MSP430的车载无线手持终端系统设计
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关键词 MSP430 TB31224F GPS车台 无线手持终端 低功耗
引 言
信息时代的到来使得汽车电子产业飞速发展，新兴技术层出不穷。车载终端设备作为新兴汽车电子产品的标志性产物也是日新月异，客户对其要求越来越高。其中，GPS车台已成为当今汽车必备的主流终端产品之一。而市场上现有的GPS车台手柄拖着一根沉重的通信连接线，操作非常不便，且功能不强，可扩展空间有限，因此，在激烈的市场竞争中显得力不从心。这就必然要求设计出更具市场竞争力的无线方案取而代之。笔者利用TI公司推出的超低功耗16位单片机MSP430F149和Toshiba公司的射频(RF)芯片TB31224F设计了一款功能强大、性价比高，可扩展性强的车载无线手持终端，且已成功投放市场。
1 系统组成原理
车载无线手持终端系统主要由GPS车台、车台扩展模块(RF模块)和手持终端三部分组成，如图1所示。
GPS车台包含GPS模块、GSM模块、控制单元MCU、天线以及接口单元。GPS接收模块用全球卫星定位系统作为定位信号源，计算车辆的位置信息；控制单元MCU完成数据接口、协议和格式等转换以及命令设置和功能控制；GSM通信模块完成数据传输和语音通信等。GPS车台接收到卫星导航定位信息，通过GSM通信模块以短消息的方式将车辆的位置和状态信息发送至GSM网络运营服务中心；GSM网络运营服务中心将接收到的车辆定位信息通过数据专线传送至监控中心；监控中心借助电子地图实现对车辆的实时监控。
在此基础上，经过反复试验又扩展了射频(RF)模块与手持终端进行无线通信。这里利用Toshiba公司的射频(RF)芯片TB31224F，工作在46／49 MHz的无绳电话公用信道上，通过双工滤波器很好地解决了抗干扰问题。
2 手持终端硬件设计
图2为手持终端硬件组成原理框图，主要由超低功耗16位单片机MSP430F149、射频(RF)芯片TB31224F及其外围电路、双工滤波器、人机接口以及电源管理等单元组成。
MsP430F149和TB31224F是手持终端的核心单元。其中：MSP430F149主要完成人机接口控制、射频(RF)芯片TB31224F的控制、数据编码以及数据发送和接收等任务；TB31224F主要实现与GPS车台进行无线通信(包括数据和语音)。由于车辆上各种电气、电磁干扰很强，对无线通信的影响非常大，因此系统的抗干扰设计显得尤为关键。本文采用双工滤波器技术并且在电路板设计时对高频部分进行了精心的布局；经过反复试验和调试，误码率和语音通话质量完全达到标准要求。由于手持终端设备对系统的功耗要求非常严格，因此电源管理也是系统设计中必不可少的单元。
2.1 超低功耗单片机MSP430F149
TI公司推出的超低功耗16位单片机MSP430F149特别适合用于手持终端设备，主要是因为它具有以下优势：
①超低功耗。MSP430F149的电源电压采用1．8～3．6 V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅为0．1 μA，活动模式下耗电为250μA／MIPS，I／O输入端口的漏电流最大仅为50 nA。独特的时钟系统设计，MSP430F149包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁相环时钟系统(或DCO数字振荡器时钟系统)。这些时钟可在指令的控制下打开或关闭，实现对总体功耗的控制。另外，MSP430F149采用矢量中断，2个8位端口有中断能力，支持十多个中断源，并可任意嵌套。用中断请求将CPU唤醒只需6μs。通过合理编程，既可降低系统功耗，又可对外部事件请求作出快速响应。
②超强处理能力。MSP430F149采用了精简指令集(RISC)结构，1个时钟周期可以执行1条指令，使MSP430F149在8MHz工作时，指令速度可达8MIPS。另外。MSP430F149采用了16位多功能硬件乘法器和硬件乘一加(积之和)等先进的体系结构，大大增强了其数据处理和运算能力。
