（通信与信息系统专业论文）餐饮业无线管理系统终端部分的设计与实现.pdf

摘要 随着科学技术的飞速发展，电子产业的迅速兴起，通信领域发展出了许多先 进技术。以无线通信为代表的先进技术不断得到广泛应用，无线摇控、无线数据 传输、无线报警、家庭自动化等，各类应用不断出现，越来越贴近我们的日常生 活，为我们的生活带来了各种便利。其中无线数据传输将消息的传递由最早的口 头和书面传递，经有线的数据传递演变到今天，以电磁波的形式在空中进行传输， 在节约硬件资源的同时大大提高了数据传输的效率，因此越来越受到人们的青 睐。基于无线数据传输的各类通信网络系统，作为一个重要部分得到了广泛的应 用，餐饮业无线管理系统就是典型应用之一，它结合了无线通信网络快速高效的 信息交换和通用计算机强大的分析和处理能力两方面优点，有效的提高了餐饮酒 店的服务效率和质量，市场前景广阔。 本论文是商用餐饮业无线管理系统的一部分。该项目的整体任务是研制和开 发一套基于i s m 频段简易无线局域网的数据传输和处理系统。本人主要完成无 线网络整体框架的设计，以及基于该网络的手持终端设备各项功能的具体实现， 主要包括用户操作界面、无线数据传输两大部分。软件用户界面响应用户的操作 控制，完成用户信息的组织和对终端设备的控制，经由无线传输部分与上位机进 行数据交互。上述两部分相结合共同完成星形网络的信息传递和设备管理。 在论文工作期间，各硬件和软件模块均已顺利完成，并通过了系统测试。目 前这套系统已经能够进行实地环境的使用。 关键词： 无线通信，i s m ，餐饮业无线管理系统，终端 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h ee l e c t r o n i c si n d u s t r y c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y h a s g r e a td e v e l o p m e n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya st h er e p r e s e n t a t i v eo fa d v a n c e dt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di no u rd a i l y l i f e ：w i r e l e s sr e m o t ec o n t r o l ，w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，w i r e l e s sa l a m h o m e a u t o m a t i o n ，a n ds oo n a l lt h e s ea p p l i c a t i o n sb r o u g h tu sc o n v e n i e n c ea r eb e c o m i n g m o r ea n dm o r ec l o s et oo u rd a i l yl i f e a m o n gt h e m ，w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nh a s c h a n g e dt h ef o r mo fd a t at r a n s m i s s i o nf r o mt h ee a r l i e s to r a la n dw r i t t e nt r a n s m i s s i o n a n dt h ed a t at r a n s m i s s i o nv i ac a b l et ot h et r a n s m i s s i o ni nt h ef o r mo f e l e c t r o m a g n e t i c w a v e s i tc a ns a v eh a r d w a r er e s o u r c e sa n dg r e a t l y i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd a t a t r a n s m i s s i o n ，a n dh a sb e e na c c e p t e db ym o r ea n dm o r ep e o p l e w i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o nn e t w o r ka sa ni m p o r t a n t p a r to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a s b e e nu s e di nm a n yf i e l d t h ew i r e l e s sn e t w o r kf o rf o o ds e r v i c ei n d u s t r ym a n a g e m e n t i so n eo ft h e s ea p p l i c a t i o n s ，w h i c hc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c o ff a s ta n dh i g h e f f i c i e n c