《電子技術(shù)應(yīng)用》
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低功耗電梯呼叫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第9期
符多鐸, 譚秋林, 王紅亮, 劉文怡, 王 帥
中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室 電子測試技術(shù)國家重點實驗室,,山西 太原 030051
摘要: 針對傳統(tǒng)電梯電話呼叫系統(tǒng)存在的布線復(fù)雜和維修不便等問題,設(shè)計了一種采用MSP430為控制核心,nRF24L01為無線收發(fā)模塊核心芯片,,并配以相應(yīng)的輸入模塊和報警顯示模塊的低功耗電梯無線呼叫系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)是由若干個發(fā)送端和一個接收端組成的多對一的無線呼叫系統(tǒng),。經(jīng)過實測表明,,系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、功耗低和高抗干擾性等優(yōu)點,,能有效地應(yīng)用于各種電梯中,。
中圖分類號: TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)09-0077-04
Design of low-power elevator caller system
Fu Duoduo, Tan Qiulin, Wang Hongliang, Liu Wenyi, Wang Shuai
Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement Technology,National Key Laboratory for Electronic Measurement, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract: Some disadvantages are found in traditional elevator telephone caller system, such as wiring complex,maintenance inconvenience and so on. A kind of low-power elevator caller system implemented with MSP430 as main control chip, nRF24L01 as main control chip in wireless communication module,input module and also alerting module is designed.The system contains some sending ends and a receiving end.Through the experiment, the system is stability, low-power, strong interference resistance and so on,which is suitable for all kinds of elevators.
Key words : MSP430; nRF24L01; low-power; high stability

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電梯在生活中已經(jīng)有了很廣泛的使用[1-2],。當(dāng)人們在使用電梯的時候,,難免遇到電梯故障,,這時就需要呼叫系統(tǒng)來求救。常用的電梯呼叫系統(tǒng)是有線電話呼叫系統(tǒng),,但是由于其布線復(fù)雜和維修不便等問題,,在實際應(yīng)用中受到很大的限制[3-5]。

    本文設(shè)計了一種低功耗電梯呼叫系統(tǒng)的設(shè)計方案,,其采用MSP430為控制核心,,nRF24L01為無線收發(fā)模塊核心芯片,并配以相應(yīng)的輸入模塊和報警顯示模塊,。該系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性,、低功耗和高抗干擾性等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)設(shè)計方案
    本系統(tǒng)由若干個發(fā)送端和一個接收端組成,,發(fā)送端和接收端都是由超低功耗MSP430單片機為主控模塊,,控制Nordic公司的無線收發(fā)芯片nRF24L01實現(xiàn)無線收發(fā)功能,在發(fā)送端配以按鈕作為信號輸入模塊,,在接收端配以報警顯示模塊實現(xiàn)信號的直觀顯示,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    圖1中,,每一部電梯中都安裝一個發(fā)送模塊,,其中,電梯內(nèi)部安裝一個按鈕作為信號的輸入,。無線接收模塊安裝在值班室,,并配以報警顯示模塊以便信號的直觀顯示,供值班人員及時處理,,配以復(fù)位電路對報警顯示模塊進(jìn)行復(fù)位,。
2 硬件電路設(shè)計
    本系統(tǒng)設(shè)計為一個“多對一”系統(tǒng),即由若干個系統(tǒng)發(fā)送端和一個系統(tǒng)接收端組成,。每一部電梯內(nèi)安裝一個發(fā)送端,,而接收端只需要在值班室安裝一個。系統(tǒng)硬件由供電電路,、輸入模塊、MSP430主控模塊,、無線收發(fā)模塊,、報警顯示模塊和復(fù)位模塊這幾個部分組成。其中輸入模塊是由安裝在電梯內(nèi)部的按鈕構(gòu)成,,復(fù)位模塊的功能由對應(yīng)的按鈕完成,。本文重點介紹如下幾個部分。
2.1 供電電路
    MSP430單片機是一款超低功耗單片機,,其工作電壓范圍為1.8 V~3.6 V,,nRF24L01的供電電壓為1.9 V~3.6 V,,故本系統(tǒng)中采用兩節(jié)5號干電池提供3.4 V電壓并配以穩(wěn)壓芯片LM1117即可正常工作。供電電路如圖2所示,。

