采用MC9S08QG8低端微控制器设计的无线控制器

      无线通信是人们现代日常生活的一部分，在办公室、学校或家庭等场所，都在接触无线通信设备，如笔记本电脑、打印机、摄像机、手持设备、照明控制器和家电设备等。这些设备的复杂程度与它们执行的任务类型有关，其中许多家庭自动化的无线应用采用小型微控制器和少量代码执行简单的任务，更加追求低成本、单一性和微型化。在目前众多的无线网络技术中，ZigBee技术作为一种新兴的无线网络技术，近两年在工业控制、消费电子等领域以及科研开发中得到了众多的关注和使用，而且越来越显示出它的强劲应用势头。ZigBee是一种低功耗、短距离和低速的无线网络技术，工作在2．4GHz国际免执照的频段，在IEEE标准上它和无线局域网、蓝牙同属802家族中的无线个人区域网络。

      通常的ZigBee无线控制器节点是以一个高端微控制器为核心，再配合无线收发器构成的。本文将设计一个新型的、低成本的、使用ZigBee无线技术的精简型无线控制器，比如用于空调遥控，整个目标应用板上的元器件极少，走线极少，体积极小。该设计只采用三个电子芯片：一个低端微控制器(MC9S08QG8)、一个RF收发器(MC13192)和一个16×2的LCD，其他需要的元器件为电阻和按键之类的无源器件。

      1 器件选择

      为了实现工业或家电无线控制应用低成本的目标，首要任务是选择合适的微控制器(MCU)和无线收发器。FREESCALE半导体公司(飞思卡尔，前身为Mo-torola半导体部)的各档微控制器在国内嵌入式控制领域获得了越来越多的应用。它最新推出的MC9S08QG低端微控制器系列，其处理内核、片上外围设备、节电功能和开发工具等，构成了成本、能源、效率敏感的控制应用的理想解决方案。采用MC9S08QGx微控制器系列，不仅开发的费用可明显减少，最终生产阶段的成本也可大幅下降。在开发阶段，一些高级调试功能，包括CodeWarrior全功能工具链和ProcessorExpert工具包等都是免费赠送的。在生产阶段，内部时钟源模块、模拟电路和E2PROM模拟则减少了对诸如晶振或谐振器、模拟比较器、串行E2PROM等外部器件的需求，否则这些外部器件都是印制电路板上必不可少的。

      本无线控制器设计的核心器件即选择FREESCALE该系列中的仅有16引脚的MC9S08QG8，它是采用高性能、低功耗的HCS08内核的飞思卡尔8位微控制器系列中具有很高的集成度的器件，内置8KB FLASH存储器，512 B RAM，SCI／SPI／IIC接口，8位模／数定时器模块，A／D模块等。MC9S08QG8 MCU集成了通常只有较大、较昂贵的元器件才具有的性能，包括背景调试系统以及可进行实时总线捕捉的内置在线仿真(ICE)功能，具有单线的调试及仿真接口(BDM)，还包括一个可编程的16位定时器／脉冲宽度调制(PWM)模块(TPM)，是同类产品中最灵活、又最经济的模块之一。

      另一个主要芯片为无线收发器，同样选择Frees-cale半导体公司的MCl3192，它是FREESCALE公司推出的符合ZigBee标准的新型射频芯片。其工作频率是2．405～2．480 GHz，该频带划分为16个信道，每个信道占用5 MHz的带宽；采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250Kb／s。MCl3192具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期。为了适应低功耗的要求，芯片除了接收、发送和空闲三种工作状态外，还有三种低功耗运行模式：

      掉电模式 此模式下芯片电流小于1μA；
      睡眠模式 此模式下电流在3μA左右；
      休眠模式 此模式下电流约为35μA。

      芯片采用可编程功率输出模式，发送功率为O～4 dBm，接收灵敏度可以达到-92 dBm，传输距离为30～70m。由于MC13192的低功耗特性以及SPI通信接口，它与MC9S08QG8微处理器配合用于解决电池供电设备的低电压、低功耗应用以及通信控制等，是十分适合的。至于其他外围器件则可选用通用的，比如液晶显示器使用16×2的字符型LCD，按键按最终的工艺要求配用，这部分的电路应用是成熟技术。

      2 无线控制器的总体构建

      基于前述主要器件的选择考虑，本文实现的无线控制器原理框图如图1所示。

      用来在收发器和微控制器之间交换数据的接口主要为串行外设接口(SPI)。微控制器MC9S08QG8通过SPI接口(4线)对MCl3192的内部寄存器进行读写操作，从而完成对MCl3192的控制和数据通信。该接口可以读写收发器的配置、状态和控制寄存器。SPI接口还可以读写位于收发器内部的RAM，用于通过RF发送和接收数据。另一个用于收发器和微控制器间通信的信号是中断请求(IRQ)信号。IRQ脚由收发器进行处理。当收发器的状态寄存器发生变化时，IRQ脚会产生下降沿跳变。IRQ产生后，微控制器要做的第一件事就是读取状态寄存器，确定产生中断的特定事件。

      微控制器MC9S08QG8通过通用I／O接口GPIO完成与液晶显示器和按键的连接，其中LCD数据线和按键输入线设计成多路分时复用的(共4线)，LCD的控制线由MCU单独提供(共3线)。

      BDM程序下载和在线调试仅占用MCU的单线1线，在设计之初是必须的，但当调试下载完成后，该引线也可当做普通I／O使用或备用。[page]

      3 硬件电路的具体设计

      根据前面器件选择和总体构建的考虑，本文完成的无线控制器具体设计电路如图2所示。其中MC9S08QG8微控制器(MCU)的大部分管脚具有多重功能，电路设计中，即以MC9S08QG8为核心，实现各种控制。