基于MSP430便攜式掌機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)

文/張穎 李憶昕

手持掌機(jī)也被稱作手持移動終端，一般具有無線傳輸數(shù)據(jù)的功能，主要優(yōu)點是小巧、便捷。我國是在1985年后開始使用手持掌機(jī)，主要應(yīng)用于電表的遠(yuǎn)程超收，手持掌機(jī)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)人工抄表的模式，節(jié)省了人力，在一定程度上推動了電力行業(yè)的發(fā)展。同時它對其它無線傳輸相關(guān)行業(yè)也產(chǎn)生了推波助瀾的作用。

傳統(tǒng)的無線設(shè)備測試，往往采用計算機(jī)及“USB—無線”轉(zhuǎn)換器搭配使用的方式，這種方式一般在車間會受到地理條件限制，且計算機(jī)價格昂貴，耗電量高。而現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試更是需要工程師攜帶繁重的筆記本電腦，由于其續(xù)航能力有限，無法滿足全天調(diào)試需求。

1 硬件電路設(shè)計

選用16位超低功耗的MCU。經(jīng)過性能、性價比、數(shù)據(jù)參數(shù)等比較，最后選取了MSP430F5418A。該單片機(jī)I/O端口充足，串口數(shù)量也足夠當(dāng)前應(yīng)用。幾個串口分別用作A7139無線通訊，RS232有線通訊，充電口。另外，增加紅外接口作為以后通訊擴(kuò)展使用。硬件電路可以分為人工交互部分（液晶顯示及鍵盤輸入）、通訊傳輸部分、實時時鐘電路、變壓穩(wěn)壓電路等。選用帶有簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊12864LCD。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：掌機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

本項目采用蓄電鋰電池，電池電壓為3.7V，對于單片機(jī)3.3V工作電壓需要進(jìn)行降壓電路轉(zhuǎn)換。選用MC34063進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換，溫升低且價格低廉，電路如圖2。

由于通訊協(xié)議中有日期時間校對功能，本設(shè)計中使用DS1302低功耗實時時鐘芯片進(jìn)行計時，并可以通過鍵盤與液晶屏交互進(jìn)行系統(tǒng)校時。選用MAX3232芯片構(gòu)建RS232與TTL電平的轉(zhuǎn)換電路。選用0.1uF電容去耦合，降低電源噪聲，增加抗干擾能力。對于A7139無線收發(fā)電路，本設(shè)計配套使用彈簧天線，需要注意天線下方不要擺放其它原件，以免造成干擾。電路如圖3所示。

圖2：電源變壓穩(wěn)壓電路

圖3：RF無線通訊電路

2 軟件設(shè)計與開發(fā)

2.1 模塊化編程設(shè)計

本設(shè)計屬于大中型單片機(jī)程序，為使程序結(jié)構(gòu)清晰，便于程序調(diào)試及后續(xù)擴(kuò)展，本設(shè)計采用模塊化編程。本設(shè)計模塊化編程主要體現(xiàn)在三方面：

2.1.1 文件模塊化

不同的功能程序封裝于不同的模塊文件中，分塊編寫，分塊調(diào)試，程序編寫后也有利于今后相關(guān)程序的移植或復(fù)用。具體程序模塊包括初始化、菜單模塊、LCD顯示模塊、串口收發(fā)模塊、按鍵輸入模塊、功能函數(shù)模塊、通訊協(xié)議模塊等。不同的模塊文件都有著“.c”文件和“.h”頭文件。

2.1.2 菜單結(jié)構(gòu)模塊化

菜單作為掌機(jī)人機(jī)互動的重要組成部分，將其做成模塊化編程，可以對菜單進(jìn)行更好的擴(kuò)展或更改。

2.1.3 通訊協(xié)議模塊化編程

掌機(jī)在整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中工作與數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行半雙工通訊。數(shù)據(jù)幀包括幀頭、控制碼、數(shù)據(jù)長度、主機(jī)地址、幀尾等，根據(jù)幀格式規(guī)則，使用模塊化編程的方式，將一個幀封裝為一個函數(shù)，將變化的字節(jié)作為參數(shù)，在通訊命令中調(diào)用該函數(shù)，可以簡化編程，節(jié)約空間成本，隨著通訊協(xié)議的擴(kuò)展，也將低成本增加程序開銷。

