基于MSP430单片机的无线报警锁设计毕业设计.docx

1、基于MSP430单片机的无线报警锁设计毕业设计 前言近二三十年来，自动识别技术在全球范围内得到了迅猛的发展，初步形成了一个涵盖条码识别技术，射频设别技术，生物特征识别技术，图像识别技术以及磁识别技术等的计算机，光，电，通信和网络技术为一体的高技术学科。射频识别（RFID）技术作为一种先进自动识别技术，被认为是二十一世纪十大重要技术之一，在生产制造，销售流通，公共安全等领域有着广阔的应用前景。安全报警，作为RFID技术重要应用领域之一，也越来越得到到了人们的重视。本课题正是RFID技术在安全领域的一个具体应用。在本次毕业设计中，我主要使用单片机MSP430F2232以及射频芯片nRF905来实现

2、短距离的无线报警应用。以MSP430F2232为核心，利用nRF905进行数据的接收及发送。使用IAR集成开发平台编写软件代码，用protel99 SE 软件设计电路板图等。 第一章 绪论1.1 课题背景 射频识别（RFID）技术是今年来随着无线电技术和大规模集成电路的普及应用而出现的一项先进的自动识别和数据采集技术，使用RFID技术，可以利用无线电波对人，动物和货物等被识别对象进行高效率的自动识别。 RFID技术是一种工具技术，必须将其与特定的应用领域相结合，才能充分发挥其高效，自动化等优点。基于RFID技术的应用系统开发和实施部署涉及多学科、多领域的知识与方法，涉及信息、制造、材料、装备及

3、工艺等诸多前沿和高科技领域，涵盖的技术包括无线通信、计算机网络、控制理论、信息系统和管理科学等。现今，RFID技术已经成为众多领域广泛关注的一个焦点。 本次毕业设计课题正是基于以上所述而提出来的。1.2 无线射频识别技术概述1.2.1 RFID的基本概念 RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 RFID系统因应用不同，其组成也会有所不同，但基本都是由电子标签（tag)和阅读器（reader）两大部分组成。电子标签具有智能读写和加密通

4、信的功能，通过无线电波与读写设备进行数据交换。阅读器有时也称为查询器、读写器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路组成。阅读器可以将主机的读写命令传送到电子标签，再从主机发往电子标签的数据加密，然后将电子标签返回的数据解密后送到主机。 由上可见，为了完成RFID系统的主要功能，它必须有两个基本部分，即标签和阅读器。1.2.2 RFID发展历史 RFID技术的前身可以追溯到第二次世界大战期间，当时该技术被英军用于识别敌我双方的飞机。随后，在1948年出现了早期研究RFID的一篇具有里程碑意义的论文。后来，信息技术，如晶体管集成电路，微处理芯片，通信网络等新技术的发展，拉开了RF

5、ID技术的研究序幕。在20世纪60年代出现了一系列的RFID技术论文及专利文献。 RFID的应用于20世纪60年代应运而生，出现了商用RFID系统电子商品监视设备EAS。EAS被认为是RFID技术最早且最广泛应用于商业领域的系统。 20世纪70年代，RFID技术成为人们研究的热门课题，各机构都开始致力于RFID技术的开发。 20世纪80年代时充分利用RFID技术的10年。虽然世界各地开发者的方向有所不同，但是美国，法国，意大利，西班牙，挪威以及日本等国家都在不同程度，不同应用领域安装和使用了RFID系统。 20世纪90年代是RFID技术繁荣发展的10年，主要表现在美国大量的配置了电子收费系统。

6、借助于电子收费系统，出现了一些新功能的RFID技术。例如，一个电子标签可以具有多个账号，分别用于停车场管理，费用征收，保安系统以及社区管理。 RFID技术在我国也有了一定范围的应用。自1993年我国政府颁布了“金卡工程”计划以来，加速了我国国民经济信息化的进程。由此，各种射频识别技术的发展及应用十分迅猛。1.2.3 RFID的分类 1 根据标签的供电形式分类 在实际应用中，必须给标签供电它才能工作。根据标签获取电能方式的不同，可以把标签分为有源标签，无源标签和半有源标签。（1） 有源标签 内部自带电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送距离远。（2） 无源标签 内部不带电池，要靠外界

7、提供能量才能正常工。（3） 半有源标签 介于两者之间。2 根据标签的工作频率分类从应用概念来说，电子标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点之一。电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理，识别距离，还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF），相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M960MHz1.2.4 RFID的应用领域车辆自动识别治理:铁路车号自动识别是射频识别技术最普遍的应用。高速公路收费及智能交通系统:高速公路自动收费系统是射频识别

