統(tǒng)開發(fā)的集成環(huán)境。它提供方便且功能豐富的窗口界面，使開發(fā)和調(diào)試的效率大大提高。Workbench包含的實(shí)用工具有：具有語(yǔ)法表現(xiàn)能力的文本編輯器、編譯器、匯編器、連接器、函數(shù)庫(kù)管理器、實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化的Make工具、內(nèi)嵌C語(yǔ)言級(jí)和匯編級(jí)的調(diào)試器CSPY。Workbench具有以下基本特性：可在Windows9x/2K/NT下運(yùn)行；分層次的項(xiàng)目管理；Windows風(fēng)格的可視化用戶界面；必要時(shí)可用Make重新編譯、匯編和連接文件：Workbench的所有工具都完全集成在一起，以方便使用；支持直觀的拖放功能；有超文本風(fēng)格的操作幫助。Windows版的CSPY是一個(gè)針對(duì)嵌入式應(yīng)用程序的、功能強(qiáng)大的高級(jí)語(yǔ)言交互式調(diào)試器。CSPY可以與Workbench集成在一起使用。它具有較多的菜單命令，對(duì)于經(jīng)常用到的調(diào)試操作提供了相應(yīng)的工具按鈕。CSPY調(diào)試器的工作方式有多種。它可以工作在模擬方式下(Simulation)；也可以經(jīng)過(guò)JTAG接口與目標(biāo)硬件系統(tǒng)連接起來(lái)，工作在仿真方式下(Emulation)。在模擬方式下，目標(biāo)系統(tǒng)的工作過(guò)程有調(diào)試主機(jī)以軟件模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過(guò)各種不同類型的窗口來(lái)觀察調(diào)試程序的運(yùn)行過(guò)程，或者說(shuō)，在目標(biāo)硬件系統(tǒng)產(chǎn)生前已經(jīng)可以驗(yàn)證程序的設(shè)計(jì)思想和程序結(jié)構(gòu)。而在仿真方式下，整個(gè)調(diào)試過(guò)程是在目標(biāo)硬件系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行下進(jìn)行的，不僅可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想和軟件，還可以實(shí)際判斷目標(biāo)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，調(diào)試完后產(chǎn)生的程序代碼直接可以運(yùn)行在最終的目標(biāo)系統(tǒng)上[13]。(2) 主程序設(shè)計(jì)流程基于GSM短消息方式的智能家庭網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)主要是將發(fā)送到GSM短消息收發(fā)模塊上的用戶短消息用MSP430F149單片機(jī)進(jìn)行解碼，并將代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，傳輸給CC2500射頻模塊，然后經(jīng)CC2500射頻模塊將控制信息發(fā)送給家庭內(nèi)部各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，家庭內(nèi)部各通信節(jié)點(diǎn)收到控制信息后執(zhí)行相應(yīng)命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭內(nèi)部各家用電器的控制。具體過(guò)程如下所述：當(dāng)系統(tǒng)通電之后，MSP430F149微處理器開始運(yùn)行。首先對(duì)其內(nèi)部集成的UART0和UART1接口進(jìn)行初始化，然后通過(guò)UART0接口發(fā)送相關(guān)AT命令對(duì)GSM模塊進(jìn)行初始化(由于當(dāng)系統(tǒng)通電之后，與CC2500芯片相連接的STC12LE5410AD單片機(jī)會(huì)自動(dòng)對(duì)CC2500芯片進(jìn)行初始化，所以在MSP430F149微處理器主程序設(shè)計(jì)中不需要對(duì)CC2500芯片進(jìn)行初始化)。當(dāng)智能家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)初始化完成之后，MSP430F149微處理器開始進(jìn)入while循環(huán)，等待UART0接收中斷的到來(lái)。當(dāng)GSM短消息收發(fā)模塊接收到用戶短消息之后，會(huì)通過(guò)UART0發(fā)送一系列與短消息相關(guān)的16進(jìn)制數(shù)據(jù)。