MSP430和CC1101的電磁波喚醒功能設計

摘要：為了實(shí)現在低功耗前提下將有效數據以無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行傳輸，設計了一種基于超低功耗MSP430微控制器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC1101的無(wú)線(xiàn)傳輸系統，該系統利用MSP430靈活的定時(shí)器和CC1101特有的電磁波喚醒Wake On Radi，WOR)功能，最終實(shí)現了單片機在超低功耗前提下將數據在電腦上顯示出來(lái)。其中，WOR實(shí)現的難點(diǎn)是對CC1101寄存器的配置，以及其從深度睡眠模式喚醒時(shí)間和開(kāi)始接收數據模式的時(shí)間的計算。

引言

隨著(zhù)計算機通信技術(shù)的迅速發(fā)展和因特網(wǎng)的廣泛應用，尤其是工業(yè)控制領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛，物與物之間能夠直接通信就變得愈加重要。特別是在倉儲系統中，目前主要使用無(wú)源RFID(Radio Frequency Identifcation)電子標簽，因為受到識別距離和識別條件的影響(例如，必須使標簽離閱讀器很近并且要正對著(zhù)閱讀器)，使用起來(lái)會(huì )比較麻煩。有源RFID雖然能夠克服這個(gè)缺點(diǎn)，但是因為需要電源，所以必須保證通信的低功耗，才能使有源RFID得到廣泛地應用。而MSP430 MCU專(zhuān)門(mén)為超低功耗應用而特別設計，其具有高度靈活的定時(shí)系統、多種低功耗模式、即時(shí)喚醒以及智能化自主型外設，不僅可以實(shí)現真正的超低功耗優(yōu)化，而且還能大幅延長(cháng)電池的使用壽命。CC1101的WOR功能可以使芯片在無(wú)需MCU干預下周期性地從深度睡眠模式醒來(lái)偵聽(tīng)潛在的數據包，同時(shí)在深度睡眠模式下，CC1101的功耗幾乎為0。

正是出于這種考慮，本文提出了一種基于MSP430和CC1101的無(wú)線(xiàn)喚醒數據傳輸系統，并且能將被喚醒的ED(Ending Device)的MAC(Media Access Control)地址通過(guò)串口顯示在電腦上。

1 系統的總體結構

圖1為電磁波喚醒總體設計方案。它主要由3部分組成：多個(gè)被喚醒對象即ED、用于數據傳遞的AP(Access Point)、用于數據采集或者發(fā)送命令的終端設備(如電腦)或者手持設備等。

終端設備通過(guò)UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)向AP發(fā)送指令，AP根據指令向ED發(fā)送命令，ED接收到AP發(fā)送的命令后，立即從深度睡眠狀態(tài)被喚醒進(jìn)入到工作狀態(tài)，然后將自己的MAC地址通過(guò)CC1101發(fā)送給AP，AP對收到的MAC信息進(jìn)行處理后通過(guò)UART發(fā)送給終端設備顯示出來(lái)。整個(gè)過(guò)程實(shí)現的是AP發(fā)送數據，ED接收數據，然后ED發(fā)送數據，AP接收數據，進(jìn)而實(shí)現最終的顯示。

2 系統的硬件設計與實(shí)現

圖2為電磁波喚醒的部分硬件結構。MCU采用的是TI公司的MSP430系列單片機，通過(guò)CC1101無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的接收和發(fā)送，然后通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)方式與終端設備進(jìn)行連接。

3 系統的軟件設計與實(shí)現

智能終端ED和AP是以無(wú)線(xiàn)射頻信號方式進(jìn)行數據通信的。AP先發(fā)送包含MAC信息的WOR指令，當收到AP發(fā)送過(guò)來(lái)的指令時(shí)，ED被喚醒，發(fā)送自己的MAC地址給AP，然后AP判斷接收到的MAC是否符合要求。如果符合，那么就讓相應的ED閃燈，如果不符合要求，則AP發(fā)送使ED繼續進(jìn)入睡眠狀態(tài)的指令，即進(jìn)入低功耗模式。圖3和圖4分別是AP和ED的軟件流程圖。

4 系統的低功耗設計

本系統的MCU采用MSP430，當其處于等待指令的LPM3低功耗模式時(shí)，此時(shí)ED的電流大約是10μA，因此整個(gè)系統低功耗設計的關(guān)鍵是對CC1101的WOR的使用。當它處于接收狀態(tài)時(shí)，其工作電流為12.5 mA左右;如果始終處于接收狀態(tài)，整個(gè)系統的供電電池會(huì )很快耗盡。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以將系統的工作模式設置為定時(shí)工作模式，在持定的工作時(shí)間段內，啟用WOR，系統會(huì )自動(dòng)處于偵聽(tīng)狀態(tài)(即接收狀態(tài))。這樣，就需要兩個(gè)時(shí)間參數T0(最長(cháng)工作周期)和T1(最長(cháng)接收時(shí)間)以及接收的占空比d(Duty Cycle)。降低功耗的關(guān)鍵就是降低占空比。設定每2 s醒一次，每次持續3.5 ms。喚醒ED時(shí)要先發(fā)送前導字，時(shí)長(cháng)要保證喚醒終端CC1101的時(shí)間周期2 s，并且，在連續兩個(gè)周期(7 ms)內沒(méi)有收到同步字和幀起始碼，則認為是無(wú)效的數據，重新進(jìn)入WOR狀態(tài)。如此設定后，整個(gè)系統的平均工作電流為35μA左右。這樣一來(lái)普通的500mAh紐扣電池就能使用很長(cháng)時(shí)間。

結語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，本文設計的基于MSP430和CC1101的電磁波喚醒系統能夠保證在低功耗下進(jìn)行數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。結合實(shí)際需要對該系統進(jìn)行改造，在倉儲及尋貨等方面有重要的現實(shí)意義。