基于CC2540片上系统电子台签的研究
2016-04-11潘天德柳延东吴继军
潘天德+柳延东+吴继军
摘要：本系统采用基于BLE4.0技术的CC2540芯片，设计了一种基于该技术的电子台签方案。方案给出了无线通信模块，点阵显示模块的硬件架构，并根据该架构设计了相应的外围电路，滤波电路以及巴伦匹配电路。实验表明，该方案稳定性、可靠性较强，能够保证数据传输的正确性及内容显示的稳定性，验证了设计方案的可行性。
关键词：BLE4.0；点阵；CC2540；电子台签
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）04-0227-02
近些年来，随着科技的迅猛发展，传统的电子台签设计也日新月异，由纸质化向电子、网络化发展的趋势。目前采用新科技设计的电子台签主要使用wifi网络版，红外遥控版，串口传输或者USB口传输版等，纸质台签正逐步退出历史的舞台。
上述提到的电子台签设计，在实际应用环境中，总是有或多或少的局限性。为了使电子台签有更好的用户体验，更广阔的应用场景，笔者对电子台签提出了一种全新的设计方案——基于CC2540片上系统的电子台签设计。
基于CC2540片上系统的电子台签设计，是根据当前我国推行的节能前排，无纸化办公中应运而生的产物。它可以实现桌面台签的电子化，摒弃以往用纸打印台签的方式，节约了资源，实现循环使用，符合当前经济的发展需求，具有较高的实用意义，经济效益，市场前景可观。
1 CC2540概述
CC2540是TI公司推出的最新一代兼容蓝牙4.0技术，支持BLE协议的SOC芯片，其内部集成了经典的单片机内核8051，2.4GHZ高性能射频收发器，256KB Flash存储器以及8KB RAM 。其片内资源主要包括：1个16位通用定时器及2个8位通用定时器，2个通用异步收发器，1个32KHZ休眠定时器，1个有效位为12的ADC模/数转换，21个IO口；具有5种工作模式，集成AES-128安全协做处理器、高性能比较器、精确的数据接收信号强度检测（RSSI）、功能强大的5通道直接内存访问（DMA）；在外部中断模式和发送模式下，电流耗损分别为0.4mA和24mA。CC2540与TI的低功耗BLE协议栈相结合，已成为市场上普遍的选择，据此提出的产品设计方案，也是多种多样，应用前景极为广阔。
2 系统结构
本系统采用模块化设计思想进行设计，各模块集成在一起实现不同的功能，具体包含三个模块：主控模块，无线通讯模块，显示模块。主控模块采用C8051内核控制实现，通过对其编程实现对无线通讯模块，显示模块的调用、控制具体功能；无线通讯模块采用CC2540片上系统实现，CC2540片上系统集成的低功耗蓝牙技术（BLE4.0）是本设计实现Led点阵显示数据实时更新的关键。通过对CC2540芯片连接相应的外围电路，实现无线通讯功能，具体的电路包括：时序电路、电源电路、天线、通讯接口等；显示模块采用点阵实现内容显示功能，考虑到电子台签的应用场景一般是会议室，因此显示屏的选择不能像LCD1602、LCD12864那么小，也不能选24*24的大尺寸点阵，综合考虑本设计方案最终选用16*24的点阵作为内容的终端显示。
3硬件电路设计
本系统采用模块化设计，但并非真正意义上的把各模块独立开来，单独设计电路，而是选择了集成了8051内核结构和指令系统的CC2540芯片进行片上系统电路设计。