③系统工作稳定。上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，且晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU主系统时钟MCLK时发生故障，则DCO会自动启动，以保证系统正常工作。另外，MSP430F149的内部看门狗定时器(WDT)可在程序失控时迅速复位。
2.2 射频(RF)芯片TB31224F工作原理
Toshfiba公司的射频(RF)芯片TB31224F是一款集锁相环系统、中频处理系统、压扩器和功放等于一体的复合型芯片，其内部架构如图3所示。利用TB31224F可以减少很多外部器件，从而提高系统的可靠性，因此特别适用于无线手持终端设备。TB31224F主要用于46／49MHz的无绳电话系统中，步步高无绳电话的高频板就采用了该芯片。
TB31224F可工作在宽电压(2．O～6．0 V)范围。这对使用电池供电的手持终端设备来说非常关键。针对手持终端设备的低功耗设计，在节电模式下耗电仅为50μA，待机模式下耗电为7．5 mA，通信状态下耗电为12．5 mA。该芯片可设置5个阈值来栓测电池电压，进行低压预警。TB31224F采用QFP-48的小型封装，只有O.83g。
2.2.1 接收解调原理
由GPS车台扩展单元发出的已调FSK射频信号经天线接收，再由耦合电感送人双工滤波器进行分离，分离后的信号加至场效应管放大，然后经高频变压器选频通过耦合电容送入射频(RF)芯片TB31224F的40脚(如图3所示)。
TB31224F的42～46脚配合一个高频感容网络构成第一本振电路，一本振频率受TB31224F的6～8脚上来自MCU的锁相环数据信号控制。从46脚输出的锁相环控制电压经积分电路后送入4l脚，41脚内接变容二极管的负极，变化的控制电压改变了变容二极管结电容，从而政变一本振频率。第一本振信号经44脚送入42脚，与内部的参考频率比较而使46脚的控制电压锁定，也就锁定了一本振频率。第一本振信号与输入40脚的外来信号混合后从38脚输出10．7 MHz的第一中频信号；经陶瓷滤波器(10．7 MHz)选频后送入36脚，与第二本振信号混合，差频出455 kHz的第二中频信号从34脚输出；经窄带滤波将纯净的455 kHz信号送入32脚，再经内部限幅放大、鉴频、解调出复合音频信号(语音和数据共用一个信道)。鉴频输出的语音信号和数据信号从27脚输出后分两路进行：一路送入24脚放大后，从23脚输出数据信号RX-DATA送MCU处理；另一路送入15脚，经内部预放、扩展、放大后从19和20脚输出语音信号加至耳机。
2.2.2 发射电路原理
发射电路主要由语音预放、压缩、放大、调制振荡、缓冲和功放等单元电路组成。由于篇幅有限，这里不再给出详细的TB31224F外围电路。
语音信号经MIC声电转换后送入TB31224F的14脚，经内部预放、压缩、放大后从9脚输出；经电位器选择合适的调制电压后加至变容二极管的负极调频，来自MCU的TX-DATA数据信号也加至变容二极管的负极调频。已调射频信号经缓冲放大、功率放大、选频后送双工滤波器，分离后经天线发射，供GPS车台扩展单元接收。发射锁相环控制电压由MCU送至TB31224F的锁相环数据(DATA)、锁相环时钟(CLK)和锁相环控制信号(STB)决定。锁相环控制电压经积分后加至变容二极管的负极，改变锁相环控制电压就能改变发射频率和工作信道。
2．3 人机接口设计
人机接口包括键盘矩阵和LCD液晶显示屏。键盘采用5×4矩阵，键盘的复用体现在软件算法中；使用Solomon公司的SSDl812图形点阵(132×54)液晶显示模块作为人机对话的界面，SSDl812工作电压为l.8～3.5V，低功耗，特别适用于手持终端设备。具体设计这里不再赘述。
2.4 电源管理设计