yo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h ep o w e r f u la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g c a p a b i l i t i e s o fc o m p u t e r t h e r e f o r e ，i tc a nm a k e t h ef o o ds e r v i c e i n d u s t r y m a n a g e m e n tm o r ee f f i c i e n c y t h i sp a p e ri sp a r to ft h ed e s i g no ft h ew i r e l e s sn e t w o r kf o rf o o ds e r v i c ei n d u s t r y m a n a g e m e n t o u rt a s ki st or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tas i m p l ew i r e l e s sl a nb a s e d o ni s mb a n df o rt h i s m a n a g e m e n ts y s t e m i nt h i sp a p e rid e s i g n e dt h em a i n f r a m e w o r ko ft h ew i r e l e s sn e t w o r ka n dt h et e r m i n a l e q u i p m e n to ft h ew i r e l e s s n e t w o r k t h et e r m i n a le q u i p m e n ti n c l u d e sl c d u s e ri n t e r f a c ea n dt h ew i r e l e s sd a t a t r a n s m i s s i o n ：s o f t w a r eu s e ri n t e r f a c er e s p o n s et ot h eu s e r sm a n u a lc o n t r o l ，p r o c e s s t h ed a t ai n p u tb yt h eu s e r ，c o n t r o lt h et e r m i n a l e q u i p m e n t ，a n dt r a n s m i tt h ed a t a p a c k e tt h r o u g ht h ew i r e l e s sn e t w o r k c o m b i n et h et w op a r t st o g e t h e rt h es y s t e mc a n i m p l e m e n tt h ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h em a n a g e m e n to ft h en e t w o r k t i l ln o w ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l e sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l vc o m p l e t e d a n dp a s s e dt h et e s t a tp r e s e n tt h e s y s t e mh a sb e e na b l et ou s ei nt h ea c t u a l e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i s m ，w i r e i e s sn e t w o r kf o rf o o ds e r v i c e i n d u s t r ym a n a g e m e n t t e r m i n a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鲞盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：漂赦乡冲 签字日期：翮年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：瀑书嘲 导师签名： 签字日期：砌形年6 月弓日 孤量 签字日期：i 伊睁易月年日 第一章绪论 1 1 无线通信的概念 第一章绪论 无线电波是指在自由空间( 包括空气和真空) 传播的电磁波，它处于一个有 限的频带范围，上限频率在3 0 0 g h z ，下线频率较不统一，在各种射频规范书中 常见的有三种：3 k 3 0 0 g h z ( i t u 一国际电信联盟规定) ，9 k h z 3 0 0 k h z ， 1 0 k h z - 3 0 0 g h z 。所谓无线通信，指通过无线电波传输信息，其原理在于导体 中电流的强度的改变能够产生无线电波，通过调制可将信息加载于无线电波上， 当电波通过空间传输到达收信端，电波引起的磁场变化又会在导体中产生电流， 通过解调可以将信息从电流变化中提取出来，这样就达到了信息传输的目的。 