【文章內(nèi)容簡介】 些主要特性，高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP 一 51內(nèi)核 (可達 25MIPS)。全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口 (片內(nèi) )。帶模擬多路器、真正 10 位 200ksPs 的 25 通道單端 /差分 ADC。高精度可編程的 25MHz 內(nèi)部振蕩器 。16KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器 。片內(nèi) RAM。硬件實現(xiàn)的 SMBus/hC、增強型 UART 和增強型 SPI串行接口 。4個通用的 16位定時器 。具有 5個捕捉 /比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器 /定時器陣列 (PCA)。片內(nèi)上電復(fù)位、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 。片內(nèi)電壓比較器 。29/25 個端口陽 (容許 sv 輸入 )。 具有片內(nèi)上電復(fù)位、 VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的 C8051F310 是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。 FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場 更新 8051 固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)閉任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。片內(nèi) SiliconLabs 二線 (C2)開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU進行非侵入式 (不占用片內(nèi)資源 )、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用 CZ 第 10 頁 共 41 頁 10 進行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。兩個 CZ 接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度范圍 (一 45℃到+85℃ )內(nèi)用 一 的電壓工作。端口 ST和 JTAG 引腳都容許 SV的輸入信號電壓。C8051F3l0 采用 32 腳 LQFP 封裝和 28 腳 MLP 封裝 。 C805lF310 使用 SiliconLabs 的專利 CIP 一 51微控制器內(nèi)核。 CIP 一 51 與 MCS一slTM 指集完全兼容，可以使用標準的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。 CIP 一 51 采用流水線結(jié)構(gòu)，與標準的 8051 結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。 C805IF3lx 系列 MCU在 CIP 一 51 內(nèi)核和外設(shè)方面有幾項關(guān)鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴展的中斷系統(tǒng)向 CIP一 51提供 14 個中 斷源 (標準 8051 只有 7個中斷源 )，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的 MCU 干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計一個多任務(wù)實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。 MCU有多達 8個復(fù)位源 :上電復(fù)位電路 (POR)、一個片內(nèi) VDD監(jiān)視器 (當電源電壓低于呱 ST時強制復(fù)位 )、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器提供的電壓檢測器、一個軟件強制復(fù)位、外部復(fù)位輸入引腳和 FLASH 讀 /寫錯誤保護復(fù)位。除了 POR、復(fù)位輸入引腳及 FLASH 操作錯誤這三個復(fù)位源之外，其他復(fù)位源都可以 被軟件禁止。內(nèi)部振蕩器在出廠時已經(jīng)被校準為 士 2%。器件內(nèi)還集成了外部振蕩器驅(qū)動電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、 RC 或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行時切換到外部振蕩器。外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許 MCU 從一個低頻率 (節(jié)電 )外部晶體源運行，當需要時再周期性地切換到高速 (可達25MHz)的內(nèi)部振蕩器。 CC1101 通信模塊的設(shè)計 CC1101 模塊簡介 圖 CC1101 芯片實物圖 第 11 頁 共 41 頁 11 圖 CC1101 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖 芯片采用 Chipcon 公司的 CC1101，是根據(jù) SmartRF 技術(shù)以 mCMOS 工藝制成的一款低成本單片 UHF 收發(fā)器，具有功耗低、電壓低、體積小、靈敏度高等特點。