在布線繁雜、不方便或不允許布線的情況下，人們都希望能通過短距離無線通信方案來解決。常見的應(yīng)用有RFID、無線抄表、無線餐飲點(diǎn)菜系統(tǒng)、無線監(jiān)控等。隨著射頻通信技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的日趨成熟以及人們生活水平和要求的不斷提高，餐飲行業(yè)的信息化建設(shè)方興未艾。餐館服務(wù)員手中的點(diǎn)菜器是餐飲點(diǎn)菜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，它與基站的通信是無線方式。本文介紹一種適用于中小餐館的普及型無線點(diǎn)菜手持終端設(shè)備（經(jīng)適當(dāng)改動可用于其他領(lǐng)域），它采用高性能、低價位、低開發(fā)成本的C8051F340單片機(jī)作為MCU，以Chipcon公司新推出的一體化無線收發(fā)芯片CC1100為射頻收發(fā)器，工作在免許可證的 ISM（工業(yè)、科研及醫(yī)療）頻段的433MHz。

1 硬件設(shè)計

它主要由MCU控制單元（控制各可編程芯片、處理輸入和輸出信號）、射頻收發(fā)單元（射頻信號的調(diào)制與解調(diào)、發(fā)射與接收和對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包與解包等）、鍵盤與LCD顯示單元（信息的輸入和顯示）、存儲器單元（存放漢字庫和菜單數(shù)據(jù)庫）、UART和USB接口單元（與PC機(jī)的通信、提供充電電源）、電源管理單元（為系統(tǒng)提供各種類型的電壓、充電、外接電源的切換等）等組成。

1.1 MCU單元

C8051F340 （以下簡稱MCU）是一款具有全速USB功能的混合信號Flash微控制器，其內(nèi)置256kB+4KB的RAM和64KB的Flash存儲器；精確校準(zhǔn) （0.25%）的12MHz內(nèi)部振蕩器（工作時外部不必接晶振），處理速度可達(dá)48MIPS；基于JTAG接口的非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試接口等［1］。其功能和性能完全滿足設(shè)計要求。

1.2 射頻收發(fā)器單元

CC1100是Chipcon/TI公司力推的一款性價比“最高” 的射頻單片收發(fā)器芯片，它體積?。?0pins，QLP 4×4mm）、接收靈敏度高（-110dBm/1.2kbps）、速率可編程（1.2kb/s～500kb/s）、工作電壓低（1.8V～3.6V）、功耗低（15.4mA/433MHz/1.2kb/s，1.8μA的待機(jī)電流，待機(jī)模式下的啟動時間僅為0.3ms）、在所有頻段輸出功率高達(dá)+ 10dBm、高效的SPI接口、數(shù)字RSSI（接收信號強(qiáng)度指示）輸出、無線喚醒（WOR）功能等。它的工作頻率為300MHz～1000MHz［2］。

考慮到高頻干擾，該單元單獨(dú)做一塊PCB板，并用金屬罩對其進(jìn)行電磁屏蔽，通過一個7針的連接器與底板相連，如圖2所示。GDO0與MCU的P0.7相接，用于指示是否已完整地接收了一個數(shù)據(jù)包，它可作為MCU的外部中斷源信號。在缺省情況下，GDO0會輸出一個頻率為晶振頻率（192Hz）的方波，這可作為在調(diào)試時判斷CC1100是否正常工作的依據(jù)。SCLK（串行時鐘）、SO（串行輸出）、SI（串行輸入）、CSn（片選）分別與MCU的 P0.0、P0.1、P0.2和P0.6相接，實(shí)現(xiàn)MCU與CC1100的SPI接口相連。MCU對CC1100的配置、控制和數(shù)據(jù)收發(fā)都通過該SPI接口進(jìn)行。在設(shè)計PCB時要讓晶振與芯片引腳盡量靠近，并用地線把時鐘區(qū)隔離開，晶振外殼接地并固定，元件都使用SMT（表帖式）元件，以減少過孔和體積。 VCC為3.3V。C4、C5、C6和L3、L4組成一個非平衡變壓器，用于在差分和單端RF（射頻）信號之間進(jìn)行變換，C1、C2、C3和L1、L2組成一個LC濾波器，它與非平衡變壓器一起實(shí)現(xiàn)與50Ω的天線相適配。電阻R1用于為CC1100的偏壓設(shè)置一個精準(zhǔn)的參考電流。DS1用于指示模塊上的電源是否正常。

1.3 鍵盤和LCD顯示單元

鍵盤包括數(shù)字鍵、發(fā)射鍵、方向鍵、多功能鍵、電源開/關(guān)鍵等，它由一個8行×3列的矩陣和一個獨(dú)立的鍵（電源開/關(guān)）組成。其中的行線與MCU的數(shù)據(jù)線（P4口）相連，列線分別與P2.0、P2.1和P2.2相連。軟件在判斷P2口的低3位有變化時，立即讀取P4口的內(nèi)容，可獲得當(dāng)前按下的鍵。電源開/關(guān)鍵直接與電源管理芯片的啟動/關(guān)閉腳相連。

UC1610為具有128×160點(diǎn)陣的4個灰度級偽彩LCD控制器和驅(qū)動器，專為超低功耗的手持設(shè)備設(shè)計，與MCU的接口有并口、SPI、I2C。本系統(tǒng)采用2線I2C總線與MCU的SMBus相連，此時，應(yīng)把CD、WR0和WR1接地，D0、D3分別與 MCU的SCL、SDA相連，數(shù)據(jù)線中的其他位接地。對其控制可參考其數(shù)據(jù)手冊［4］。