1 2 无线通信的先进技术及其应用 随着科学技术的飞速发展，电子产业的迅速兴起，无线通信领域发展出了许 多先进技术，其中比较引人注目的有无线局域网( w i f i ) 、红外、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、 z i g b e e 、r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，射频识别技术) 等。它们以其固 有的成本低，功耗低等优势获得了广泛的应用。举例来说：无线局域网为便携式 计算机等可移动设备进行快速网络连接提供了支持；根据红外技术发明出了夜视 仪( 探测人体热量，红外线成像) 、测距仪( 以红外线作为载波的一种测量距离 的精密仪器) ；蓝牙技术实现了各种便携设备无线连接组成个人局域网；z i g b e e 加速了楼宇网络控制的广泛使用；r f i d 为构建更加便利的消费环境和提升物流 管理效率做出了贡献 无线技术给人们带来的影响是无可争议的，其影响范围是巨大的，并且还在 持续。无线通信技术的使用者每天都在增多，而且形式各异，种类繁多，在生活 的各个方面为我们提供便利。餐饮业无线管理系统就是这样一种应用，它在很大 程度上提高了餐饮业的服务效率，必将成为餐饮服务行业的一大亮点。 1 3 项目背景 本文以商用餐饮业无线管理系统为项目背景，目的在于研制出一套基于无线 第一章绪论 网络数据传输的餐饮业管理系统。 该项目所要研发出的产品，主要是在实现市场上现有无线点菜系统功能的基 础上对其进行进一步的功能扩展。相比现有产品，本设计将黑白液晶显示屏替换 为t f t 彩色液晶显示屏，界面更加美观；同时对片外存储器进行扩展，提供了 更大的存储空间进行用户数据的存取；此外还添加了r f i d 数据输入的功能，提 高了数据录入的效率。 在这个项目中，本人主要负责以下部分的工作： 1 、构建系统框架； 2 、完成终端部分硬件电路的设计； 3 、实现无线点菜器终端部分需要的各类本地功能； 4 、构建简易无线局域网，实现网络传输协议。 2 第二章商用餐饮业无线管理系统概述 第二章商用餐饮业无线管理系统概述 中国是举世闻名的美食大国，拥有五千年的饮食文化和巨大的餐饮市场，随 着人民生活水平和生活方式的转变，餐饮业具有巨大的投资市场，被称为中国的 黄金产业，但餐饮行业具有菜品多样、价格多变、折扣灵活以及报表需求复杂多 样等行业特点。并且随着消费业务量的不断增大，内部人员的增加，靠以往手工 的管理手段进行管理，己不能适应企业的发展。这样就迫切需要一个高效率的管 理方式来引导餐饮行业的发展。 餐饮业无线点菜管理系统采用目前先进的掌上电脑和无线局域网技术，实现 与计算机收银管理系统进行无线数据交换，做到从点菜、操作间配菜、加菜、退 菜、催菜、换菜到顾客结账的全过程自动化，不但极大地提高了点菜与结账的效 率，还可详尽地统计出菜式消费情况、营业收入情况、员工考核情况等重要的企 业运营数据并生成报表，从根本上解决了餐饮业的现金管理问题、账务错漏问题、 退、改菜处理问题、结账优惠问题等。系统的多级管理权限同时也解决了经营数 据保密问题，实现分权限打印报表功能。该系统可使经营者从烦琐的杂务中解脱 出来，集中精力去制定经营发展决策，从而使企业获得更好的经济效益和竞争力。 该系统的应用，无疑将提升企业的服务质量和品牌优势。 使用该系统的最大优点是快速便捷，比传统的手工点菜及结账方式快5 到1 0 倍，各岗位员工可快速通过计算机网络得到数据做出即时反应。系统的另一特点 是安全准确。事实上，各掌上电脑发送菜单后即与管理系统的数据是并存的，任 何一方私自修改数据必暴露无遗，这种系统双重数据保存模式，有效地防止错漏 及作弊事件的发生。系统丰富的报表为企业提供了良好的经营管理环境，给经营 者对市场需求的分析、预测提供了可靠的数据资料。 2 1 系统组成 本系统使用4 3 3 m h zi s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ，工业、科学和医 学) 频段微功率无线收发设备构成简易无线局域网系统。i s m 频段是国际上( 我 国亦然) 专门为工业、科学和医学应用而划定的频段，范围为4 0 2 至9 1 5 m h z 。 工作在该频段的无线收发设备当其发射功率满足一定限制，即属于微功率设备或 s r d ( s h o ar a n g ed e v i c e ) 时，不需要向国家有关部门进行申请即可自由使用。 所谓“简易无线局域网”是指该局域网结构简单，采用星形网络结构，是一个一 第二章商用餐饮业无线管理系统概述 点对多点的通信系统，因此网络通信协议相对简单，可自行规定，而没有必要遵 循国内或国际规定的无线局域网的有关标准。为了方便理解这里先介绍几个基本 概念： 上位机：指的是通用计算机( p c 机) ； 基站：指的是具有无线收发功能的数据转发设备，通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接 口与上位机进行连接，并进行数据通信； 手持终端：指的是服务员手中使用的无线点菜器设备，具有本地数据编辑、 资料查询和无线数据收发等功能。 餐饮业无线管理系统主要由以下部分组成： 一方面，从硬件设施上来讲，该系统需要一台或多台上位机，一台或多台基 站，每台基站与一台上位机相连，每台基站通过无线网络管理数十台终端设备。 此外，还需要一台电脑用于汇总全部营业信息，它通过网络路由连接到其他所有 上位机上，该部分由厂商直接提供，不属于本项目研究范围。 