電路主要工作在 31 43 868 和 915MHz 的 ISM 和 SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可以設(shè)置為 300～ 348MHz、 400～ 464MHz 和 800～ 928MHz 的其它頻率。 CC1101 集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達 500kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。 CC1101在 ～ 的低電壓下工作，其靈敏度為 110dBm，在所有工作頻率波段上，可編程輸出功率為 30～ 10dBm。 CC1101 單片集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖如圖 所示。 圖 MCU 與 CC1101 接口電路示意圖 第 12 頁 共 41 頁 12 圖 無線通信模塊電路原理圖 CC1101 與一個微控制器和少數(shù)幾個外接元件便可組成一個完整的無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，在本文無線遙控開關(guān)的設(shè)計中，使用 MCU 的 P2口對 CC1101 進行控制和數(shù)據(jù)的傳輸，如圖 所示。圖 是基于 CC1101 的無線通信模塊電路原理圖。與 LCM 的電源接口設(shè)計一樣，在 CC1101 的電源供電端加入一個三極管來控制 CC1101 與電源的連接，當 輸出高電平時，三極管截止， CC1101 與電源斷開；當 輸出低電平時，三極管導(dǎo)通， CC1101 與電源連接。在不需要 CC1101 進行無線通信時將其關(guān)閉，需要時再打開，這 樣做的目的也是降低功耗，延長電池的使用壽命。 基于 CC1101 的射頻電路 PCB 設(shè)計 基于 CC1101 的無線通信模塊是無線遙控開關(guān)中比較重要的組成部分，它的好壞將直接影響到系統(tǒng)的各方面性能，其中 PCB 的設(shè)計是硬件設(shè)計的一個重點和難點，下面分四個方面介紹一下無線通信模塊 PCB 的設(shè)計。 （ 1）無線通信模塊 PCB 的布局設(shè)計 在對 CC1101 的 PCB 進行設(shè)計時，首先要考慮元件擺放布局問題，如圖 所示。要使射頻電路的輸入端遠離輸出端，將強電信號和弱電信號分開，將數(shù)字 信號電路和模擬信號電路分開，完成同一功能的電路應(yīng)盡量安排在一定的范圍之內(nèi)，從而減小信號環(huán)路面積，各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)要就近連接，這樣不僅可以減小輻射，還可以減少被干擾的幾率，提高電路的抗干擾能力。 第 13 頁 共 41 頁 13 （ 2）無線通信模塊 PCB 的布線設(shè)計 在基本完成元器件的布局后，就要開始布線了。如圖 所示，所有走線應(yīng)遠離PCB 板的邊框（ 2mm左右），以免 PCB 板制作時造成斷線或有斷線的隱患。電源線和地線要盡可能寬，這樣可以減少環(huán)路電阻，在圖 中電源線 20mil，地線 20mil，普通線10mil；同時，電源 線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢拢蕴岣呖垢蓴_能力；所布信號線應(yīng)盡可能短，各元器件間的連線越短越好，以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾；對于不相容的信號線應(yīng)盡量相互遠離，而且盡量避免平行走線，在正反兩面的信號線應(yīng)相互垂直；布線時在需要拐角的地方應(yīng)以 135176。角為宜，避免拐直角；焊接天線的 PCB部分不要有地線，如圖 所示右上角所示；布線時與焊盤直接相連的線條不宜太寬，走線應(yīng)盡量離開不相連的元器件；過孔不宜太大且大小要一致，在圖 中過孔外徑大小為 28mil，內(nèi)徑為 16mil，過孔不宜在元器件上 ，且應(yīng)盡量遠離不相連的元器件，以免在生產(chǎn)中出現(xiàn)虛焊、連焊、短路等現(xiàn)象。 圖 無線通信模塊的 PCB 示意圖 （ 3）無線遙控開關(guān)的數(shù)字部分對射頻電路的抗干擾設(shè)計 數(shù)字電路和射頻電路單獨工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上，使用同一個電源一起工作時，整個系統(tǒng)就很可能不穩(wěn)定。其主要原因是數(shù)字信號頻繁在地（ 0V）和正電源（ 5V）之間擺動，而且周期特別短，常常是納秒或微秒級。由于較大的振幅和較短的切換時間，使得這些數(shù)字信號包含大量且獨立于切換頻率的高頻成分。如果不能使數(shù)字信號與 射頻信號很好地分離。微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來，無線設(shè)備工作性能就會惡化，甚至完全不能工作。 第 14 頁 共 41 頁 14 （ 4）電源部分對射頻電路的抗干擾設(shè)計 射頻電路對于電源噪聲相當敏感，尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。經(jīng)過升壓芯片 MAX856 的電壓輸出端存在著噪聲， MCU 和其它耗電量大的芯片會在每個內(nèi)部時鐘周期內(nèi)，短時間突然吸入大部分電流，如果不在 CC1101 的電源供電端采取合適的電源去耦，必將引起電源線上的電壓毛刺，這些電壓毛刺到達射頻部分的電源引腳后，會對無線部分造成影響，嚴重時可能導(dǎo)致無線通信工作 失效。 圖 電源星形布線 為了解決電源對電路的干擾，本文從兩個方面考慮的：一是采用電源星形布線法，如圖 所示。讓電路板上各模塊具有各自的來自公共供電電源點的電源線路，在這種情況下，星形布線意味著電路的數(shù)字部分和射頻部分應(yīng)有各自的電源線路，以減少各部分電源之間的干擾。