合理的电源管理设计是手持终端设备正常、稳定运行的关键。本系统所采用的低功耗单片机MSP430F149可由软件配置为5种低功耗模式，且内部有一个用于系统监测的看门狗定时器(WDT)；另外射频(RF)芯片TB31224F可设置5个阈值来检测电池电压，进行低压预警。因此，设计中充分利用了这些资源，且考虑手持终端的小型化，没有再使用复杂的电源监测管理芯片。由于MSP430F149工作电压设置在3.3V，因而只使用了TPS76033低压降稳压器，TPS76033专门设计用于电池供电的系统．具有热保护功能，关闭状态静态电流仅为1μA。
2.5 抗干扰设计
车辆上往往会由于供电电源、空间电磁干扰或其他原因引起强烈的干扰噪声，因此系统的抗干扰设计显得非常关键。这些干扰作用于数字器件，极易使其产生误动作，引起MSP430F149发生“程序跑飞”事故。但MSP430F149内部的看门狗定时器能在程序跑飞时产生溢出，从而使系统复位，这样程序就又可以恢复正常运行状态。如果这些干扰作用于以TB31224F为核心的射频电路，则会导致误码率升高，语音质量变差，甚至通信中断，因此，射频电路的器件选择和布局非常重要。另外，合理使用双工滤波器、中频陶瓷滤波器和选频网络等也很好地解决了抗干扰问题。经过反复试验和调试，误码率和语音通话质量完全达到标准要求，通信距离可达到30m。
3 系统软件开发
系统软件开发使用了IAR嵌入式工作平台(IAREnlbedded Workbench)。当时使用的是FET_304版本，目前较新版本是IAR Workbench V2.10。IAR嵌入式工作平台使用项目模式来组织应用程序，允许设计者以树状体系结构组织项目，从而可以清晰地表现文件之问的隶属关系。该平台用户界面直观，文本编辑器具有语法表现能力，带有基于标准C语言并体现MSP430特性的编译器。另外，汇编器、链接器、函数库管理器和调试器C-SPY等内嵌工具也为开发和管理MSP430嵌入式应用程序提供了极大便利。
3．1 系统软件流程
手持终端系统软件主流程如图4所示。在系统软件设计时，为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，采用了同步接收方式。位同步的目的是确定数字通信中各码元的抽样时刻；帧同步的任务则是把码组区分出来。为了确定帧定时脉冲的相位，在发送端数字信息流中插入了一些特殊码组作为每帧头尾的标记，接收端根据这些特殊码组的位置即可实现帧同步。另外，设计时充分利用MSP430F149的矢量中断特性．设置多个中断源，实现了嵌套中断。通过合理的算法，既降低了系统功耗，又能对外部事件请求做出快速响应。
3．2 射频(RF)芯片控制
TB31224F是可编程控制芯片，通过MSP430F149送至TB31224F的锁相环数据(DATA)、锁相环时钟(CLK)和锁相环控制信号(STB)，以决定其发送和接收锁相环控制电压，从而设置发射和接收频率。控制方式为串行数据输入控制，其时序如图5所示。
锁相环数据(DATA)在时钟(CLK)上升沿被读取；当锁相环控制信号(STB)接收到来自MSP430F149的高电平信号时，移位寄存器中的数据被加载从而去设置频率，例如：
①若设置内部参考频率(REF)为10．240 MHz，则DATA应为0010000000000111；
②若设置发射频率(TX)为49．875 MHz，则 DATA应为1110111l01100110；
③若设置接收频率(RX)为36．035 MHz，则DATA应为1110010000111001l。
注意：DATA的低两位是命令控制码，11表示设置内部参考频率；10表示设置发射压控振荡器(VCO)的频率；01表示设置接收VCO的频率；00表示进行低功耗或静音控制。
结语
本文基于MSP430嵌入式技术，设计并实现了车载无线手持终端系统。该系统性价比高，可靠性强，可扩展空间大，根据投放市场情况来看，具有很大市场潜力。若在该系统的基础之上再扩展CAN总线接口，即可实现车内局域网控制，这也是目前车载设备开发的一个趋势。
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