另一方面，从软件实现上来讲主要分为：上位机餐饮业管理软件以及相应数 据库，上位机数据库与基站间位于上位机的软件接v i 程序由( 采用d e l p h i 语言 编写) ，基站端的数据转发程序，终端本地功能和数据收发程序。 整个系统按照星形网络结构进行组织，上位机与基站连接组成该系统的核 心，从而实现一台基站与多台终端，单点对多点的通信。系统正常启动后，由基 站向各终端发送系统消息、数据和指令等，同时也接受管辖范围内所有终端编辑 并发送来的数据，通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口传输给上位机进行存储和处理。系 统上层管理软件在上位机中运行，管理所需要的人机对话依赖p c 机键盘和显示 器完成。 2 2 系统硬件组成 本项目设计的硬件结构主要分为基站和终端两大部分( 如图2 1 ) 。 基站部分： 主要由微控制器，无线收发模块，r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口，电源管理电路组 成。整个无线管理系统由多台基站组成，每台基站工作需要一台上位机进行控制， 多台上位机通过网络路由器连接到用于汇总的上位机。 终端部分： 主要包括微控制器，无线收发模块，t f t 彩色显示屏，f l a s h 存储器，按键 阵列，r f i d 模块，蜂鸣器和电源管理电路。 基站部分硬件框图如图2 2 所示。终端部分硬件框图如图2 3 所示。 4 第二章商用餐饮业无线管理系统概述 龟：_ 尚一一 白。o 白国 图2 - 系统组成 圈2 - 2 基站部分硬件框图 图2 - 3 终端部分硬件框图 5 队时8 氏町 h 吲 第二章商用餐饮业无线管理系统概述 2 3 系统软件组成 系统正常运行需要以两大部分的软件为基础： ( 1 ) 基站及上位机部分 上位机餐饮业管理软件以及相应数据库由厂商提供，无需修改，主要完成对 无线传输的各类信息的识别和处理，通过数据库文件与基站端上位机部分的软件 接口相连。 基站端上位机软件接口程序主要完成基站底层硬件上传数据的存储( 对数据 库文件进行操作) ，以及经上位机管理软件处理后产生的信息到基站底层硬件的 下载。 基站端底层数据收发程序主要包括与上位机的串口通信和无线数据收发。 ( 2 ) 终端部分 除必要的无线收发功能以外，软件所要实现的本地功能主要包括：用户界面 显示；按键操作，主要完成界面跳转以及按键输入，按键输入又包括数字、英文 和汉字拼音输入法；r f i d 数据录入；各类餐饮服务所需数据的打包处理；用户 数据的本地存取；电源管理以及开、关机、按键音的播放等等。 整个系统正常运作需要各部分软硬件协调工作，其中任何一个环节出现问题 都有可能影响整个网络的正常工作，因此，在设计过程中需要充分考虑各种复杂 情况，并增加相应的处理，以保证产品能在实际环境中正常使用。 第三章终端硬件结构的设计与实现 第三章终端硬件结构的设计与实现 在进行硬件设计之前，首先要对硬件需求有明确的了解，根据厂商提供的系 统设计要求，总结终端硬件需求如下： 1 、键盘接口：需要提供l8 键的按键输入，为服务员提供各种输入法下的数 据手动录入，同时提供对硬件的配置调整和手持设备的开机、关机操作。 2 、r f i d 模块接口：通过通用串口与r f i d 模块进行通信，实现菜品等数据 的快速录入。 3 、无线数据传输模块：将服务员在终端本地编辑好的数据通过无线形式发 送，并且接收基站发送的各类消息或命令。 4 、本地存储器：用于存储点菜系统运行时所需要的各类数据，包括用户界 面的图像信息、输入法和显示汉字库( 汉字点阵) 和用户需要的菜品数 据等等，此外也用作操作过程中的数据缓冲和点菜机配置的保存。 5 、显示屏接口：用户界面需要在t f t 彩屏上进行显示。 6 、蜂鸣器驱动：用于开机、关机的铃声提示以及按键音提示。 7 、电源管理电路：终端子系统使用的各个模块采用不同供电，可开关，以 达到手持设备节约用电的目的。 点菜器终端硬件的设计还要在提供上述全部功能的基础上，尽可能的节约资 源，这里主要包括无线频率资源，手持设备的电池电量，以及各功能模块与主控 制器之间连接所使用的管脚资源。 3 1 选型 终端硬件设计过程中，无线收发模块的选型至关重要，因为无线收发器的性 能是直接影响整个无线网络性能的重要因素，它的性能越好，越是高效，网络协 议就越简单，无线管理网络的性能就会越好。 此外，微控制器是整个终端各功能模块协调工作的控制核心，片上外设越多， 处理速度越快，功耗越低就越能符合手持终端设备的实际要求。 除微控制器和无线收发模块外，其他功能模块的选择必须要以微控制器为基 础，根据微控制器资源条件合理的做出选择，从而充分发挥各部分功能。 下面详细介绍各部分采用芯片或模块的选择。 第三章终端硬件结构的设计与实现 3 1 1 无线收发模块1 l 无线通信技术不断发展，在这基础上生产出的具有无线收发能力的专用无线 收发器芯片也种类繁多，功能各异，考虑到系统的实际需求，我们将4 3 3 m h z 下的串行和打包处理两种无线收发芯片和新兴起的2 4 g h zz i g b e e 处理芯片列为 备选。 z i g b e e 是一种短距离、低功耗的无线通信技术名称，使用的是2 4 g h z 的i s m 频段进行通信。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、短延时、高 容量、高安全、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种 设备。