8、技术最成功的应用之一，它充分体现了非接触识别的优势。在车辆高速通过收费站的同时完成缴费，解决了交通的瓶颈问题，提高了车行速度，避免拥堵，提高了收费结算效率。货物的跟踪、治理及监控:射频识别技术为货物的跟踪、治理及监控提供了快捷、准确、自动化的手段。以射频识别技术为核心的集装箱自动识别，成为全球范围最大的货物跟踪治理应用。仓储、配送等物流环节:射频识别技术目前在仓储、配送等物流环节已有许多成功的应用。随着射频识别技术在开放的物流环节统一标准的研究开发，物流业将成为射频识别技术最大的受益行业。电子钱包、电子票证:射频识别卡是射频识别技术的一个主要应用。射频识别卡的功能相当于电子钱包，实现非现金结算

9、。目前主要的应用在交通方面。生产线产品加工过程自动控制:主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上，实现自动控制、监视，提高生产效率，节约成本。动物跟踪和治理:射频识别技术可用于动物跟踪。在大型养殖厂，可通过采用射频识别技术建立饲养档案、预防接种档案等，达到高效、自动化治理牲畜的目的，同时为食品安全提供了保障。射频识别技术还可用于信鸽比赛、赛马识别等，以准确测定到达时间。1.2.5 RFID的市场前景虽然RFID技术在应用中仍然存在一些问题，分析家们依然认为RFID具有巨大的市场潜力和广阔的发展空间。华尔街的分析师分析，RFID技术所独有的优势，最终将在全球形成一个巨大的产业，RFID技术市场将在

10、未来5年内达到数百亿美元的市场空间。据权威咨询机构研究报告称：到2010年全球RFID市场将达到3000亿美元。1.3 课题进展1查阅MSP430与nRF905相关资料，确定系统设计方案 2确定系统设计方案，完成系统框图和原理图设计 3使用PROTEL绘制原理图和电路版图。4完成电路调试及软件调试工作。5完善软硬件、完成系统调试。 6完成论文初稿。7修改论文准备答辩1.4 后话 由于本人能力水平有限，也缺乏实践经验。所以，这设计不能做到尽善尽美，需要老师和同学们多提出些意见。让我把这设计做得更好，更具实际生产性和应用性。第二章 芯片简介2.1 单片机芯片MSP430F2232 MSP430系列

11、单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。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。 目前MSP430系列有OPT型、 FLASH 型和ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于 FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 JTAG 调试接口，还有可电擦写的 FLASH 存储器，因此采用先下载程序到 FLASH 内，再在器

12、件内通过软件控制程序的运行，由 JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台 PC 机和一个 JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和 C 语言。1. MSP430F2232单片机基本特性 非常低的工作电源电压范围：1.8V到3.6V。本系统选择为3.3V。 十分低的功率消耗：Active mode下，1MHZ，2.2V，电流为270uA。 Standby mode下，0.7uA。 Off mode(RAM Retetion) 下，0.1uA。 极短的唤醒时间，典型时间为6us。 中央处理器CPU为16位。 内部CPU结构遵循精简指令集RI

13、SC设计（Reduced Instruction Set Computer)。 8KBFLASH+512BRAM存储器组织采用“冯.诺依曼”结构。它的程序存储器ROM和数据存储器RAM在同一地址空间，分配在0000FFFF范围内。 CPU内含有16个寄存器，分为4个特殊寄存器和12个普通寄存器。强大的时钟模块：低速晶体振荡器，高速晶体振荡器，DCO振荡器。这些时钟模块可以产生三个不同的时钟供不同的模块使用。具有4个8位IO端口，即32根IO线。其中P1和P2端口具有中断功能。 具有两个16位定时计数器Timer_A和Timer_B以及看门狗。 内带比较器模块，支持A/D转换，电压检测和外部模拟

14、信号的监控。 具有串行通信模块USART，该模块既可以作为UART使用，提供一部通信功能。也可以作为SPI使用，提供同步通信功能。 内带10位200kbps速度的ADC模块。2. 引脚功能 单片机MSP430F2232为38条引脚，TSSOP（Thin Shrink Small-Outline Package）方式封装。 元件管脚图如图所示图2.1 MSP430F2232芯片引脚说明从单片机MSP430F2232的管脚图可以看出，它的控制引脚主要来自I/O，这样做的目的是节省引脚数目，以达到减少芯片占用面积的目的。2.2 射频芯片nRF905 nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频发

15、射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM(Industrial Scientific Medical) 频段。nRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。 nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自

16、动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。1.芯片特点 低功耗ShockBurst工作模式 工作电源电压范围1.93.6V 多通道工作ETSI/FCC兼容 通道切换时间650us 无需外部SAW滤波器 输出功率可调至10dBm 传输前监听的载波检测协议 当正确的数据包被接收或发送时有数据准备就绪信号输出 侦测接收的数据包当地址正确输出地址匹配信号 数据包自动重发功能 低工作电流:TX下，在输出功率为-10dbm时典型值为11mA；RX下，典型值为12.5mA. 晶振有多种选择：4MHZ,8MHZ,12MHZ,16MHZ,20MHZ. 通信频道可编程选择：433MHZ,868M

