MSP430的車(chē)載無(wú)線(xiàn)手持終端系統設計

引 言
信息時(shí)代的到來(lái)使得汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，新興技術(shù)層出不窮。車(chē)載終端設備作為新興汽車(chē)電子產(chǎn)品的標志性產(chǎn)物也是日新月異，客戶(hù)對其要求越來(lái)越高。其中，GPS車(chē)臺已成為當今汽車(chē)必備的主流終端產(chǎn)品之一。而市場(chǎng)上現有的GPS車(chē)臺手柄拖著(zhù)一根沉重的通信連接線(xiàn)，操作非常不便，且功能不強，可擴展空間有限，因此，在激烈的市場(chǎng)競爭中顯得力不從心。這就必然要求設計出更具市場(chǎng)競爭力的無(wú)線(xiàn)方案取而代之。筆者利用TI公司推出的超低功耗16位單片機MSP430F149和Toshiba公司的射頻(RF)芯片TB31224F設計了一款功能強大、性?xún)r(jià)比高，可擴展性強的車(chē)載無(wú)線(xiàn)手持終端，且已成功投放市場(chǎng)。

1 系統組成原理
車(chē)載無(wú)線(xiàn)手持終端系統主要由GPS車(chē)臺、車(chē)臺擴展模塊(RF模塊)和手持終端三部分組成，如圖1所示。

GPS車(chē)臺包含GPS模塊、GSM模塊、控制單元MCU、天線(xiàn)以及接口單元。GPS接收模塊用全球衛星定位系統作為定位信號源，計算車(chē)輛的位置信息；控制單元MCU完成數據接口、協(xié)議和格式等轉換以及命令設置和功能控制；GSM通信模塊完成數據傳輸和語(yǔ)音通信等。GPS車(chē)臺接收到衛星導航定位信息，通過(guò)GSM通信模塊以短消息的方式將車(chē)輛的位置和狀態(tài)信息發(fā)送至GSM網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)服務(wù)中心；GSM網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)服務(wù)中心將接收到的車(chē)輛定位信息通過(guò)數據專(zhuān)線(xiàn)傳送至監控中心；監控中心借助電子地圖實(shí)現對車(chē)輛的實(shí)時(shí)監控。

在此基礎上，經(jīng)過(guò)反復試驗又擴展了射頻(RF)模塊與手持終端進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。這里利用Toshiba公司的射頻(RF)芯片TB31224F，工作在46／49 MHz的無(wú)繩電話(huà)公用信道上，通過(guò)雙工濾波器很好地解決了抗干擾問(wèn)題。

2 手持終端硬件設計
圖2為手持終端硬件組成原理框圖，主要由超低功耗16位單片機MSP430F149、射頻(RF)芯片TB31224F及其外圍電路、雙工濾波器、人機接口以及電源管理等單元組成。

MsP430F149和TB31224F是手持終端的核心單元。其中：MSP430F149主要完成人機接口控制、射頻(RF)芯片TB31224F的控制、數據編碼以及數據發(fā)送和接收等任務(wù)；TB31224F主要實(shí)現與GPS車(chē)臺進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信(包括數據和語(yǔ)音)。由于車(chē)輛上各種電氣、電磁干擾很強，對無(wú)線(xiàn)通信的影響非常大，因此系統的抗干擾設計顯得尤為關(guān)鍵。本文采用雙工濾波器技術(shù)并且在電路板設計時(shí)對高頻部分進(jìn)行了精心的布局；經(jīng)過(guò)反復試驗和調試，誤碼率和語(yǔ)音通話(huà)質(zhì)量完全達到標準要求。由于手持終端設備對系統的功耗要求非常嚴格，因此電源管理也是系統設計中必不可少的單元。

2.1 超低功耗單片機MSP430F149
TI公司推出的超低功耗16位單片機MSP430F149特別適合用于手持終端設備，主要是因為它具有以下優(yōu)勢：

①超低功耗。MSP430F149的電源電壓采用1．8～3．6 V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅為0．1 μA，活動(dòng)模式下耗電為250μA／MIPS，I／O輸入端口的漏電流最大僅為50 nA。獨特的時(shí)鐘系統設計，MSP430F149包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統：基本時(shí)鐘系統和鎖相環(huán)時(shí)鐘系統(或DCO數字振蕩器時(shí)鐘系統)。這些時(shí)鐘可在指令的控制下打開(kāi)或關(guān)閉，實(shí)現對總體功耗的控制。另外，MSP430F149采用矢量中斷，2個(gè)8位端口有中斷能力，支持十多個(gè)中斷源，并可任意嵌套。用中斷請求將CPU喚醒只需6μs。通過(guò)合理編程，既可降低系統功耗，又可對外部事件請求作出快速響應。

②超強處理能力。MSP430F149采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結構，1個(gè)時(shí)鐘周期可以執行1條指令，使MSP430F149在8MHz工作時(shí)，指令速度可達8MIPS。另外。MSP430F149采用了16位多功能硬件乘法器和硬件乘一加(積之和)等先進(jìn)的體系結構，大大增強了其數據處理和運算能力。