其应用领域主要包括： 口家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动 控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等； 口工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制； 口商业：智慧型标签等： 口公共场所：烟雾探测器等； 口农业控制：收集各种土壤信息和气候信息； 口医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。 由以上特点可见，z i g b e e 在短距离低功耗无线通信方面有很多的优点，但是 考虑到餐饮业无线管理系统的实际应用环境可能比较复杂，而2 4 g h z 波段在复 杂的室内环境下电磁波的绕射效果不佳，通信质量无法保证，相比之下4 3 3 m h z 频段的电磁波穿透能力强，而且相应的无线收发器成本更低，故在选型的过程中 不与考虑。 这样就需要在t i 生产的4 3 3 m h z 下的c c l l 0 0 和c c l 0 2 0 之中选择一种更符 合要求的供系统使用。c c l0 2 0 与c c l1 0 0 两款芯片都是t i 生产的超低功耗射频 收发器，二者应用范围基本相同，均涉及无线抄表、无线电子消费产品、远程登 录、低功耗遥感堪测、住宅和建筑自动控制、无线报警和安全系统、工业检测和 控制和无线传感器网络等方面的应用。但两款芯片自身特点略有不同，在无线信 号调制方面，c c l 0 2 0 属于窄带调制，在同样的数据传输速率的前提下占用的无 线频率资源比c c l1 0 0 少，同时c c l 0 2 0 还具有灵敏度高的优点，在同样的传输 速率下一般与c c i1 0 0 相差2 3 d b m ，同时它属于串行数据传输，与之相比 c c l1 0 0 虽然有以上不足，但是提供了其他很多功能方便使用，例如，c c l1 0 0 是打包处理的无线收发器，芯片内部自带6 4 字节的发送和接收f i f o 作为数据 缓冲，可选的地址滤波和硬件c r c 校验，支持a s k 、o o k 、2 - f s k 、g f s k 和 m s k 多种调制方式，并提供数据包连接质量指示和信道载波监听等功能，很大 8 第三章终端硬件结构的设计与实现 程度上降低了处理器的工作量，因此系统最终选用c c l1 0 0 为核心的无线收发模 块。 3 1 2 其他功能模块 除无线收发这一必备功能以外，终端还需要实现许多除无线通信外的本地功 能，因此还需要其他部分的硬件支持。 ( 1 ) 液晶显示模块 液晶是一种具有规则性分子排列的有机化合物，它既不是固体也不是液体， 而是界于固态和液态之间的物质。液晶具有电光效应和偏光特性，这是它能用于 显示的主要原因。常用的液晶显示器可分为三类，分别是扭曲向列型( t w i s t e d n e m a t i c ，简称 i n ) 、超扭曲向列型( s u p e rt w i s t e dn e m a t i c ，简称s t n ) 和彩 色薄膜型( t h i nf i l mt r a n s i s t o r s ，简称t f t ) 。 由于系统需要，即显示模块将用于显示用户编程定义的图像，必须采用全点 阵图形液晶显示器。市场上现有的按键式点菜器均使用黑白全点阵液晶显示器模 块，为改善其像素点较大，一定面积下显示内容有限且不够美观的缺点，本系统 设计过程中以2 6 万色t f t 彩屏替代，选用1 7 6 2 2 0 点阵彩屏，选取通用系统接 口的t f t 彩屏显示模块，方便微处理器对t f t 彩屏驱动芯片进行控制，从这一 点看，相比彩屏显示专用的r g b 接口，可以有效的减少微控制器对信号的处理 和控制。 ( 2 ) r f i d 模块 本产品使用r f i d 模块的目的是为服务员提供一种更加快速有效录入菜品数 据的途径，将菜品与r f i d 卡片的卡号进行一一对应后，通过扫描即可录入相应 菜品，这种功能的使用是对现有按键式点菜器的升级。由于录入菜品的过程中仍 需要支持传统的按键录入，因此要求r f i d 录入菜品数据的过程对于微控制器来 讲是被动的，因此在选择r f i d 模块的时候主要选用了能以中断方式触发控制器 接收数据的类型。此外，考虑到r f i d 卡片的成本，选用只读的l c 卡片，因为 可读可写的卡片不但价格更高，而且系统中也没有使用的必要。 ( 3 ) 外部存储器 对于外部存储器容量的需求是根据系统使用者，即用户店面规模及菜品数据 量而定的。在本系统中升级现在广泛使用的1 m b 的f l a s h 到2 m b ，以适应更多 的用户，在成本上不会有太多提高。但是，由于一般的微处理器的管脚有限，对 应2 m b 的存储器的地址线和数据线不能一一对应连接，故还需要使用锁存器芯 片实现控制器管脚的复用，从而合理使用控制器资源。 ( 4 )蜂鸣器 9 第三章终端硬件结构的设计与实现 蜂鸣器利用压电陶瓷片的压电效应发声，有有源和无源的差别以及电磁式和 压电式的差别。 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的主要差别为： 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的根本区别是产品对输入信号的要求不一样：有源 蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为v d c 、v d d 等。