17、HZ,915MHZ. 极少的材料消耗。 芯片自动产生前导码和CRC码。 毫米级尺寸绿色封装。 方便简洁的SPI接口编程配置。2.管脚图图2.2 nRF905芯片引脚说明3.芯片工作模式nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应

18、用中的平均电流消耗。在ShockBurst RX模式中，地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。在ShockBurst TX模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪DR信号通知MCU数据传输已经完成。总之，这意味着降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本，又同时缩短软件开发时间。芯片有以下几种工作模式（1）典型ShockBurst TX模式 当应用MCU有遥控数据节点时，接收节点的地址TX-address和有效数据TX-payload通过SPI接口传送给nRF905应用协议或MCU设置接口速度； MCU设置TRX_CE、TX

19、_EN为高来激活nRF905 ShockBurst传输； nRF905 ShockBurst：无线系统自动上电，数据包完成（加前导码和CRC校验码），数据包发送（100kbps，GFSK，曼切斯特编码）。 如果AUTO_RETRAN被设置为高nRF905将连续地发送数据包直到TRX_CE被设置为低； 当TRX_CE被设置为低时，nRF905结束数据传输并自动进入standby模式。（2）典型ShockBurst RX模式 通过设置TRX_CE高，TX_EN低来选择ShockBurst模式； 650us以后，nRF905监测空中的信息； 当nRF905发现和接收频率相同的载波时，载波检测CD被置

20、高； 当nRF905接收到有效的地址时，地址匹配AM被置高； 当nRF905接收到有效的数据包（CRC校验正确）时，nRF905去掉前导码、地址和CRC位，数据准备就绪（DR）被置高； MCU设置TRX_CE低，进入standby模式低电流模式； MCU可以以合适的速率通过SPI接口读出有效数据； 当所有的有效数据被读出后，nRF905将AM和DR置低； nRF905将准备进入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。（3）掉电模式powerdown 在掉电模式中，nRF905被禁止，电流消耗最小，典型值低于2.5uA。当进入这种模式时，nRF905是不活

21、动的状态。这时候平均电流消耗最小，电池使用寿命最长。在掉电模式中，配置字的内容保持不变。（4）STANDBY模式 Standby模式在保持电流消耗最小的同时保证最短的ShockBurstRX、ShockBurstTX的启动时间。当进入这种模式时，一部分晶体振荡器是活动的。电流消耗取决于晶体振荡器频率，如：当频率为4MHZ时，IDD=12uA；当频率为20MHZ 时，IDD=46uA。如果uPCLK（Pin3）被使能，电流消耗将增加。并且取决于负载电容和频率。在此模式中，配置字的内容保持不变。以上几种工作模式由芯片的TRX_CE,POW_UP以及TX_EN三个引脚决定。.2.3数据编码 在不同的

22、通信系统中，考虑到具体的实际应用，需要采取针对不同应用的数字基带信号编码。为了适合线路传输，应该正确地设计传输码型。数字基带信号码型可以考虑以下原则： 1.有利于提高系统的频带利用率 2.基带信号应具有足够大的定时信号供提取 3.接收端必须能正确解码。 4.具有在线误码检测功能。 一些常用的码型有：1 单极性码 。2 单极性归零码。 3 双极性码。 4 双极性归零码。 5 差分码。 6 数字双相码 7 CMI码 8密勒码 9 AMI码。在本次毕业设计中，对于单片机与射频芯片之间的数据传输基带信号，我采用的是曼彻斯特编码，速率为100kbps.曼彻斯特码 Manchester code (又称裂

23、相码、双向码），其编码规则很简单，在每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，0码和1码的相位正好相反。用电压跳变的相位不同来区分1和0，即用正的电压跳变表示0，用负的电压跳变表示1。因此，这种编码也称为自同步编码。三种编码示意图如下：图2.4 三种编码方式2.4 GFSK数据调制调制就是对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输的形式的过程。一般来说，信号源的信息（也称为信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输。这个信号叫做已调信号，而基带信号叫做调制信号。调制是通过改变

24、高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者（也称为信宿）处理和理解的过程。调制在通信系统中有十分重要的作用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于传播的已调信号，而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响，调制方式往往决定了一个通信系统的性能。 在通信中，我们常常采用的调制方式有以下几种：1.模拟调制：用连续变化的信号去调制一个高频正弦波主要有：(1).幅度调制（调幅AM，双边带调制DSBSC，单边带调幅SSBSC，残留边带调制V

