超低功耗單片機MSP430F413實(shí)現的智能遙控器設計

引言
目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)遙控器多數為四鍵和十二鍵，主要用于汽車(chē)防盜系統、家庭防盜系統及遙控玩具等方面，這些應用簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低。但對于一些工程中需要距離在100米以上，控制或設定一些數據時(shí)，并要求一個(gè)遙控器對多于12個(gè)甚至上百個(gè)設備時(shí)，上述遙控器對操作人員就不方便，而且系統性能不夠穩定。鑒于上述情況我們便提出在此基礎上，采用單片機編寫(xiě)地址，通過(guò)操作鍵設置，液晶顯示遙控器的輸出。同時(shí)對耗電量、多個(gè)控制的設定、便于攜帶、操作方便及性能穩定等的嚴格要求，于是便設計開(kāi)發(fā)出一種新型智能遙控器。該型遙控器以TI公司的超低功耗單片機MSP430F413為微處理器，配有低功耗3位液晶顯示器EDS812A，還有傳輸比很高的光，整個(gè)系統采用鋰電池和高能氧化銀電池作為供電電源，并且有功耗少、體積小、重量輕、易于編程和使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)。此外它使用安全可靠，便于攜帶，方便其它類(lèi)似工程實(shí)際采用，移植性強。該遙控器的電路原理框圖如圖1所示,由電源電路、液晶顯示、按鍵控制、地址輸出、發(fā)射模塊等電路組成。
圖1 智能遙控器原理框圖

單片機接口
MSP430F413單片機是TI公司最近推出的超低功耗混合信號16位單片機系列中的一種。它采用16位精簡(jiǎn)指令系統，125ns指令周期，大部分的指令在一個(gè)指令周期內完成，16位寄存器和常數發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率，而且片內含有硬件乘法器，大大節省運算的時(shí)間。該芯片采用低功耗設計，具有五種低功耗模式，供電電壓范圍為1.8~3.6V，在工作模式下：2.2伏工作電壓1MHz工作頻率時(shí)電流為225uA；在待機模式電流為0.7uA；掉電模式(RAM數據保持不變)電流為0.1uA。所以特別適用長(cháng)期使用電池工作的場(chǎng)合。它采用數字控制振蕩器(DCO)，使得從低功耗模式到喚醒模式的轉換時(shí)間小于6us。該芯片具有8KB+256B Flash Memory，256B RAM，采用串行在線(xiàn)編程方式，為用戶(hù)編譯程序和控制參數提供靈活的空間，內部的安全保密熔絲可使程序不必非法復制。此外，MSP430F413具有強大的中斷功能，48個(gè)通用I/O引腳，96段LCD驅動(dòng)器，一個(gè)16位定時(shí)器，這樣提高了對外圍設備的開(kāi)發(fā)能力。
    由于考慮到本設計有低功耗，小體積，液晶顯示，按鍵編址等要求，所以選用了MSP430F413型單片機芯片，在線(xiàn)系統設計、開(kāi)發(fā)調試及實(shí)際應用上都表現出與其它單片機非常明顯的優(yōu)勢。單片機接口電路原理圖如圖2所示。
電源電路
這個(gè)系統的電源回路由兩個(gè)獨立的電源組成，互不干擾，之所以采用兩組獨立的供電系統，主要從以下幾個(gè)方面考慮：1、實(shí)際使用中發(fā)現單片機工作時(shí)對接收電路產(chǎn)生干擾，影響控制功能；2、隨著(zhù)遙控距離的不同，發(fā)射電流也不同，距離越遠電流越大，直接影響單片機的工作；3、發(fā)射模塊的最佳工作電壓為12V左右，而單片機系統的工作電壓為1.8-3.6V，這樣就得采用通用DC-DC降壓芯片，成本就會(huì )增加。此外發(fā)射模塊與單片機系統共地，它們之間干擾無(wú)法徹底消除。鑒于以上因素，從實(shí)際使用角度出發(fā)，采用鋰電池和高能氧化銀電池獨立供電。
    單片機系統采用一節鋰電池CR2032（容量210mAh，電壓3.0V，直徑20mm，高度3.2mm）供電。遙控器部分為兩節高能氧化銀電池476A（容量165mAh，電壓6.0V，直徑13mm，高度25.2mm）串聯(lián)供電。整個(gè)系統的電流工作時(shí)小于1 mA，不工作時(shí)小于3uA。單片機部分無(wú)鍵操作時(shí)，可關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)或隔20分鐘后系統自動(dòng)處于低功耗模式3，這樣可節省能量；遙控器部分電源在無(wú)鍵操作時(shí)，不消耗電能。故此系統的電源回路設計可達到耗電少、經(jīng)濟實(shí)用、性能穩定可靠的指標。
按鍵控制部分
    該遙控器共有6個(gè)按鍵：2個(gè)設置鍵(KEY1,KEY2)，4個(gè)功能鍵(S1-S4)，共同完成特定的功能操作。出于對低功耗設計要求，在有鍵按下時(shí)盡可能減少系統功耗，故在地址輸出部分與液晶顯示部分采用組合鍵來(lái)完成，即就是在液晶設置完成后再按確定鍵KEY2，才有地址輸出。這時(shí)按功能鍵才有遠程控制功能，否則不能遙控。同時(shí)掃描按鍵操作，若在20分鐘左右無(wú)鍵按下，則使MSP430單片機進(jìn)入低功耗模式3；若有任意鍵按下時(shí)重新開(kāi)始設置地址并輸出。
圖2 單片機接口電路原理圖
液晶顯示模塊
    液晶顯示器采用的是西安新敏電子有限公司的標準段式低功耗3位液晶顯示器EDS812A，有23個(gè)段輸出和1個(gè)公共端輸出。利用MSP430F413單片機自身具有液晶驅動(dòng)LCD96段來(lái)完成系統的顯示接口，因此采用靜態(tài)驅動(dòng)方法直接接線(xiàn)，簡(jiǎn)單可靠，易于編程，其中MSP430F413的R30引腳必需接地。
地址輸出單元
    該單元由兩片傳輸比很高光耦TLP627-4及其相應電阻組成。由于發(fā)射控制部分的工作電壓在4~15V范圍，單片機系統地址輸出與遙控器發(fā)射控制部分有不同的工作電壓,故采用光電隔離和電平轉換使得控制與設置部分準確可靠的工作。

