基于CC2540片上系統(tǒng)電子臺(tái)簽的研究

潘天德+柳延?xùn)|+吳繼軍

摘要：本系統(tǒng)采用基于BLE4.0技術(shù)的CC2540芯片，設(shè)計(jì)了一種基于該技術(shù)的電子臺(tái)簽方案。方案給出了無(wú)線通信模塊，點(diǎn)陣顯示模塊的硬件架構(gòu)，并根據(jù)該架構(gòu)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的外圍電路，濾波電路以及巴倫匹配電路。實(shí)驗(yàn)表明，該方案穩(wěn)定性、可靠性較強(qiáng)，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性及內(nèi)容顯示的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：BLE4.0；點(diǎn)陣；CC2540；電子臺(tái)簽

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）04-0227-02

近些年來(lái)，隨著科技的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的電子臺(tái)簽設(shè)計(jì)也日新月異，由紙質(zhì)化向電子、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)。目前采用新科技設(shè)計(jì)的電子臺(tái)簽主要使用wifi網(wǎng)絡(luò)版，紅外遙控版，串口傳輸或者USB口傳輸版等，紙質(zhì)臺(tái)簽正逐步退出歷史的舞臺(tái)。

上述提到的電子臺(tái)簽設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，總是有或多或少的局限性。為了使電子臺(tái)簽有更好的用戶體驗(yàn)，更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，筆者對(duì)電子臺(tái)簽提出了一種全新的設(shè)計(jì)方案——基于CC2540片上系統(tǒng)的電子臺(tái)簽設(shè)計(jì)。

基于CC2540片上系統(tǒng)的電子臺(tái)簽設(shè)計(jì)，是根據(jù)當(dāng)前我國(guó)推行的節(jié)能前排，無(wú)紙化辦公中應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物。它可以實(shí)現(xiàn)桌面臺(tái)簽的電子化，摒棄以往用紙打印臺(tái)簽的方式，節(jié)約了資源，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，具有較高的實(shí)用意義，經(jīng)濟(jì)效益，市場(chǎng)前景可觀。

1 CC2540概述

CC2540是TI公司推出的最新一代兼容藍(lán)牙4.0技術(shù)，支持BLE協(xié)議的SOC芯片，其內(nèi)部集成了經(jīng)典的單片機(jī)內(nèi)核8051，2.4GHZ高性能射頻收發(fā)器，256KB Flash存儲(chǔ)器以及8KB RAM 。其片內(nèi)資源主要包括：1個(gè)16位通用定時(shí)器及2個(gè)8位通用定時(shí)器，2個(gè)通用異步收發(fā)器，1個(gè)32KHZ休眠定時(shí)器，1個(gè)有效位為12的ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換，21個(gè)IO口；具有5種工作模式，集成AES-128安全協(xié)做處理器、高性能比較器、精確的數(shù)據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)（RSSI）、功能強(qiáng)大的5通道直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）；在外部中斷模式和發(fā)送模式下，電流耗損分別為0.4mA和24mA。CC2540與TI的低功耗BLE協(xié)議棧相結(jié)合，已成為市場(chǎng)上普遍的選擇，據(jù)此提出的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，也是多種多樣，應(yīng)用前景極為廣闊。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，各模塊集成在一起實(shí)現(xiàn)不同的功能，具體包含三個(gè)模塊：主控模塊，無(wú)線通訊模塊，顯示模塊。主控模塊采用C8051內(nèi)核控制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線通訊模塊，顯示模塊的調(diào)用、控制具體功能；無(wú)線通訊模塊采用CC2540片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，CC2540片上系統(tǒng)集成的低功耗藍(lán)牙技術(shù)（BLE4.0）是本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Led點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)CC2540芯片連接相應(yīng)的外圍電路，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊功能，具體的電路包括：時(shí)序電路、電源電路、天線、通訊接口等；顯示模塊采用點(diǎn)陣實(shí)現(xiàn)內(nèi)容顯示功能，考慮到電子臺(tái)簽的應(yīng)用場(chǎng)景一般是會(huì)議室，因此顯示屏的選擇不能像LCD1602、LCD12864那么小，也不能選24*24的大尺寸點(diǎn)陣，綜合考慮本設(shè)計(jì)方案最終選用16*24的點(diǎn)陣作為內(nèi)容的終端顯示。

3硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，但并非真正意義上的把各模塊獨(dú)立開來(lái)，單獨(dú)設(shè)計(jì)電路，而是選擇了集成了8051內(nèi)核結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的CC2540芯片進(jìn)行片上系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)核心電路由CC2540 芯片構(gòu)建，由于CC2540集成了8051內(nèi)核、指令系統(tǒng)以及藍(lán)牙通訊模塊，因此極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，省去了MCU與無(wú)線收發(fā)芯片之間的電路接口設(shè)計(jì)，縮短了研發(fā)周期，同時(shí)系統(tǒng)可靠性也能夠進(jìn)一步增強(qiáng)，電路原理圖如圖1所示。為了提高電路的穩(wěn)定性，減少電流毛刺對(duì)天線電路的影響，本系統(tǒng)的電源濾波電路采用TI公司提供的濾波電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇高性能的去耦電容進(jìn)行濾波，從而提高了抗干擾能力，CC2540的I/O口也能夠得到充分的利用，片上系統(tǒng)的外擴(kuò)能力進(jìn)一步提高。CC2540工作時(shí)涉及兩個(gè)時(shí)序電路，一個(gè)由32MHZ的晶振提供時(shí)鐘頻率用于無(wú)線收發(fā)功能；另一個(gè)由32.768MHZ的晶振為系統(tǒng)休眠時(shí)提供時(shí)鐘頻率。晶振的負(fù)載電容分別采用經(jīng)典值12pF，15pF。天線電路的設(shè)計(jì)關(guān)乎無(wú)線通信功能的成敗，因此選擇巴倫匹配電路設(shè)計(jì)，如圖1中所示。同時(shí)，為了提高發(fā)射、接收性能，選擇全尺寸的倒F（IFA）天線設(shè)計(jì)。終端顯示電路，采用16*24的點(diǎn)陣連接設(shè)計(jì)，選用74HC138和74HC959作為行、列驅(qū)動(dòng)芯片。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