25、SB以及独立边带ISB）； (2).角度调制（调频FM，调相PM）两种。因为相位的变化率就是频率，所以调相波和调频波是密切相关的； 2.数字调制：用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制主要有: (1).振幅键控ASK；(2).频率键控FSK；(3).相位键控PSK。3.脉冲调制：用脉冲序列作为载波主要有：(1).脉冲幅度调制（PAM：Pulse Amplitude Modulation）；(2).脉宽调制（PDM：Pulse Duration Modulation）；(3).脉位调制（PPM：Pulse Position Modulation）；(4).脉冲编码调制（PCM：Pulse Cod

26、e Modulation) 。 在本次毕业设计中，对于阅读器与电子标签之间的数据传输，我采用的是数字调制中的高斯频率键控调制GFSK，即是在FSK前加了一个高斯低通滤波器。在此，有必要对FSK作简要的说明。FSK（Frequency-shift keying）：频移键控。就是用数字信号去调制载波的频率。是信息传输中使用得较早的一种调制方式,它的主要优点是: 实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。它是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。图2.5 FSK调制示例第三章

27、系统硬件设计 在这次基于MSP430单片机的无线报警锁设计中，我主要以单片机MSP430F2232和nRF905为核心，外扩基本的电路单元，从而实现课题要求。单片机与射频芯片之间通过SPI接口进行通信，数据经射频芯片发送出去。阅读器和电子标签之间通过无线电波传送数据。系统框图如下所示。图3.1 系统框图3.1 系统硬件组成系统硬件电路包括：电源电路，单片机复位电路，晶振电路，电池电压检测电路，SPI接口电路，天线电路，阅读器显示电路，JTAG接口电路。3.2 系统电路设计3.2.1电源电路在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。直流电源的输入为220V，50HZ的电网电压（即市电）。

28、一般情况下，所需直流电压得数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。变压器副边电压有效值决定于后面电压的需要。目前主要有两种降压的方法，变压器降压和电容降压。但考虑到电容降压有一定的危险，因此，此次毕业设计我采用的是变压器降压的方式。 变压器副边电压通过整流电路由交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一的脉动电压。常见的整流电路有半波整流和全波整流电路之分，我在毕业设计中采用的是全波整流电路。同时，为了减小电压的脉动，需通过滤波电路进行滤波，使输出电压平滑。图3.2 直流电源方框图 根据以上所述，可以利用一些特定的电子元器件得到系统所需要的直流

29、电源，具体的供电电源如下。图3.3 直流电供应电路图 从上图可以得知：220V/50HZ市电从左侧进入，经过芯片MCP73831和芯片XC6201降压和稳压，最后得到MSP430F2232单片机所需要的电源电压VCC3.3V。3.2.2单片机复位电路 复位指的是单片机的初始化操作，当程序运行出错或操作错误使系统处于死循环时，也需要复位以重新启动机器。复位分为上电自动复位和按键手动复位两种方式。 对于MSP430F2232单片机来说，以下三种情况将产生POR复位信号： 系统开始上电时。 在复位模式下，RST/NMI管脚有一定时间长度的低电平。 当PORON=1时，电源电压监控模块SVS保持在低电

30、平。 以下种情况将产生PUC复位信号： 有POR信号产生时。 在看门狗模式下，看门狗定时长度溢出时。 Watchdog timer security key violation. A Flash memory security key violation. A CPU instruction fetch from the peripheral address range 0h-o1FFH. 单片机MSP430F2232的复位信号产生电路图如下所示：图3.4 复位信号产生示意图3.2.3 晶振电路 MSP43O系列单片机的时钟模块主要由高速晶体，低速晶体和数字控制振荡器（DCO）等器件构成。所产

31、生的时钟为：主系统时钟（MCLK），子系统时钟（SMCLK）和辅助时钟（ACLK）。由于时钟模块产生三个不同的时钟信号，这样可以采用不同的时钟从而达到低功耗的目的。 一般说来，系统的功耗和系统的工作频率成正比关系，这样可以在低功耗应用的情况下选用低速晶体。如果系统对运算要求比较高，则可以选用高速晶体产生较高的主系统时钟提供给CPU，以满足运算要求。如果对系统的实时性要求比较高，则可以采用ACLK时钟。总的来说，应根据不同的应用来选择适当的时钟。 MSP430F2232单片机的基本晶振电路如下:图3.5 基本晶振电路图 在本次毕业设计中，运用到了频率为32KHZ外部晶体振荡即我们常见的手表晶体振荡器，作为软RTC的时钟；应用MSP430内部的RC振荡器产生的8MHz作为系统主时钟。图3.6 外部晶振电路图3.2.4电池电压检测电路众所周知，任何电子设备都是需要有能量供应的。为了保证系统的正常工作，有时候必需得外加电源检测电路。为了获取标签电池电压