遙控器模塊
    PT2262和PT2272是臺灣普城公司生產(chǎn)的一對COMS工藝制造的低功耗低價(jià)位專(zhuān)用編、解碼芯片，振蕩頻率通過(guò)一個(gè)外接電阻進(jìn)行調節，編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數據碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)過(guò)兩次比較核對后，VT引腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應的數據引腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會(huì )連續發(fā)射。當發(fā)射模塊沒(méi)有鍵按下時(shí)，PT2262不接通電源，其17引腳為低電平，所以315MHz的高頻發(fā)射電路不工作；當有按鍵按下時(shí)，PT2262得電工作，其第17腳輸出經(jīng)調制的串行數據信號，當17引腳為高電平期間315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號；當17引腳為低平期間315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262的17引腳輸出的數字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控（ASK調制）相當于調制度為100％的調幅。編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272的第1_8引腳為地址設定，可以選擇懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3的8次方為6561，所以地址編碼不重復度為6561組，只有PT2262和PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用。生產(chǎn)廠(chǎng)家為了便于管理，出廠(chǎng)時(shí)PT2262和PT2272的八位地址編碼端全部選擇懸空，用戶(hù)如果想改變地址編碼，只要將PT2262和PT2272的1_8引腳設置相同即可。
    該智能遙控器利用MSP430F413的P6口輸出高低電平，經(jīng)過(guò)光耦與PT2262的地址設定腳相連，通過(guò)單片機編寫(xiě)地址，每完成一次設置都有唯一的地址輸出，相應的PT2272地址設定腳也應設置為相應的高低電平，這時(shí)操作遙控器的功能鍵，則含這個(gè)PT2272的設備有相應的動(dòng)作，而其它含PT2272的設備不動(dòng)作。這樣就保證了準確可靠的功能。
無(wú)線(xiàn)發(fā)射單元
    該模塊以編碼芯片PT2262為核心，與發(fā)射模塊J6（型號為9912）連接，可以遙控距離為100米以上。還有一種和PT2262完全兼容的SC2262芯片，外圍電路無(wú)需作任何改動(dòng)，編解碼電路簡(jiǎn)單，外部元件少，最多可有12位(A0-A11)三態(tài)地址端引腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供531441地址碼。本設計使用8位地址設定引腳(A0-A8)，選擇接正電源、接地兩種狀態(tài)，組合可提供256個(gè)地址碼。PT2262使用4位(D0-D3)數據端引腳,設定的地址碼和數據碼從17引腳串行輸出，可用于無(wú)線(xiàn)遙控發(fā)射電路。發(fā)射電路原理圖見(jiàn)圖3。
    發(fā)射模塊9912的正面信號引腳名稱(chēng)見(jiàn)圖4，與圖3中的J6端子對應。(GND為12V接地端)
圖3  發(fā)射電路原理圖
無(wú)線(xiàn)接收單元
     該模塊是以解碼芯片PT2272為核心的接收模塊SB-JS1。該接收模塊有七個(gè)引出端，分別為VCC、GND、D1、D2、D3、D4及VT，其中VT端為解碼有效輸出端，D1_D4為四位數據鎖存輸出端，能輸出4V左右的高電平，驅動(dòng)電流2mA，與發(fā)射器上的S1、S2、S3、S4四個(gè)鍵相對應。接收模塊采用SMD貼片工藝制造生產(chǎn)，為超再生接收方式，它內含放大整形及解碼電路，使用極為方便。