4軟件設(shè)計(jì)

4.1無(wú)線通訊部分的實(shí)現(xiàn)

無(wú)線通訊部分的設(shè)計(jì)，是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容無(wú)線傳輸?shù)年P(guān)鍵，它主要由CC2540配合外圍電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，即藍(lán)牙4.0技術(shù)通信。我們可以通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備與CC2540組成的片上系統(tǒng)建立鏈接通信，最終實(shí)現(xiàn)電子臺(tái)簽顯示的內(nèi)容實(shí)時(shí)隨意更新。

本系統(tǒng)的無(wú)線通信電路部分默認(rèn)工作于從機(jī)模式，對(duì)外廣播數(shù)據(jù)，等待主機(jī)設(shè)備連接。若模塊和遠(yuǎn)端設(shè)備（本系統(tǒng)選用移動(dòng)電話作為遠(yuǎn)端設(shè)備）連接上，用戶可設(shè)置移動(dòng)設(shè)備上的藍(lán)牙鏈接與CC2540片上系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)鏈路，將要顯示的內(nèi)容傳輸?shù)狡舷到y(tǒng)上，系統(tǒng)再通過(guò)調(diào)用16*24的點(diǎn)陣顯示出來(lái)。如果模塊不處于連接狀態(tài)，用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)將被丟棄。實(shí)現(xiàn)該模塊功能的部分程序代碼如下所示：

[連接相關(guān)指令A(yù)T+ISCON —— 查詢當(dāng)前模塊是否處于連接狀態(tài)：＼&指令＼&應(yīng)答＼&參數(shù)＼&AT+ ISCON＼&OK+ ISCON：para＼&Para：Y，N

Y：處于連接狀態(tài)

N：處于非連接狀態(tài)＼&AT+DISCON ——斷開連接：＼&指令＼&應(yīng)答＼&參數(shù)＼&查詢：AT+DISCON＼&OK+DISCON＼&無(wú)＼&AT+CLEAR ——清除模塊配對(duì)信息：＼&指令＼&應(yīng)答＼&參數(shù)＼&AT+CLEAR ＼&OK+CLEAR ＼&無(wú)（清除成功連接過(guò)的設(shè)備地址信息＼&AT+RADD ——查詢成功連接過(guò)的遠(yuǎn)程主機(jī)地址：＼&指令＼&應(yīng)答＼&參數(shù)＼&AT+RADD＼&OK+RADD：para＼&Para：藍(lán)牙設(shè)備MAC地址＼&AT+SAVE？ ——查詢/設(shè)置模塊成功連接后是否保存連接地址：＼&指令＼&應(yīng)答＼&參數(shù)＼&查詢：AT+SAVE？＼&OK+GET：para＼&Para：Y，N

Y：保存

N：不保存

默認(rèn)para=Y＼&設(shè)置：AT+SAVE[para]＼&OK+SET：para＼&]

在程序中輸入上述相關(guān)指令即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，需要注意的是，如果用戶希望電子臺(tái)簽每次上電的時(shí)候，顯示的不是上次鏈接輸入的信息，在程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)需先執(zhí)行AT+CLEAR清除掉上次的地址，然后執(zhí)行AT+SAVE[N]。這樣電子臺(tái)簽上電視都會(huì)廣播數(shù)據(jù)，搜索要鏈接的設(shè)備。

4.2顯示部分的實(shí)現(xiàn)

從硬件設(shè)計(jì)部分我們可以看到，只需在CC2540外加點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)線路然后鏈接16*24點(diǎn)陣顯示屏即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)容顯示。因?yàn)镃C2540上集成了8051MCU的內(nèi)核，因此不需要再額外增加單片機(jī)8051線路或者其他控制芯片的線路，只需按實(shí)際要求鏈接好外圍芯片鏈路，然后直接編程驅(qū)動(dòng)即可。這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不但成本得到很好的控制，功耗也大大降低，有助于本設(shè)計(jì)的市場(chǎng)推廣。

本部分的實(shí)現(xiàn)由CC2540芯片控制，系統(tǒng)上電后，程序先檢查是否有新的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)來(lái)，如果有，則清除原緩存內(nèi)容，接收新的內(nèi)容，然后調(diào)用點(diǎn)陣顯示；如果沒(méi)有新的數(shù)據(jù)進(jìn)入，則顯示原來(lái)存儲(chǔ)的內(nèi)容。其主要程序流程如圖2所示：

5結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)CC2540片上系統(tǒng)提出了桌面臺(tái)簽電子化的實(shí)施方案，并對(duì)這一方案涉及的點(diǎn)陣顯示技術(shù)、短距離無(wú)線通技術(shù)（BLE4.0）、單片機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了主、從設(shè)備之間的藍(lán)牙無(wú)線通信和點(diǎn)陣內(nèi)容顯示，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方案的軟、硬件設(shè)計(jì)是有效的，主從設(shè)備之間的信號(hào)傳輸穩(wěn)定，點(diǎn)陣顯示沒(méi)有閃屏、跳屏等現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

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