2.2 圖形菜單與按鍵

設(shè)計三級菜單顯示模式，主菜單為圖形與文字結(jié)合，采用選中反白的形式，增加可視化操作的便利性。一級菜單為功能主菜單，見圖4，二級菜單為功能選擇子菜單或系統(tǒng)設(shè)置，三級菜單一般為通訊操作界面。實現(xiàn)菜單的樹形結(jié)構(gòu)，用指針是最佳的選擇。

人機(jī)交互的重要手段是按鍵，操作者通過按鍵進(jìn)行命令選擇或數(shù)據(jù)輸入。在主程序循環(huán)進(jìn)行按鍵檢測，Timer計時在長時間無按鍵按下可以進(jìn)入休眠狀態(tài)，再次按鍵喚醒。根據(jù)不同需求，對按鍵的鍵值進(jìn)行更改，可以實現(xiàn)數(shù)字和字母切換輸入。

另外，對于車間生產(chǎn)與現(xiàn)場調(diào)試，根據(jù)不同需求做出兩個操作界面。車間生產(chǎn)要求界面簡潔，通訊協(xié)議只需要設(shè)備部分通訊協(xié)議，按步驟流程化測試。而現(xiàn)場調(diào)試則需要基本所有協(xié)議，可按照使用頻率在菜單中排列。

3 測試與應(yīng)用

A7139無線模塊通訊距離性能較好，根據(jù)車間現(xiàn)場情況，對掌機(jī)進(jìn)行測試，跨樓層進(jìn)行信號強(qiáng)度測試，穿越兩個樓層的信號強(qiáng)度根據(jù)遮擋情況不同，信號強(qiáng)度在92dBm～108dBm范圍內(nèi)?，F(xiàn)場測試，在高層樓宇中與已安裝設(shè)備進(jìn)行通訊，設(shè)備連接率達(dá)100%。由此可見，該設(shè)備滿足車間生產(chǎn)及現(xiàn)場調(diào)試的需求。

模塊檢測需要注意的事項有：

（1）防靜電。由于A7139模塊為靜電敏感器件，在對電路板進(jìn)行參數(shù)測試時，需要工人佩戴防靜電環(huán)，以防對模塊造成損壞。

圖4：圖形主菜單

（2）天線懸空。掌機(jī)設(shè)計采用彈簧天線，懸空焊接有利于減少外部電路對無線信號的影響。

4 總結(jié)與展望

本文基于MSP430單片機(jī)設(shè)計了一款多功能掌機(jī)。該掌機(jī)便攜小巧，功耗低，待機(jī)時間長，在很多場景中可以取代電腦和“USB-無線”轉(zhuǎn)換設(shè)備。掌機(jī)該掌機(jī)已應(yīng)用于企業(yè)車間無線儀表出廠測試、設(shè)備安裝調(diào)試以及設(shè)備故障檢測，大大提升了生產(chǎn)效率，為現(xiàn)場工程師調(diào)試提升了可操作性，提供了更多便利。該掌機(jī)硬件設(shè)計采用低功耗芯片，可實現(xiàn)有線通訊及無線通訊，采用模塊化編程方法，降低了調(diào)試難度，提升了可擴(kuò)展性，為掌機(jī)的升級做了堅實的基礎(chǔ)。采用三級圖形化菜單顯示界面，一鍵自動化測試，交互性強(qiáng)，簡化了操作流程。根據(jù)市場要求和產(chǎn)品更新，該掌機(jī)今后還可以更換Lora無線模塊和NB-IoT模塊以適應(yīng)不同場合需求。