軟件設計
    本系統軟件設計的開(kāi)發(fā)調試工具是IAR公司的嵌入式工作臺EW430。它是IAR公司專(zhuān)為T(mén)I 16位單片機MSP430系列開(kāi)發(fā)的，它提供了一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在支持TI FET驅動(dòng)方面，EW430的功能是獨一無(wú)二的，目前最新版本是1.26B。該開(kāi)發(fā)工具支持windows98/ME/NT4/2000/XP多操作系統，在該開(kāi)發(fā)環(huán)境下可進(jìn)行工程文件的建立、文件編輯、編譯、匯編、鏈接和建立生成目標文件及對目標文件進(jìn)行調試。
    MSP430 IAR C-SPY調試器是為測試邏輯程序和仿真而開(kāi)發(fā)的一種快速和高性?xún)r(jià)比的工具，可以將程序完整地下載到IDE中，在IAR Embedded Workbench中可以方便地進(jìn)入C-SPY調試環(huán)境，編輯的功能像源代碼瀏覽器一樣使程序可以編輯的同時(shí)調試，斷點(diǎn)可直接在代碼中設置，寄存器窗口，存儲器窗口，觀(guān)察窗口等，可非常方便地調試用戶(hù)所設計的程序。硬件調試主要通過(guò)TI的JTAG Flash仿真工具M(jìn)SP-FET430(Flash Emulation Tool)連接目標板?？赏瑫r(shí)編輯調試匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言源文件。
    MSP430系列的IAR C 語(yǔ)言與標準C語(yǔ)言兼容程度高，所有的文檔資料容易理解，便于移植。整個(gè)程序采用C語(yǔ)言設計,模塊化結構，條理清楚，程序量精簡(jiǎn)，使得MSP430的速度和編譯程序容量最優(yōu)化。程序流程圖如圖4所示。
圖4  程序流程圖

結語(yǔ)
    本設計由于選用MSP430F413單片機，其豐富的片上外圍功能模塊使得外圍電路得以大大簡(jiǎn)化，而且大多數元器件均選擇貼片封裝，從而減少了整個(gè)板面積，同時(shí)在軟件設計中也采用了多種節能工作方式，從而使整個(gè)系統功耗很少，可滿(mǎn)足電池供電要求。目前，在實(shí)際應用中也得很好的驗證，精度高、控制準確、抗干擾性強。