MSP430的車載無線手持終端系統(tǒng)設計

信息時代的到來使得汽車電子產業(yè)飛速發(fā)展，新興技術層出不窮。車載終端設備作為新興汽車電子產品的標志性產物也是日新月異，客戶對其要求越來越高。其中，GPS車臺已成為當今汽車必備的主流終端產品之一。而市場上現(xiàn)有的GPS車臺手柄拖著一根沉重的通信連接線，操作非常不便，且功能不強，可擴展空間有限，因此，在激烈的市場競爭中顯得力不從心。這就必然要求設計出更具市場競爭力的無線方案取而代之。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、性價比高，可擴展性強的車載無線手持終端，且已成功投放市場。 

1 系統(tǒng)組成原理 

    車載無線手持終端系統(tǒng)主要由GPS車臺、車臺擴展模塊(RF模塊)和手持終端三部分組成，如圖1所示。 




    GPS車臺包含GPS模塊、GSM模塊、控制單元MCU、天線以及接口單元。GPS接收模塊用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)作為定位信號源，計算車輛的位置信息；控制單元MCU完成數(shù)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(shù)據傳輸和語音通信等。GPS車臺接收到衛(wèi)星導航定位信息，通過GSM通信模塊以短消息的方式將車輛的位置和狀態(tài)信息發(fā)送至GSM網絡運營服務中心；GSM網絡運營服務中心將接收到的車輛定位信息通過數(shù)據專線傳送至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心借助電子地圖實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān)控。 

    在此基礎上，經過反復試驗又擴展了射頻(RF)模塊與手持終端進行無線通信。這里利用Toshiba公司的射頻(RF)芯片TB31224F，工作在46／49 MHz的無繩電話公用信道上，通過雙工濾波器很好地解決了抗干擾問題。 


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(shù)據編碼以及數(shù)據發(fā)送和接收等任務；TB31224F主要實現(xiàn)與GPS車臺進行無線通信(包括數(shù)據和語音)。由于車輛上各種電氣、電磁干擾很強，對無線通信的影響非常大，因此系統(tǒng)的抗干擾設計顯得尤為關鍵。本文采用雙工濾波器技術并且在電路板設計時對高頻部分進行了精心的布局；經過反復試驗和調試，誤碼率和語音通話質量完全達到標準要求。由于手持終端設備對系統(tǒng)的功耗要求非常嚴格，因此電源管理也是系統(tǒng)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(shù)據保持方式下耗電僅為0．1 μA，活動模式下耗電為250μA／MIPS，I／O輸入端口的漏電流最大僅為50 nA。獨特的時鐘系統(tǒng)設計，MSP430F149包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖相環(huán)時鐘系統(tǒng)(或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng))。這些時鐘可在指令的控制下打開或關閉，實現(xiàn)對總體功耗的控制。另外，MSP430F149采用矢量中斷，2個8位端口有中斷能力，支持十多個中斷源，并可任意嵌套。用中斷請求將CPU喚醒只需6μs。通過合理編程，既可降低系統(tǒng)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采用了精簡指令集(RISC)結構，1個時鐘周期可以執(zhí)行1條指令，使MSP430F149在8MHz工作時，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)等先進的體系結構，大大增強了其數(shù)據處理和運算能力。 

2.2 射頻(RF)芯片TB31224F工作原理 

2.2.1 接收解調原理 

    由GPS車臺擴展單元發(fā)出的已調FSK射頻信號經天線接收，再由耦合電感送人雙工濾波器進行分離，分離后的信號加至場效應管放大，然后經高頻變壓器選頻通過耦合電容送入射頻(RF)芯片TB31224F的40腳(如圖3所示)。  