其内部有一简单 的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从而产生交变的磁 场，带动膜片振动发音，一般加电源就可以响。无源蜂鸣器工作的理想信号为方 波，即为交流驱动，发音的音调根据输入方波信号的频率而定。如果给予直流信 号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，膜片不能振动发音， 压电式蜂鸣器与电磁式蜂鸣器的主要差别为： 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳 等组成。当接通电源后( 1 5 1 5 v 直流工作电压) ，多谐振荡器起振，输出1 5 2 5 k h z 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器由振荡器、 电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号 电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作 用下，周期性地振动发声。 由于系统采用蜂鸣器的目的为播放铃声等，必须采用可以发出各种音调的蜂 鸣器，因此首先选定无源式蜂鸣器，加之成本、体积等各种因素后最终确定使用 电磁式无源蜂鸣器。 ( 5 )电源管理 作为手持设备节约电池电量是必须的，因此就要求各模块在不工作的时候可 以断电或要求其进入到低功耗模式，此外手持设备的一大特点就是开、关机，开 机系统加电，关机断电，这就需要开、关可控的电源转换芯片。最终选择m i c r e l 公司的m i c 5 2 0 5 ( l b 3 3 ) 芯片实现电池供电到系统工作电压的转化。 3 1 3 微控制烈2 1 基于手持终端设备供电的特点，终端微控制器的功耗必须尽可能的小，因此 需要从性能和功耗两方面考虑，综合选择合适的微控制器。在借鉴了现有产品的 基础上，选定t i 生产的超低功耗单片机系列。 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t i ) 推出的一种1 6 位超低功耗的混合 信号处理器( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) ，称之为混合信号处理器主要是由于其针 对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以 提供“单片”解决方案。 其主要特点有： 1 0 第三章终端硬件结构的设计与实现 1 、超低功耗 m s p 4 3 0 系列单片机的电源采用1 8 - 3 6 v 低电压，r a m 数据保持方式下耗 电仅0 1 心，活动模式耗电2 5 0 w m i p s ( m i p s ：每秒百万条指令数) ，i o 输入 端口的漏电流最大仅5 0 n a 。 m s p 4 3 0 单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时 钟系统和锁频环( f l l 和f l l + ) 时钟系统或d c o 数字振荡时钟系统。由时钟 系统产生c p u 和各功能模块所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打 开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的功能模块不同， 即采用不同的工作模式，芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有一种活动模式 ( a m ) 和5 种低功耗模式( l p m o l p m 4 ) 。 另外，m s p 4 3 0 系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意 嵌套。用中断请求将c p u 唤醒只需要6 p s ，通过合理编程，既可降低系统功耗， 又可以对外部事件请求做出快速响应。 2 、强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机是1 6 位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的 精简指令集( r i s c ) 结构，一个时钟周期可以执行一条指令，使m s p 4 3 0 在8 m h z 晶振工作时，指令速度可以达到8 m i p s 。同时，m s p 4 3 0 系列单片机中的某些型 号，采用了一般只有d s p 中才有的1 6 位多功能硬件乘法器，硬件乘一加( 积之 和) 功能、d m a 等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能 力，可以有效的实现一些数字信号处理的算法。 3 、高性能模拟技术及丰富的片上外设 m s p 4 3 0 系列单片机结合t l 的高性能模拟技术，各成员都集成了丰富的片内 外设，视型号不同可能组合有以下功能模块：看门狗( w d t ) ，模拟比较器a ， 定时器a ( t i m e ra ) ，定时器b ( t i m e rb ) ，串口0 、l ( u s a r t o 、1 ) ，硬件乘 法器，液晶驱动器，1 0 位1 2 1 4 位a d c ，1 2 位d a c ，1 2 c 总线，直接数据存取 ( d m a ) ，端口1 6 ( p i p 6 ) ，基本定时器( b a s i ct i m e r ) 等。 