文獻標識碼: A
文章編號： 0258-7998(2013)09-0077-04
隨著電子技術的發展，電梯在生活中已經有了很廣泛的使用[1-2]。當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來求救。常用的電梯呼叫系統是有線電話呼叫系統，但是由于其布線復雜和維修不便等問題，在實際應用中受到很大的限制[3-5]。
本文設計了一種低功耗電梯呼叫系統的設計方案，其采用MSP430為控制核心，nRF24L01為無線收發模塊核心芯片，并配以相應的輸入模塊和報警顯示模塊。該系統具有高穩定性、低功耗和高抗干擾性等優點。
1 系統設計方案
本系統由若干個發送端和一個接收端組成，發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公司的無線收發芯片nRF24L01實現無線收發功能，在發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信號的直觀顯示。系統結構框圖如圖1所示。
圖1中，每一部電梯中都安裝一個發送模塊，其中，電梯內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，配以復位電路對報警顯示模塊進行復位。
2 硬件電路設計
本系統設計為一個“多對一”系統，即由若干個系統發送端和一個系統接收端組成。每一部電梯內安裝一個發送端，而接收端只需要在值班室安裝一個。系統硬件由供電電路、輸入模塊、MSP430主控模塊、無線收發模塊、報警顯示模塊和復位模塊這幾個部分組成。其中輸入模塊是由安裝在電梯內部的按鈕構成，復位模塊的功能由對應的按鈕完成。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，故本系統中采用兩節5號干電池提供3.4 V電壓并配以穩壓芯片LM1117即可正常工作。供電電路如圖2所示。
2.2 MSP430主控模塊
系統主控模塊主要是由MSP430F149低功耗單片機來實現。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內核的12位A/D轉換器ADC12、轉換存儲邏輯、內部參考電平發生器、多種時鐘源、采樣及轉換時序電路。有8個外通道，4個內通道,高達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，用于存儲采集數據。
2.3無線收發模塊
本設計中無線收發功能主要依靠nRF24L01來實現，nRF24L01是一款2.4 GHz的無線單片收發芯片。主要特性：GFSK調制；硬件集成OSI鏈路層；具有自動應答和自動再發射功能;片內自動生成報頭和CRC校驗碼;數據傳輸率為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計主要是MSP430單片機與nRF24L01模塊的連接電路。本設計中，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
在本系統中,電梯內系統發送端發出的求救信號由值班室系統接收端接收后，需要將信號顯示，以便值班人員及時處理。在此處，設計一個蜂鳴器和LED指示燈，當系統接收端接收到相應的信號時，控制蜂鳴器發出蜂鳴，LED指示燈閃爍。為了更直觀地顯示接收到的信號，系統還設計了將接收端接收到的信號傳給屏幕進行顯示。
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轉換電平。轉換電路如圖4所示。
3 系統軟件設計
系統的發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，需要先對單片機進行初始化，停止看門狗，設置時鐘頻率，電源上電復位。單片機MSP430與PC通過串口連接,要根據UART協議來編程。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的狀態機構和運行標志初始化成復位狀態，選擇字符以8位發送。
主控單片機控制nRF24L01是通過配置其寄存器來實現的，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。
當按鈕按下時，啟動配置PTX，數據進行預設格式編碼后，開啟發送。編碼后的一幀數據共占9 B，幀格式如圖6所示。
其中，幀頭采用0x14、0x6F，占用2 B，標志著一幀數據的開始，也即接收端識別到0x14、0x6F時，將識別接收的數據為有效數據，這樣可以一定程度地去除亂碼的干擾。
設備號，占1 B，用來區分對傳感器的哪個電橋進行操作。
電梯號，占1 B，用來存放發送端的號碼，以供接收端識別接收的數據具體是哪個號碼的發送端發送的數據，這樣能識別發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送端所處的樓層，也即發出呼叫求救信息的電梯所處的樓層，這樣接收端能夠準確地定位發送端的具體位置。
校驗值字，占用兩個字節，為了提高無線通信的準確度和抗干擾性。
幀尾，占用2 B，標志一幀數據的結束，固定為0xeb,0x90。
發送端將nRF24L01配置為增強型的ShockBurstTM發送模式，在該模式下，只要MCU有數據要發送，nRF24L01就會啟動ShockBurstTM模式來發送數據。在發送完數據后nRF24L01轉到接收模式并等待終端的應答信號。如果沒有收到應答信號，nRF24L01將重發相同的數據包，直到收到應答信號或重發次數超過SETUP_RETR_ ARC寄存器中設置的值為止，如果重發次數超過了設定值，則產生MAX_RT中斷。
3.2 系統接收端
系統接收端安裝在值班室，本系統只需要一個系統接收端。接收端的MSP430主控模塊通過配置無線收發芯片nRF24L01的寄存器，使其總是處于接收模式，以便隨時接收發送端發送的信息。接收端在接收到發送端有效的信息后，主控單片機對信息進行解碼，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模式下的數據通道的自動應答功能是由EN_AA寄存器來使能的，有效數據寬度是由RX_PW_Px寄存器來設置的。
(2)接收模式由設置CE為高來啟動。
(3)130 μs后nRF24L01開始檢測空中信息。
(4)接收到有效的數據包后(地址匹配、CRC檢驗正確)，數據存儲在RX_FIFO中，同時RX_DR位置高，并產生中斷。狀態寄存器中RX_P_NO位顯示數據是由哪個通道接收到的。
(5)如果使能自動確認信號，則發送確認信號。
(6)MCU設置CE腳為低，進入待機模式I（低功耗模式）。
(7)MCU將數據以合適的速率通過SPI口將數據讀出。
接收端工作流程圖如圖7所示。接收端還加入了3個復位開關，以便值班人員在識別到報警信息后，按下開關，輸入信號，使MSP430單片機控制對LED燈、蜂鳴器和屏幕的復位。
本文采用MSP430F149低功耗單片機為主控芯片，nRF24L01實現無線收發功能，并搭配報警顯示電路設計了多對一的低功耗電梯呼叫系統。經過實測，本系統性能穩定，抗干擾性好。在電梯呼叫端個數控制在一定范圍內時，誤碼率為零，能夠有效地滿足實際應用要求。
參考文獻
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