MSP430和CC1101的電磁波喚醒功能設計

吳少龍，楊國為，2，鄧燕

（1.青島大學 自動化工程學院，青島266071；2.南昌航空大學）

引 言

隨著計算機通信技術的迅速發(fā)展和因特網(wǎng)的廣泛應用，尤其是工業(yè)控制領域的應用越來越廣泛，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(tǒng)中，目前主要使用無源RFID（Radio Frequency Identification）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閱讀器），使用起來會比較麻煩。有源RFID雖然能夠克服這個缺點，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專門為超低功耗應用而特別設計，其具有高度靈活的定時系統(tǒng)、多種低功耗模式、即時喚醒以及智能化自主型外設，不僅可以實現(xiàn)真正的超低功耗優(yōu)化，而且還能大幅延長電池的使用壽命[1]。CC1101的WOR功能可以使芯片在無需MCU干預下周期性地從深度睡眠模式醒來偵聽潛在的數(shù)據(jù)包，同時在深度睡眠模式下，CC1101的功耗幾乎為0[2]。

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

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構

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

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構

終端設備通過 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）向AP發(fā)送指令，AP根據(jù)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)被喚醒進入到工作狀態(tài)，然后將自己的MAC地址通過CC1101發(fā)送給AP，AP對收到的MAC信息進行處理后通過UART發(fā)送給終端設備顯示出來。整個過程實現(xiàn)的是AP發(fā)送數(shù)據(jù)，ED接收數(shù)據(jù)，然后ED發(fā)送數(shù)據(jù)，AP接收數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)最終的顯示。

2 系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)

圖2為電磁波喚醒的部分硬件結(jié)構[3-4]。MCU采用的是TI公司的MSP430系列單片機，通過CC1101無線射頻收發(fā)芯片實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，然后通過有線或者無線方式與終端設備進行連接。

圖2 電磁波喚醒部分硬件結(jié)構圖

3 系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)

智能終端ED和AP是以無線射頻信號方式進行數(shù)據(jù)通信的。AP先發(fā)送包含MAC信息的WOR指令，當收到AP發(fā)送過來的指令時，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(xù)進入睡眠狀態(tài)的指令，即進入低功耗模式。圖3和圖4分別是AP和ED的軟件流程圖。

4 系統(tǒng)的低功耗設計

本系統(tǒng)的MCU采用MSP430，當其處于等待指令的LPM3低功耗模式時，此時ED的電流大約是10μA，因此整個系統(tǒng)低功耗設計的關鍵是對CC1101的WOR的使用。當它處于接收狀態(tài)時，其工作電流為12.5 m A左右；如果始終處于接收狀態(tài)，整個系統(tǒng)的供電電池會很快耗盡。為了解決這個問題，可以將系統(tǒng)的工作模式設置為定時工作模式，在持定的工作時間段內(nèi)，啟用 WOR，系統(tǒng)會自動處于偵聽狀態(tài)（即接收狀態(tài)）。這樣，就需要兩個時間參數(shù)T0（最長工作周期）和T1（最長接收時間）以及接收的占空比d（Duty Cycle）。降低功耗的關鍵就是降低占空比。設定每2 s醒一次，每次持續(xù)3.5 ms。喚醒ED時要先發(fā)送前導字，時長要保證喚醒終端CC1101的時間周期2 s，并且，在連續(xù)兩個周期（7 ms）內(nèi)沒有收到同步字和幀起始碼，則認為是無效的數(shù)據(jù)，重新進入WOR狀態(tài)。如此設定后，整個系統(tǒng)的平均工作電流為35μA左右。這樣一來普通的500 m Ah紐扣電池就能使用很長時間。

圖3 AP軟件流程圖

圖4 ED軟件流程圖

結(jié) 語

經(jīng)過實驗驗證，本文設計的基于MSP430和CC1101的電磁波喚醒系統(tǒng)能夠保證在低功耗下進行數(shù)據(jù)的無線傳輸。結(jié)合實際需要對該系統(tǒng)進行改造，在倉儲及尋貨等方面有重要的現(xiàn)實意義。

[1]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統(tǒng)設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[2]Texas Instruments.MSP430 Family Arch irecture Guide and Modeule Library，2001.

[3]Texas Instruments.Low-Power Sub-1 GHz RF Transceiver，2013.

[4]沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機實踐與系統(tǒng)設計[M].北京：清華大學出版社，2005.