基于MSP430和CC2500的USB無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張彭朋，何 娜

（南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

基于MSP430單片機(jī)和CC2500的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)功能齊全的無線開發(fā)工具，該系統(tǒng)主要由MSP430F系列微控制器[1]和CC2500（2.4 GHz）無線收發(fā)器組成。系統(tǒng)可在PC機(jī)上利用IAR嵌入式工作平臺集成開發(fā)環(huán)境 （IDE）或CCE開發(fā)環(huán)境編寫、下載和調(diào)試應(yīng)用程序。用戶可以通過設(shè)置硬件斷點(diǎn)全速運(yùn)行應(yīng)用程序，也可單步運(yùn)行，無需額外消耗硬件資源。系統(tǒng)核心控制器采用MSP430F24X系列單片機(jī)，該單片機(jī)為16位單片機(jī)，集成度高，處理速度快，超低功耗，能極大的節(jié)省資源。通過Simplici TI協(xié)議，MSP430控制器通過USB接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，調(diào)試穩(wěn)定、簡易方便。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)消耗硬件資源較少，功耗超低，是一種無線數(shù)據(jù)采集的節(jié)能微型設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于MSP430單片機(jī)和CC2500無線收發(fā)器的USB無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由主控單元、CC2500無線收發(fā)器和USB接口電路構(gòu)成，圖1為系統(tǒng)方框圖。該系統(tǒng)可以通過CC2500無線收發(fā)器接收外部無線射頻信號[2]，MSP430F2274控制數(shù)據(jù)的接收、處理、傳輸，將數(shù)據(jù)打包后通過USB接口傳送至PC機(jī)，利用PC機(jī)上的開發(fā)平臺處理和分析數(shù)據(jù)，并顯示于系統(tǒng)界面。同時(shí)，也可以通過PC機(jī)將控制命令通過USB接口傳送給MSP430控制器，實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的控制。

圖1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 MSP430微控制器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用MSP430F2274微控制器作為主控制器。MSP430單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的一種超低功耗的混合信號控制器。該微控制器可用電池供電，而且使用時(shí)間長，該器件在少于6 μs的時(shí)間內(nèi)可從低功耗模式迅速喚醒。MSP430單片機(jī)內(nèi)還集成有A/D轉(zhuǎn)換器、硬件乘法器、定時(shí)器、比較器等模塊。它具有16 MI/s的指令傳輸速率，200 kS/s的10位SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，2個(gè)內(nèi)置的運(yùn)算放大器，具有看門狗定時(shí)器，2個(gè) 16位定時(shí)器 A3和 B3，USCI模塊支持 UART/LIN、SPI總線、I2C總線以IrDA等5個(gè)低功耗模式，低于700 nA待機(jī)模式，工作電源電壓為1.8～3.6 V，工作溫度范圍為-40～85°C。MSP430F2274應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 MSP430F2274應(yīng)用電路

2.2 CC2500無線收發(fā)電路設(shè)計(jì)

CC2500無線收發(fā)電路如圖3所示。采用低成本單芯片的2.4 GHz無線收發(fā)器CC2500。電路設(shè)定為2 400～2 483.5 MHz的ISM和SRD頻率波段。該收發(fā)器內(nèi)部集成了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)500 kb/s的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器?？删幊炭刂频妮敵龉β士蛇_(dá)+1 dBm，支持2-FSK和MSK。CC2500用作一個(gè)低IF接收器。接收的RF信號通過低噪聲放大器（LNA）放大，再對中間頻率（IF）求積分向下轉(zhuǎn)換。在IF下，I/Q信號通過A/D轉(zhuǎn)換器被數(shù)字化[4]。自動(dòng)增益控制（AGC），細(xì)微頻率濾波和解調(diào)位/數(shù)據(jù)包同步均數(shù)字化工作。CC2500的發(fā)送器部分基于RF頻率的直接合成。頻率合成器包含一個(gè)完整的芯片LC VCO和一個(gè)對接收模式下的向下轉(zhuǎn)換混頻器產(chǎn)生I和Q本振信號的90°相移裝置。

圖3 CC2500無線收發(fā)電路

2.3 USB傳輸調(diào)試接口電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)開發(fā)工具通過MSP430的USB調(diào)試端口與PC機(jī)相連，通過開發(fā)平臺在PC機(jī)上對其進(jìn)行開發(fā)。USB調(diào)試接口為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供3.6 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓，其通過SBW接口相連接，可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Flash仿真工具，射頻USB調(diào)試接口采用返回通道的MSP430 UART[5]端口，這樣在調(diào)試階段可以獨(dú)立應(yīng)用，允許用戶在無流量控制的條件下，以9 600 b/s固定速率將串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端窗口。USB調(diào)試接口電路如圖4所示。

圖4 USB調(diào)試接口電路

3 傳輸協(xié)議

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括兩種不同的MSP430開發(fā)軟件工具：TI的IAR嵌入式工作平臺KickStart和CCE開發(fā)環(huán)境[6]?！癒ickStart”是限制版本的嵌入式工作平臺，允許4 KB的C代碼匯編。CCE也是受限制的，但它允許高達(dá)16 KB的代碼匯編。完整版本的CCE提供無限代碼匯編。其通過MSP430的USB調(diào)試端口與PC機(jī)相連，通過開發(fā)平臺在PC機(jī)上對其進(jìn)行開發(fā)。

系統(tǒng)在應(yīng)用程序開發(fā)上使用Simplici TI協(xié)議。Simplici TI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一個(gè)專有的，低功耗射頻（RF）協(xié)議。其對象是配置簡單的小射頻網(wǎng)絡(luò)（小于100個(gè)節(jié)點(diǎn)）。Simplici TI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以易于實(shí)現(xiàn)、占用最小的微控制器資源為目的而設(shè)計(jì)的。該協(xié)議在TI的MSP430超低功耗微控制器和各種射頻收發(fā)器的盒外運(yùn)行。Simplici TI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持各種低功耗設(shè)備，包括安全警報(bào)（煙霧探測器、玻璃破碎探測器、一氧化碳傳感器、光傳感器）、自動(dòng)讀表器（煤氣表和水表）、家庭自動(dòng)化（家電，車庫門開啟器和環(huán)境設(shè)備）以及有源RFID。Simplici TI協(xié)議應(yīng)用如圖5所示。

圖5 Simplici TI協(xié)議應(yīng)用

4 結(jié)束語

基于USB接口的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以MSP430為控制核心，集成了CC2500無線收發(fā)器，通過USB調(diào)試端口與PC機(jī)相連進(jìn)行開發(fā)，調(diào)試穩(wěn)定、簡易方便，消耗硬件資源少，該系統(tǒng)可作為一個(gè)獨(dú)立的開發(fā)工具，也可以添加到其他設(shè)計(jì)中，適用性強(qiáng)。TI公司提供的IAR嵌入式工作平臺KickStart和CCE軟件開發(fā)環(huán)境，資源豐富，易于開發(fā)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于微型無線收發(fā)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)及便攜式傳感監(jiān)控領(lǐng)域。

[1]IT 公司.MSP430x22x2，MSP430x22x4 mixed signal microcontroller[DB/OL].2009.http：//www.ti.com.

[2]IT公司.CC2500low-costlow-power2.4GHzRFtransceiver[DB/OL].2007.http：//www.ti.com.

[3]黃智偉.無線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]黃智偉.射頻電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[5]黃智偉.無線通信集成電路[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[6]IT 公司.eZ430-RF2500 development tool user’s guide[DB/OL].2007.http：//www.ti.com.