③系統工作穩定。上電復位后，首先由DCO_CLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開(kāi)始執行，且晶體振蕩器有足夠的起振及穩定時(shí)間。然后軟件可設置適當的寄存器控制位來(lái)確定最后的系統時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU主系統時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，則DCO會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統正常工作。另外，MSP430F149的內部看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)可在程序失控時(shí)迅速復位。

2.2 射頻(RF)芯片TB31224F工作原理
Toshfiba公司的射頻(RF)芯片TB31224F是一款集鎖相環(huán)系統、中頻處理系統、壓擴器和功放等于一體的復合型芯片，其內部架構如圖3所示。利用TB31224F可以減少很多外部器件，從而提高系統的可靠性，因此特別適用于無(wú)線(xiàn)手持終端設備。TB31224F主要用于46／49MHz的無(wú)繩電話(huà)系統中，步步高無(wú)繩電話(huà)的高頻板就采用了該芯片。

TB31224F可工作在寬電壓(2．O～6．0 V)范圍。這對使用電池供電的手持終端設備來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。針對手持終端設備的低功耗設計，在節電模式下耗電僅為50μA，待機模式下耗電為7．5 mA，通信狀態(tài)下耗電為12．5 mA。該芯片可設置5個(gè)閾值來(lái)栓測電池電壓，進(jìn)行低壓預警。TB31224F采用QFP-48的小型封裝，只有O.83g。

2.2.1 接收解調原理
由GPS車(chē)臺擴展單元發(fā)出的已調FSK射頻信號經(jīng)天線(xiàn)接收，再由耦合電感送人雙工濾波器進(jìn)行分離，分離后的信號加至場(chǎng)效應管放大，然后經(jīng)高頻變壓器選頻通過(guò)耦合電容送入射頻(RF)芯片TB31224F的40腳(如圖3所示)。

TB31224F的42～46腳配合一個(gè)高頻感容網(wǎng)絡(luò )構成第一本振電路，一本振頻率受TB31224F的6～8腳上來(lái)自MCU的鎖相環(huán)數據信號控制。從46腳輸出的鎖相環(huán)控制電壓經(jīng)積分電路后送入4l腳，41腳內接變容二極管的負極，變化的控制電壓改變了變容二極管結電容，從而政變一本振頻率。第一本振信號經(jīng)44腳送入42腳，與內部的參考頻率比較而使46腳的控制電壓鎖定，也就鎖定了一本振頻率。第一本振信號與輸入40腳的外來(lái)信號混合后從38腳輸出10．7 MHz的第一中頻信號；經(jīng)陶瓷濾波器(10．7 MHz)選頻后送入36腳，與第二本振信號混合，差頻出455 kHz的第二中頻信號從34腳輸出；經(jīng)窄帶濾波將純凈的455 kHz信號送入32腳，再經(jīng)內部限幅放大、鑒頻、解調出復合音頻信號(語(yǔ)音和數據共用一個(gè)信道)。鑒頻輸出的語(yǔ)音信號和數據信號從27腳輸出后分兩路進(jìn)行：一路送入24腳放大后，從23腳輸出數據信號RX-DATA送MCU處理；另一路送入15腳，經(jīng)內部預放、擴展、放大后從19和20腳輸出語(yǔ)音信號加至耳機。

2.2.2 發(fā)射電路原理
發(fā)射電路主要由語(yǔ)音預放、壓縮、放大、調制振蕩、緩沖和功放等單元電路組成。由于篇幅有限，這里不再給出詳細的TB31224F外圍電路。

語(yǔ)音信號經(jīng)MIC聲電轉換后送入TB31224F的14腳，經(jīng)內部預放、壓縮、放大后從9腳輸出；經(jīng)電位器選擇合適的調制電壓后加至變容二極管的負極調頻，來(lái)自MCU的TX-DATA數據信號也加至變容二極管的負極調頻。已調射頻信號經(jīng)緩沖放大、功率放大、選頻后送雙工濾波器，分離后經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射，供GPS車(chē)臺擴展單元接收。發(fā)射鎖相環(huán)控制電壓由MCU送至TB31224F的鎖相環(huán)數據(DATA)、鎖相環(huán)時(shí)鐘(CLK)和鎖相環(huán)控制信號(STB)決定。鎖相環(huán)控制電壓經(jīng)積分后加至變容二極管的負極，改變鎖相環(huán)控制電壓就能改變發(fā)射頻率和工作信道。

2．3 人機接口設計
人機接口包括鍵盤(pán)矩陣和LCD液晶顯示屏。鍵盤(pán)采用54矩陣，鍵盤(pán)的復用體現在軟件算法中；使用Solomon公司的SSDl812圖形點(diǎn)陣(13254)液晶顯示模塊作為人機對話(huà)的界面，SSDl812工作電壓為l.8～3.5V，低功耗，特別適用于手持終端設備。具體設計這里不再贅述。