二是在靠近電源輸入端加入去耦和旁路電容，如圖 所示。在 CC1101 的電源供電端加入了 1個 47μ F的去耦電容和 3個旁路電容，去耦電容能夠有效的去除電路之間的耦合效應(yīng)，旁路電容能夠去除高頻噪聲。在 MCU和其它芯片的電源供 電端也分別加入去耦和旁路電容，以減少電源噪聲帶來的影響。 圖 無線通信模塊的電源濾波電路示意圖 矩陣鍵盤的設(shè)計 鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是一種廉價的輸入設(shè)備。一個鍵盤，通常包括有數(shù)字鍵 (0 一 9)，字母鍵 (A一 Z)以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計算機輸入數(shù)據(jù)、地址、指令或其它控制命令，實現(xiàn)人機對話。用于計算機系統(tǒng)的鍵盤按其 第 15 頁 共 41 頁 15 結(jié)構(gòu)形式可分為兩類 :一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件來實現(xiàn) 。另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由軟件來識別。為了節(jié)省 FO 線，單 片機系統(tǒng)中普遍使用非編碼鍵盤，鍵盤接口應(yīng)具備以下功能 :鍵掃描功能即檢測是否有鍵按下 。產(chǎn)生相應(yīng)的鍵代碼 (鍵值 )。消除按鍵抖動及多鍵按下。 4x2的鍵盤結(jié)構(gòu)中的列線通過電阻接十 5v。當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線斷開，列線都呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應(yīng)的列線與行線短路。此時列線的電平由行線的電位所決定。如果把列線接到微機的輸入口，行線接到微機的輸出口，在微機的控制下線都為高電平，則這行上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀態(tài)不全為高電平，則為低電平的列線相交處的鍵處于閉合狀態(tài) 。如果這一行上沒有 閉合鍵，就使行線為低電平，檢測該行線上有無閉合鍵，以此類推，直到最后一根列線都檢測完。這種逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)的過程就稱為對鍵盤一次掃描。 CPU 對鍵盤掃描可以采取程序控制的隨機方式， CPU 空閑時掃描鍵盤。也可以采取定時控制方式，每隔一定的時間 CPU就對鍵盤掃描一次。也可以采取中斷方式，每當鍵盤上有鍵閉合時，向 CPU請求中斷， CPU 響應(yīng)中斷后，對鍵盤掃描，以識別一個鍵處于閉合狀態(tài)，并對該鍵輸入信息做出相應(yīng)處理。 CPU 對鍵盤上閉合鍵的鍵號確定，可根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計算求得，也可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表得。非 編碼鍵盤識別按鍵的方法有兩種 :一是行掃描法，二是線反轉(zhuǎn)法。 S1S W P BS5S W P BS2S W P BS6S W P BS3S W P BS7S W P BS4S W P BS8S W P BP 2 .7P 2 .6P 2 .5P 2 .4P 2 .3P 2 .2 圖 4x2 鍵盤 電源電路的設(shè)計 電源是各種電子設(shè)備不可缺少的組成部分，而便攜式電子產(chǎn)品多采用電池供電，為了使電路性能穩(wěn)定，往往還需要穩(wěn)定電源，尤其是像本文設(shè)計的無線遙控開關(guān)包含射頻電路時，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到無線遙控開關(guān)的技術(shù)參數(shù)及能否安全可靠地工作。目前電源的種類繁多，不同的電源都有特定的使用場合。在無線遙控開關(guān)的電源設(shè)計中，主要考慮使用線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源，并根據(jù)這兩種電源的特點設(shè)計了適合無線遙控開關(guān)的電源。 第 16 頁 共 41 頁 16 線性穩(wěn)壓 電源因其內(nèi)部調(diào)整管工作在線性范圍而得名。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點是外圍元件少、輸出噪聲小、靜態(tài)電流小，價格也便宜。其最主要缺點是由于輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差（一般稱為壓差）大，造成調(diào)整管上的損耗大，轉(zhuǎn)換效率較低。開關(guān)電源是由于器件中有一個工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管（一般是 MOSFET），開關(guān)管工作于飽和導(dǎo)通及截止兩種狀態(tài)，所以開關(guān)管的管耗小并且與輸入電壓大小無關(guān)，效率較高（一般可達 80%～ 95%）。開關(guān)電源主要指 DCDC 變換器，主要包括升壓式（ VoutVin）、降壓式（ VoutVin）和反轉(zhuǎn)式（ |Vout|Vin）三種類型。 無線遙控開關(guān)需要使用電池供電，電源輸出電壓需要 ，輸出電流需要達到100mA 以上，輸出電壓噪聲要小以保證射頻電路穩(wěn)定工作。根據(jù)無線遙控開關(guān)電源的要求，本文設(shè)計了兩種供電方案。 （ 1） 采用堿性電池串聯(lián)，直接給電路供電。 由于無線遙控開關(guān)的工作電壓是 ，所以至少需要 2 節(jié)堿性電池串聯(lián)才能滿足要求。雖然這