m s p 4 3 0 系列单片机的丰富片内外设，在目前所有的单片机系列产品中是非 常突出的，为系统的单片机解决方案提供了极大的方便。 4 、系统工作稳定 上电复位后，首先由d c oc l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置开始执 行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的 控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作c p u 时钟m c l k 时 发生故障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作。这种结构和运行机制，在 目前各系列单片机中是绝无仅有的。另外，m s p 4 3 0 系列单片机均为工业级器件， 第三章终端硬件结构的设计与实现 运行环境温度为4 0 + 8 5 0 c ，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民 用和工业环境。 5 、方便高效的开发环境 市场上现在使用最多的是f l a s h 型的m s p 4 3 0 ，这一类型具有十分方便的开 发环境，因为器件内部有j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，因此 采用先通过j t a g 接口下载程序到f l a s h 内，再由j t a g 接口控制程序运行、读 取片内c p u 状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发( 编译、调 试) 都可以再同一个软件集成环境中进行。这种方式只需要一台p c 机和一个 j t a g 调试器，而不需要专用的仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和c 语言。 目前较好的软件开发工具是i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 。这种以f l a s h 技术、j t a g 调试、集成开发环境结合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点。另外，t i 公司还推出了b o o t s t r a p 技术，利用它可再保密熔丝烧断以后，只要几根硬 件连线，通过软件口令字( 密码) ，就可以更改并运行内部的程序，这为系统固 件的升级提供了又一方便的手段。b o o t s t r a p 具有很高的保密性，口令字可达 3 2 个字节长度。 总结以上m s p 4 3 0 的特点，选择最易实现设计目标且性价比高、货源充足的 机型，最终选定m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列单片机作为手持终端的控制器芯片，其价格低 廉，使用灵活能够充分满足系统需求。 3 2 硬件电路设计实现 3 2 1 微控制器及外围电路 ( 一) m s p 4 3 0 f 14 9 介绍【2 】【3 】【4 】【5 】 根据系统要求，选用m s p 4 3 0 f 1 4 9 处理器，它是m s p 4 3 0 系列单片机f l a s h 系列中的一款，属于无l c d 驱动系列产品，性价比高，使用方式灵活，控制简 单。m s p 4 3 0 f 1 4 9 型单片机引脚说明如图3 1 所示，内部结构如图3 2 所示。 该芯片特点总结如下： 口低电源电压范围：1 8 - - 3 6 v 口超低功耗： 2 5 衅 4 k h z ，2 2 v 2 8 0 w 1 m h z ，2 2 v 口5 种节电模式： 等待方式1 6 r t a 第三章终端硬件结构的设计与实现 r a m 保持的节电方式0 1 衅 口从等待方式唤醒时间小于6 a s 口1 6 位r i s c 结构，1 2 5 n s 指令周期 口基本时钟模块配置： 高速晶体( 最高8 m h z ) 低速晶体( 3 2 7 6 8 h z ) 数字控制r c 振荡器d c o 口配合外部器件可构成单斜边a d 转换器 口1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 转换器，自带采样保持 口内部温度传感器 口具有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra ，t i m e rb 口两通道串行通信接口可用于异步或同步( u a r t s p i ) 模式 口6 个8 位并行端口，且2 个8 位端口具有中断能力 口硬件乘法器 口多达6 0 k bf l a s hr o m 和2 k br a m 口串行在线编程 口保密熔丝的程序代码保护 v 图3 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 管脚说明 1 3 p 54 燕l c l k p 5 u c l k l p 5 2 ，s o m i ， p 51 ，s l m 0 1 p 5 。