1.4 存儲器單元

MCU的片內(nèi)存儲器已足夠存放程序代碼，但由于要存放漢字庫和菜庫，所以必須外接一個數(shù)據(jù)存儲器。此存儲器既要容量大又要封裝小，因此選擇了ATMEL公司的 SPI Flash存儲器AT25F2048。該存儲器容量為2Mbit，8腳貼片封裝，通過4線SPI與MCU連接，數(shù)據(jù)傳輸率為12Mb/s?？筛鶕?jù)數(shù)據(jù)手冊中的命令格式進(jìn)行相關(guān)的讀寫以及擦除操作［5］。

1.5 UART和USB接口單元

程序可以通過JTAG接口下載，但像菜庫、漢字庫只能通過UART/USB接口下載。MCU 提供2個UART口，通過外接一個UART← →RS232變換的驅(qū)動芯片MAX3232，就可與PC的串口相連。MCU內(nèi)嵌一個USB2.0（設(shè)備）控制器［1］，可以直接與PC的USB接口相連。同時，USB口還提供對設(shè)備進(jìn)行充電的電源。

1.6 電源管理單元

LTC3455是凌特公司針對手持應(yīng)用新推出的一個完整的單片電源管理解決方案，在4mm×4mm的24引腳QFN封裝內(nèi)集成了USB電源管理器、鋰離子電池充電器和雙DC-DC（5V～3.3V和 5V～1.8V）轉(zhuǎn)換器，它把以前需要5個或更多芯片實(shí)現(xiàn)的幾個功能結(jié)合在一起。對電源進(jìn)行無縫選擇（3選1），其過程完全是按優(yōu)先級自動進(jìn)行的： 5.0V AC適配器→USB電源→電池。在使用適配器或USB電源時，電池充電器被使能，而且器件內(nèi)部的電源完全由選擇的外部電源供電［3］。圖中的CON1與PC的USB口相接，CON2與電源適配器相接，USBHP用于選擇USB電源的上限電流為500mA。P30用于使能 SW2和熱插拔功能，P31用于指示電池的電量，P32用于指示ON腳的狀態(tài)，P33用于使能本芯片，SW-VCC用于開啟/關(guān)閉輸出電源。

2 軟件設(shè)計

軟件的開發(fā)環(huán)境為keil μVISION3，使用keil C51語言。系統(tǒng)的無線通信部分采用主從結(jié)構(gòu)，從站由手持設(shè)備組成，主站由設(shè)在廚房的基站組成，工作方式采用主站輪詢、從站監(jiān)聽方式。為了避免多個從站爭用信道而發(fā)生沖突，規(guī)定只有主站向某個從站點(diǎn)名時，從站才向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件主要流程如圖4所示。

2.1 CC1100的編程要點(diǎn)

（1）寄存器訪問

在不同速率下CC1100有不同的配置。為了獲得最佳性能，有些配置必須經(jīng)過復(fù)雜的計算才能獲得。Chipcon公司提供了SmartRF Studio軟件對有關(guān)的寄存器進(jìn)行最佳配置。針對某一個速率，該軟件會自動提供一組最佳的寄存器配置參數(shù)，程序員只需在初始化時把這些配置寫入相應(yīng)的寄存器即可。配置只能在CC1100處于IDLE狀態(tài)下時才能進(jìn)行。

除了配置操作外，還有讀狀態(tài)、發(fā)命令和讀/寫Rx/Tx FIFO操作。這些操作有相似的通信格式：head字節(jié)+data（讀和發(fā)命令操作除外）字節(jié)。Head由R/W（bit7）、Burst（bit6）和 Addr（bit5～0）三部分組成。R/W標(biāo)示當(dāng)前操作是讀1還是寫0；Burst標(biāo)示當(dāng)前操作是訪問單個0還是多個1寄存器。但在讀狀態(tài)寄存器時是一個例外，雖然每次只能讀一個狀態(tài)寄存器，但該位必須為1，原因是狀態(tài)寄存器的地址與命令寄存器的地址是重疊的，因此對burst位進(jìn)行了重定義； bit0～5（Addr）為寄存器的地址。

（2）狀態(tài)機(jī)

CC1100內(nèi)部有一個用于管理各個狀態(tài)之間相互切換的狀態(tài)機(jī)。當(dāng)前狀態(tài)可從狀態(tài)寄存器MARCSTATE獲得。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。命令、內(nèi)部事件和配置信息決定狀態(tài)切換。寄存器MCSM1中的 TXOFF_MODE、RXOFF_MODE決定在完成發(fā)送操作、接收一個有效的包后將進(jìn)入哪一個狀態(tài)。需要注意的是，具有省電功效的無線喚醒功能WOR 能使CC1100在SLEEP狀態(tài)下周期性地自動轉(zhuǎn)到IDLE狀態(tài)，然后再自動轉(zhuǎn)到Rx狀態(tài)。但如果在此狀態(tài)下沒有數(shù)據(jù)包可接收，將又回到SLEEP狀態(tài)；否則，在接收完數(shù)據(jù)包之后，下一個狀態(tài)將由RXOFF_MODE決定，但不會進(jìn)入SLEEP狀態(tài)，必須在進(jìn)入IDLE狀態(tài)時由MCU發(fā)送SWOR命令才能再次進(jìn)入。在SLEEP狀態(tài)下，晶振是否繼續(xù)工作是由寄存器MCSM0中的XOSC_FORCE_ON決定的（0：繼續(xù)工作，1：停止工作）。在 MCU訪問CC1100（CSn=0）時，無論XOSC_FORCE_ON為何值，晶振將總是工作。