2.2 MSP430主控模塊
    系統(tǒng)主控模塊主要是由MSP430F149低功耗單片機來實現(xiàn),。這款單片機擁有豐富的外圍功能模塊:包括采樣/保持功能ADC內(nèi)核的12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12、轉(zhuǎn)換存儲邏輯,、內(nèi)部參考電平發(fā)生器,、多種時鐘源、采樣及轉(zhuǎn)換時序電路,。有8個外通道,,4個內(nèi)通道,高達(dá)200 kb/s的采樣速率,多種采樣方式,。兩路USART通信串口,,可用于UART和SPI模式;片內(nèi)有精密硬件乘法器,、兩個16位定時器,,6個并行口P1~P6,48條I/O口線,,其具有64 KB的閃存,,用于存儲采集數(shù)據(jù)。
2.3無線收發(fā)模塊
    本設(shè)計中無線收發(fā)功能主要依靠nRF24L01來實現(xiàn),,nRF24L01是一款2.4 GHz的無線單片收發(fā)芯片,。主要特性:GFSK調(diào)制;硬件集成OSI鏈路層,;具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能;片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼;數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s或2 Mb/s;SPI速率為0 Mb/s~10 Mb/s,;125個頻道;與其他nRF24系列射頻器件相兼容,;QFN20引腳4 mm×4 mm封裝,;供電電壓為1.9 V~3.6 V。
    無線傳輸單元的電路設(shè)計主要是MSP430單片機與nRF24L01模塊的連接電路,。本設(shè)計中,,IRQ中斷與P2.6腳相連,CE使能與P2.7腳相連,,CSN片選與P2.4腳相連,,SOMI與P3.2相連,SIMO與P3.1腳相連,,UCLK與P3.3腳相連,。連接電路如圖3所示。

2.4報警顯示模塊
    在本系統(tǒng)中,電梯內(nèi)系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)出的求救信號由值班室系統(tǒng)接收端接收后,,需要將信號顯示,,以便值班人員及時處理,。在此處,設(shè)計一個蜂鳴器和LED指示燈,,當(dāng)系統(tǒng)接收端接收到相應(yīng)的信號時,,控制蜂鳴器發(fā)出蜂鳴,LED指示燈閃爍,。為了更直觀地顯示接收到的信號,,系統(tǒng)還設(shè)計了將接收端接收到的信號傳給屏幕進(jìn)行顯示。
    由于串行輸入輸出口是TTL電平信號,,TTL電平在0~5 V之間,,其邏輯1的電平在2 V以上,邏輯0的電平在0.8 V以下,。而只有RS-232電平才能與PC機連接,。RS232為全雙工通信,通信距離為15 m,。RS-232電平:邏輯1的電平在-3 V~-25 V之間,,通常為-12 V;邏輯0的電壓在+3 V~+23 V之間,,通常為+12 V,。所以要用到MAX3232轉(zhuǎn)換電平。轉(zhuǎn)換電路如圖4所示,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端的主控模塊均采用MSP430單片機,,為了使單片機正常工作,需要先對單片機進(jìn)行初始化,,停止看門狗,,設(shè)置時鐘頻率,電源上電復(fù)位,。單片機MSP430與PC通過串口連接,要根據(jù)UART協(xié)議來編程,。對串口的初始化:首先USART1控制寄存器UCTL中SWRST和CHAR位置位,即USART的狀態(tài)機構(gòu)和運行標(biāo)志初始化成復(fù)位狀態(tài),選擇字符以8位發(fā)送,。
    主控單片機控制nRF24L01是通過配置其寄存器來實現(xiàn)的,,這些配置寄存器可通過SPI口訪問。nRF24L01的配置寄存器共有25個,,其常用的寄存器如表1所示,。

 當(dāng)按鈕按下時,啟動配置PTX,,數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)設(shè)格式編碼后,開啟發(fā)送,。編碼后的一幀數(shù)據(jù)共占9 B,,幀格式如圖6所示,。