    TB31224F的42～46腳配合一個高頻感容網絡構成第一本振電路，一本振頻率受TB31224F的6～8腳上來自MCU的鎖相環(huán)數(shù)據信號控制。從46腳輸出的鎖相環(huán)控制電壓經積分電路后送入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腳的外來信號混合后從38腳輸出10．7 MHz的第一中頻信號；經陶瓷濾波器(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；經窄帶濾波將純凈的455 kHz信號送入32腳，再經內部限幅放大、鑒頻、解調出復合音頻信號(語音和數(shù)據共用一個信道)。鑒頻輸出的語音信號和數(shù)據信號從27腳輸出后分兩路進行：一路送入24腳放大后，從23腳輸出數(shù)據信號RX-DATA送MCU處理；另一路送入15腳，經內部預放、擴展、放大后從19和20腳輸出語音信號加至耳機。 

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。 

    語音信號經MIC聲電轉換后送入TB31224F的14腳，經內部預放、壓縮、放大后從9腳輸出；經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，來自MCU的TX-DATA數(shù)據信號也加至變容二極管的負極調頻。已調射頻信號經緩沖放大、功率放大、選頻后送雙工濾波器，分離后經天線發(fā)射，供GPS車臺擴展單元接收。發(fā)射鎖相環(huán)控制電壓由MCU送至TB31224F的鎖相環(huán)數(shù)據(DATA)、鎖相環(huán)時鐘(CLK)和鎖相環(huán)控制信號(STB)決定。鎖相環(huán)控制電壓經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 

    人機接口包括鍵盤矩陣和LCD液晶顯示屏。鍵盤采用5×4矩陣，鍵盤的復用體現(xiàn)在軟件算法中；使用Solomon公司的SSDl812圖形點陣(132×54)液晶顯示模塊作為人機對話的界面，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(wěn)定運行的關鍵。本系統(tǒng)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，且內部有一個用于系統(tǒng)監(jiān)測的看門狗定時器(WDT)；另外射頻(RF)芯片TB31224F可設置5個閾值來檢測電池電壓，進行低壓預警。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，沒有再使用復雜的電源監(jiān)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(wěn)壓器，TPS76033專門設計用于電池供電的系統(tǒng)．具有熱保護功能，關閉狀態(tài)靜態(tài)電流僅為1μA。 

2.5 抗干擾設計 

    車輛上往往會由于供電電源、空間電磁干擾或其他原因引起強烈的干擾噪聲，因此系統(tǒng)的抗干擾設計顯得非常關鍵。這些干擾作用于數(shù)字器件，極易使其產生誤動作，引起MSP430F149發(fā)生“程序跑飛”事故。但MSP430F149內部的看門狗定時器能在程序跑飛時產生溢出，從而使系統(tǒng)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，則會導致誤碼率升高，語音質量變差，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絡等也很好地解決了抗干擾問題。經過反復試驗和調試，誤碼率和語音通話質量完全達到標準要求，通信距離可達到30m。 

3 系統(tǒng)軟件開發(fā) 

    系統(tǒng)軟件開發(fā)使用了IAR嵌入式工作平臺(IAREnlbedded Workbench)。當時使用的是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組織應用程序，允許設計者以樹狀體系結構組織項目，從而可以清晰地表現(xiàn)文件之問的隸屬關系。該平臺用戶界面直觀，文本編輯器具有語法表現(xiàn)能力，帶有基于標準C語言并體現(xiàn)MSP430特性的編譯器。另外，匯編器、鏈接器、函數(shù)庫管理器和調試器C-SPY等內嵌工具也為開發(fā)和管理MSP430嵌入式應用程序提供了極大便利。 

3．1 系統(tǒng)軟件流程 




3．2 射頻(RF)芯片控制 



 鎖相環(huán)數(shù)據(DATA)在時鐘(CLK)上升沿被讀?。划旀i相環(huán)控制信號(STB)接收到來自MSP430F149的高電平信號時，移位寄存器中的數(shù)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表示進行低功耗或靜音控制。 

結語 

    本文基于MSP430嵌入式技術，設計并實現(xiàn)了車載無線手持終端系統(tǒng)。該系統(tǒng)性價比高，可靠性強，可擴展空間大，根據投放市場情況來看，具有很大市場潛力。若在該系統(tǒng)的基礎之上再擴展CAN總線接口，即可實現(xiàn)車內局域網控制，這也是目前車載設備開發(fā)的一個趨勢。