系统核心电路由CC2540 芯片构建，由于CC2540集成了8051内核、指令系统以及蓝牙通讯模块，因此极大地简化了电路设计的复杂度，省去了MCU与无线收发芯片之间的电路接口设计，缩短了研发周期，同时系统可靠性也能够进一步增强，电路原理图如图1所示。为了提高电路的稳定性，减少电流毛刺对天线电路的影响，本系统的电源滤波电路采用TI公司提供的滤波电路进行设计，选择高性能的去耦电容进行滤波，从而提高了抗干扰能力，CC2540的I/O口也能够得到充分的利用，片上系统的外扩能力进一步提高。CC2540工作时涉及两个时序电路，一个由32MHZ的晶振提供时钟频率用于无线收发功能；另一个由32.768MHZ的晶振为系统休眠时提供时钟频率。晶振的负载电容分别采用经典值12pF，15pF。天线电路的设计关乎无线通信功能的成败，因此选择巴伦匹配电路设计，如图1中所示。同时，为了提高发射、接收性能，选择全尺寸的倒F（IFA）天线设计。终端显示电路，采用16*24的点阵连接设计，选用74HC138和74HC959作为行、列驱动芯片。
4软件设计
4.1无线通讯部分的实现
无线通讯部分的设计，是本系统实现内容无线传输的关键，它主要由CC2540配合外围电路设计实现无线通信，即蓝牙4.0技术通信。我们可以通过蓝牙设备与CC2540组成的片上系统建立链接通信，最终实现电子台签显示的内容实时随意更新。
本系统的无线通信电路部分默认工作于从机模式，对外广播数据，等待主机设备连接。若模块和远端设备（本系统选用移动电话作为远端设备）连接上，用户可设置移动设备上的蓝牙链接与CC2540片上系统建立数据链路，将要显示的内容传输到片上系统上，系统再通过调用16*24的点阵显示出来。如果模块不处于连接状态，用户发送的数据将被丢弃。实现该模块功能的部分程序代码如下所示：
[连接相关指令AT+ISCON —— 查询当前模块是否处于连接状态：＼&指令＼&应答＼&参数＼&AT+ ISCON＼&OK+ ISCON：para＼&Para：Y，N
Y：处于连接状态
N：处于非连接状态＼&AT+DISCON ——断开连接：＼&指令＼&应答＼&参数＼&查询：AT+DISCON＼&OK+DISCON＼&无＼&AT+CLEAR ——清除模块配对信息：＼&指令＼&应答＼&参数＼&AT+CLEAR ＼&OK+CLEAR ＼&无（清除成功连接过的设备地址信息＼&AT+RADD ——查询成功连接过的远程主机地址：＼&指令＼&应答＼&参数＼&AT+RADD＼&OK+RADD：para＼&Para：蓝牙设备MAC地址＼&AT+SAVE？ ——查询/设置模块成功连接后是否保存连接地址：＼&指令＼&应答＼&参数＼&查询：AT+SAVE？＼&OK+GET：para＼&Para：Y，N
Y：保存
N：不保存
默认para=Y＼&设置：AT+SAVE[para]＼&OK+SET：para＼&]
在程序中输入上述相关指令即可实现对应的功能，需要注意的是，如果用户希望电子台签每次上电的时候，显示的不是上次链接输入的信息，在程序设计实现时需先执行AT+CLEAR清除掉上次的地址，然后执行AT+SAVE[N]。这样电子台签上电视都会广播数据，搜索要链接的设备。
4.2显示部分的实现
从硬件设计部分我们可以看到，只需在CC2540外加点阵驱动线路然后链接16*24点阵显示屏即可实现内容显示。因为CC2540上集成了8051MCU的内核，因此不需要再额外增加单片机8051线路或者其他控制芯片的线路，只需按实际要求链接好外围芯片链路，然后直接编程驱动即可。这样的系统设计不但成本得到很好的控制，功耗也大大降低，有助于本设计的市场推广。
本部分的实现由CC2540芯片控制，系统上电后，程序先检查是否有新的数据传输过来，如果有，则清除原缓存内容，接收新的内容，然后调用点阵显示；如果没有新的数据进入，则显示原来存储的内容。其主要程序流程如图2所示：
5结束语
本文针对CC2540片上系统提出了桌面台签电子化的实施方案，并对这一方案涉及的点阵显示技术、短距离无线通技术（BLE4.0）、单片机控制技术进行了实验研究，据此实现了主、从设备之间的蓝牙无线通信和点阵内容显示，并进行了实验验证。实验数据表明，该方案的软、硬件设计是有效的，主从设备之间的信号传输稳定，点阵显示没有闪屏、跳屏等现象，系统运行稳定，达到了预期的设计要求。
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