    其中,幀頭采用0x14,、0x6F,,占用2 B,標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的開始,,也即接收端識別到0x14,、0x6F時,將識別接收的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù),,這樣可以一定程度地去除亂碼的干擾,。
   設(shè)備號,占1 B,,用來區(qū)分對傳感器的哪個電橋進(jìn)行操作,。
    電梯號,占1 B,,用來存放發(fā)送端的號碼,,以供接收端識別接收的數(shù)據(jù)具體是哪個號碼的發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù),這樣能識別發(fā)出呼叫求救信息的具體是哪部電梯,。
   樓層號,,占1 B,用來存放按鈕按下輸入信號時發(fā)送端所處的樓層,,也即發(fā)出呼叫求救信息的電梯所處的樓層,,這樣接收端能夠準(zhǔn)確地定位發(fā)送端的具體位置。
    校驗值字,,占用兩個字節(jié),,為了提高無線通信的準(zhǔn)確度和抗干擾性。
    幀尾,,占用2 B,,標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束,固定為0xeb,0x90,。
    發(fā)送端將nRF24L01配置為增強型的ShockBurstTM發(fā)送模式,,在該模式下,只要MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送,,nRF24L01就會啟動ShockBurstTM模式來發(fā)送數(shù)據(jù),。在發(fā)送完數(shù)據(jù)后nRF24L01轉(zhuǎn)到接收模式并等待終端的應(yīng)答信號。如果沒有收到應(yīng)答信號,,nRF24L01將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包,,直到收到應(yīng)答信號或重發(fā)次數(shù)超過SETUP_RETR_ ARC寄存器中設(shè)置的值為止,如果重發(fā)次數(shù)超過了設(shè)定值,,則產(chǎn)生MAX_RT中斷,。
3.2 系統(tǒng)接收端
    系統(tǒng)接收端安裝在值班室,,本系統(tǒng)只需要一個系統(tǒng)接收端。接收端的MSP430主控模塊通過配置無線收發(fā)芯片nRF24L01的寄存器,,使其總是處于接收模式,,以便隨時接收發(fā)送端發(fā)送的信息。接收端在接收到發(fā)送端有效的信息后,,主控單片機對信息進(jìn)行解碼,,并將解碼后的信息顯示在屏幕上,同時控制蜂鳴器發(fā)出蜂鳴和LED燈閃爍,,以便提醒值班人員有呼叫信息傳入,。其具體流程如下。
    (1)nRF24L01的ShockBurstTM接收模式是通過設(shè)置寄存器中PRIM_RX位為高來選擇的,。EN_RXADDR寄存器必須被使能,,所有工作在增強型ShockBurstTM模式下的數(shù)據(jù)通道的自動應(yīng)答功能是由EN_AA寄存器來使能的,有效數(shù)據(jù)寬度是由RX_PW_Px寄存器來設(shè)置的,。
    (2)接收模式由設(shè)置CE為高來啟動,。
    (3)130 μs后nRF24L01開始檢測空中信息。
    (4)接收到有效的數(shù)據(jù)包后(地址匹配,、CRC檢驗正確),,數(shù)據(jù)存儲在RX_FIFO中,同時RX_DR位置高,,并產(chǎn)生中斷,。狀態(tài)寄存器中RX_P_NO位顯示數(shù)據(jù)是由哪個通道接收到的。
   (5)如果使能自動確認(rèn)信號,,則發(fā)送確認(rèn)信號,。
 (6)MCU設(shè)置CE腳為低,進(jìn)入待機模式I(低功耗模式),。
   (7)MCU將數(shù)據(jù)以合適的速率通過SPI口將數(shù)據(jù)讀出,。
    接收端工作流程圖如圖7所示。接收端還加入了3個復(fù)位開關(guān),,以便值班人員在識別到報警信息后,,按下開關(guān),輸入信號,,使MSP430單片機控制對LED燈,、蜂鳴器和屏幕的復(fù)位。

 

 

    本文采用MSP430F149低功耗單片機為主控芯片,,nRF24L01實現(xiàn)無線收發(fā)功能,,并搭配報警顯示電路設(shè)計了多對一的低功耗電梯呼叫系統(tǒng)。經(jīng)過實測,本系統(tǒng)性能穩(wěn)定,,抗干擾性好,。在電梯呼叫端個數(shù)控制在一定范圍內(nèi)時,誤碼率為零,,能夠有效地滿足實際應(yīng)用要求。
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