，s t e l p 47 疗b a k p 46 ，r 8 6 p 45 仃b 5 p 44 厂t b 4 p 43 厂t b 3 p 4 - 2 ，t b 2 p 4 1 几- b p 4 0 玎b 0 p 37 邶r ) ( 【) 1 p 3 酎u t x d l p 35 ，u r x d 0 第三章终端硬件结构的设计与实现 图3 - 2m s p 4 3 0 f 1 4 x 内部结构 ( - - )外围电路设计 在这里，控制器外围电路主要介绍时钟和复位电路，其他相关部分会在后面 的章节进行详细介绍。 l 、时钟 单片机各部分有条不紊地自动工作，实际上是在其系统时钟的作用下，由控 制器指挥芯片内各个部件自动协调工作，使内部逻辑硬件产生各种操作所需的脉 冲信号而实现的。时钟信号是定时操作的基本信号。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的基础时钟模块有3 个时钟输入源： 口l f x t ic l k 低频时钟源 口x t 2 c l k 高频时钟源 口d c o c l k 数字控制r c 振荡器 基础时钟模块可提供三种时钟信号的输出： a c l k 辅助时钟：a c l k 是l f x t ic l k 信号经1 、2 、4 、8 分频后得到的。 a c l k 可由软件选作各个外围模块的时钟信号，一般用于低速外设。 m c l k 系统主时钟：m c l k 可由软件选择来自l f x t l c l k 、x t 2 c l k 、 d c o c l k 三者之一，然后经1 、2 、4 、8 分频得到。m c l k 主要用于c p u 和系 统工作。 s m c l k 子系统时钟：可由软件选择来自x t 2 c l k 和d c o c l k ，经l 、2 、 4 、8 分频得到。s m c l k 主要用于高速外围模块。 1 4 第三章终端硬件结构的设计与实现 系统设计由于要对彩屏进行操作，因此控制器主频需要尽可能高，故选用 8 m h z 高频晶振作为x t 2 ，使控制器工作在8 m h z 的主频上，此外由于外设需要、 秒级定时和低功耗的需要，同时还需使用低频3 2 7 6 8 h z 晶振。晶振的连接十分 简单无需过多的外围器件。 2 、复位电路 r s t 小m i - = f 图3 3 复位电路 上图为单片机复位电路，只有保证单片机复位能够有效进行，才能保证程序 从定义的位置开始运行，这对手持设备十分重要。因为，如果复位电路设计有误， 在关机断电后系统将会经历一段较长的放电时间，单片机不能很快的进行有效的 复位，这种情况将会导致每次关机操作之后会需要很长一段时间放电，之后才能 重新开机，执行指定位置的程序。如图所示r 3 8 的阻值是经过实际测试决定的。 3 2 2 无线收发模块6 】 7 】【8 】 系统采用以c c i10 0 无线收发器为核心的无线收发模块。首先对c c l10 0 进 行简单介绍。 c c l 0 0 是t ic h i p c o n 推出的一款单片、低成本、低功耗的射频无线收发器， 专为低功耗无线应用而设计。该射频收发器主要工作在315 m h z 、4 3 3 m h z 、 8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 的i s m ( 工业、科学和医学) 和s r d ( 短距离设备) 频率波 段，也可通过软件编程设置频率波段3 0 0 m h z - - 3 4 8 m h z 、4 0 0 m h z - - 4 6 4 m h z 和 8 0 0 m h z - - 9 2 8 m h z 。c c i10 0 内部还集成了一个高度可配置的调制解调器，该调 制解调器支持不同的调制方式，其数据传输率最高可达5 0 0 k b p s 。此外，c 1 1 0 0 还能为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、空白信道评估、连接质量指示和 第三章终端硬件结构的设计与实现 无线信号唤醒提供硬件支持。 c c llo o 适用于a m r 一自动仪表读数、电子消费产品、r k e 一两路远程无键 接入、低功耗遥感勘测、住宅和建筑自动控制、无线报警和安全系统、工业检测 和控制以及无线传感器网络等应用领域。 c c l l 0 0 的主要特性有： 口体积小( q l p 4 x 4 m m 封装，2 0 脚) 口真正的单片u h fr f 收发器 口频率波段：3 0 0 3 4 8 m h z 、4 0 0 - - - 4 6 4 m h z 和8 0 0 9 2 8 m h z 口高灵敏度( 1 2 k b p s 下一1 1 0 d b m ，l 数据包差错率) 口可编程控制的数据传输速率，可达5 0 0 k b p s 口较低的电流消耗( 接收过程中1 5 6 m a ，2 4 k b p s ，4 3 3 m h z ) 口可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+ 1 0 d b m 口优秀的接收器选择性和模块化性能 口极少的外部元件：芯片内部频率合成器，无需外部滤波器和r f 转换 口可编程控制的基带调制解调器 口理想的多路操作特性 口可控的数据包处理硬件 口快速的频率合成器，适用于调频系统 口可选的前向纠错编码，用于传输过程中出现差错的纠正 口独立的6 4 字节的发送和接收f i f o 数据缓冲区 口高效的s p i 接口：所有的寄存器配置可由一次批量数据传输完成 口数字r s s i ( 接收信号能量的一种指示) 输出 口遵照e n3 0 02 2 0 ( 欧洲) 和f c cc f r 4 7p a n l 5 ( 美国) 两种