這些串口數(shù)據(jù)將會(huì)觸發(fā)UART0串口接收中斷，在UART0的接收中斷處理函數(shù)中將根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取短消息內(nèi)容。最后將獲取的短消息內(nèi)容代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)短消息轉(zhuǎn)換完成之后，將對(duì)應(yīng)該控制指令的標(biāo)志設(shè)置為1。中斷處理函數(shù)執(zhí)行完成之后，程序?qū)⒅匦逻M(jìn)入while循環(huán)。在while循環(huán)中將對(duì)各個(gè)控制指令的標(biāo)志進(jìn)行檢查，當(dāng)檢查到某控制指令的標(biāo)志位1時(shí)，將通過(guò)UART1串口，每隔一段時(shí)間向CC2500射頻通信模塊發(fā)送相應(yīng)控制指令，直到該控制指令標(biāo)志為0時(shí)才停止發(fā)送。指令格式說(shuō)明見圖2。當(dāng)CC2500射頻通信模塊正確的收到該控制指令之后，將通過(guò)UART1串口向MSP430F149微處理器發(fā)送一條收到的確認(rèn)信息OK。該信息將觸發(fā)UART1串口中斷，在該中斷處理函數(shù)中將對(duì)應(yīng)的控制指令標(biāo)志置為0。這樣，在while循環(huán)中將停止控制指令的發(fā)送。當(dāng)CC2500射頻通信模塊發(fā)送完確認(rèn)信息以后，通過(guò)執(zhí)行一定的指令將收到的信息進(jìn)行打包，加密等一些處理后發(fā)送給家庭內(nèi)部的其他無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)。當(dāng)其他無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)收到控制信息后，將會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的功能，并返回一條確認(rèn)消息給智能家庭網(wǎng)關(guān)上的CC2500射頻通信模塊。CC2500射頻通信模塊收到返回的確認(rèn)信息后，將該確認(rèn)信息通過(guò)UART1串口發(fā)送給MSP430F149微處理器，MSP430F149微處理器將通過(guò)發(fā)送相應(yīng)的AT指令驅(qū)動(dòng)TC35模塊，將確認(rèn)信息以短消息的形式發(fā)回給用戶。這樣，一個(gè)從用戶發(fā)送短消息控制家用電器，到用戶收到控制家用電器成功的確認(rèn)短消息的過(guò)程就完成了。MSP430F149微處理器和CC2500射頻通信模塊之間采用串口進(jìn)行通信，考慮到串口通信可靠性高，而且MSP430F149微處理器和CC2500射頻通信模塊之間的通信距離可以忽略不計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性可以得到很大的保證。因而在兩模塊串口數(shù)據(jù)通信的程序設(shè)計(jì)之中并沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，這樣做可以大大節(jié)約系統(tǒng)資源，提高程序的運(yùn)行效率。主程序流程圖如圖11所示。圖11 系統(tǒng)主程序總程序流程圖 GSM短消息收發(fā)模塊程序設(shè)計(jì)本課題使用的西門子TC35I模塊支持GSM AT命令集。AT(Attention)指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由于沒(méi)有控制移動(dòng)電話文本消息的先例，因此開發(fā)了一種叫SMS Block Mode的協(xié)議，通過(guò)終端設(shè)備來(lái)完全控制SMS。幾年后，主要的移動(dòng)電話生產(chǎn)廠商共同為GSM研制了一整套AT指令，其中包含對(duì)SMS的控制。TC35模塊與phase2/2+兼容，支持雙頻GSM900/GSM1800，具有RS232數(shù)據(jù)接口[14]。,該指令集包含了對(duì)SMS的控制。AT命令說(shuō)明書上詳細(xì)說(shuō)明了AT命令如何對(duì)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行設(shè)置，[15]。因?yàn)锳T命令是作為一個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)，所以它的命令和返回的值和格式都是固定的，總體上說(shuō)AT命令有四種形式：1. 無(wú)參數(shù)命令。它是一種單純的命令，格式是AT[+|amp。]mand，如開機(jī)、顯示當(dāng)前設(shè)置列表等：AT+ON、ATamp。V2. 查