2.4 電源管理設計
合理的電源管理設計是手持終端設備正常、穩定運行的關(guān)鍵。本系統所采用的低功耗單片機MSP430F149可由軟件配置為5種低功耗模式，且內部有一個(gè)用于系統監測的看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)；另外射頻(RF)芯片TB31224F可設置5個(gè)閾值來(lái)檢測電池電壓，進(jìn)行低壓預警。因此，設計中充分利用了這些資源，且考慮手持終端的小型化，沒(méi)有再使用復雜的電源監測管理芯片。由于MSP430F149工作電壓設置在3.3V，因而只使用了TPS76033低壓降穩壓器，TPS76033專(zhuān)門(mén)設計用于電池供電的系統．具有熱保護功能，關(guān)閉狀態(tài)靜態(tài)電流僅為1μA。

2.5 抗干擾設計
車(chē)輛上往往會(huì )由于供電電源、空間電磁干擾或其他原因引起強烈的干擾噪聲，因此系統的抗干擾設計顯得非常關(guān)鍵。這些干擾作用于數字器件，極易使其產(chǎn)生誤動(dòng)作，引起MSP430F149發(fā)生“程序跑飛”事故。但MSP430F149內部的看門(mén)狗定時(shí)器能在程序跑飛時(shí)產(chǎn)生溢出，從而使系統復位，這樣程序就又可以恢復正常運行狀態(tài)。如果這些干擾作用于以TB31224F為核心的射頻電路，則會(huì )導致誤碼率升高，語(yǔ)音質(zhì)量變差，甚至通信中斷，因此，射頻電路的器件選擇和布局非常重要。另外，合理使用雙工濾波器、中頻陶瓷濾波器和選頻網(wǎng)絡(luò )等也很好地解決了抗干擾問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復試驗和調試，誤碼率和語(yǔ)音通話(huà)質(zhì)量完全達到標準要求，通信距離可達到30m。

3 系統軟件開(kāi)發(fā)
系統軟件開(kāi)發(fā)使用了IAR嵌入式工作平臺(IAREnlbedded Workbench)。當時(shí)使用的是FET_304版本，目前較新版本是IAR Workbench V2.10。IAR嵌入式工作平臺使用項目模式來(lái)組織應用程序，允許設計者以樹(shù)狀體系結構組織項目，從而可以清晰地表現文件之問(wèn)的隸屬關(guān)系。該平臺用戶(hù)界面直觀(guān)，文本編輯器具有語(yǔ)法表現能力，帶有基于標準C語(yǔ)言并體現MSP430特性的編譯器。另外，匯編器、鏈接器、函數庫管理器和調試器C-SPY等內嵌工具也為開(kāi)發(fā)和管理MSP430嵌入式應用程序提供了極大便利。

3．1 系統軟件流程
手持終端系統軟件主流程如圖4所示。在系統軟件設計時(shí)，為了提高系統的可靠性和抗干擾能力，采用了同步接收方式。位同步的目的是確定數字通信中各碼元的抽樣時(shí)刻；幀同步的任務(wù)則是把碼組區分出來(lái)。為了確定幀定時(shí)脈沖的相位，在發(fā)送端數字信息流中插入了一些特殊碼組作為每幀頭尾的標記，接收端根據這些特殊碼組的位置即可實(shí)現幀同步。另外，設計時(shí)充分利用MSP430F149的矢量中斷特性．設置多個(gè)中斷源，實(shí)現了嵌套中斷。通過(guò)合理的算法，既降低了系統功耗，又能對外部事件請求做出快速響應。

3．2 射頻(RF)芯片控制
TB31224F是可編程控制芯片，通過(guò)MSP430F149送至TB31224F的鎖相環(huán)數據(DATA)、鎖相環(huán)時(shí)鐘(CLK)和鎖相環(huán)控制信號(STB)，以決定其發(fā)送和接收鎖相環(huán)控制電壓，從而設置發(fā)射和接收頻率?？刂品绞綖榇袛祿斎肟刂?，其時(shí)序如圖5所示。

鎖相環(huán)數據(DATA)在時(shí)鐘(CLK)上升沿被讀??；當鎖相環(huán)控制信號(STB)接收到來(lái)自MSP430F149的高電平信號時(shí)，移位寄存器中的數據被加載從而去設置頻率，例如：
①若設置內部參考頻率(REF)為10．240 MHz，則DATA應為0010000000000111；
②若設置發(fā)射頻率(TX)為49．875 MHz，則DATA應為1110111l01100110；
③若設置接收頻率(RX)為36．035 MHz，則DATA應為1110010000111001l。
注意：DATA的低兩位是命令控制碼，11表示設置內部參考頻率；10表示設置發(fā)射壓控振蕩器(VCO)的頻率；01表示設置接收VCO的頻率；00表示進(jìn)行低功耗或靜音控制。

結語(yǔ)
本文基于MSP430嵌入式技術(shù)，設計并實(shí)現了車(chē)載無(wú)線(xiàn)手持終端系統。該系統性?xún)r(jià)比高，可靠性強，可擴展空間大，根據投放市場(chǎng)情況來(lái)看，具有很大市場(chǎng)潛力。若在該系統的基礎之上再擴展CAN總線(xiàn)接口，即可實(shí)現車(chē)內局域網(wǎng)控制，這也是目前車(chē)載設備開(kāi)發(fā)的一個(gè)趨勢。