隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電梯在生活中已經(jīng)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(tǒng)來求救。常用的電梯呼叫系統(tǒng)是有線電話呼叫系統(tǒng)，但是由于其布線復(fù)雜和維修不便等問題，在實際應(yīng)用中受到很大的限制[3-5]。

    本文設(shè)計了一種低功耗電梯呼叫系統(tǒng)的設(shè)計方案，其采用MSP430為控制核心，nRF24L01為無線收發(fā)模塊核心芯片，并配以相應(yīng)的輸入模塊和報警顯示模塊。該系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、低功耗和高抗干擾性等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)設(shè)計方案
    本系統(tǒng)由若干個發(fā)送端和一個接收端組成，發(fā)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(fā)芯片nRF24L01實現(xiàn)無線收發(fā)功能，在發(fā)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(xiàn)信號的直觀顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    圖1中，每一部電梯中都安裝一個發(fā)送模塊，其中，電梯內(nèi)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(fù)位電路對報警顯示模塊進行復(fù)位。
2 硬件電路設(shè)計
    本系統(tǒng)設(shè)計為一個“多對一”系統(tǒng)，即由若干個系統(tǒng)發(fā)送端和一個系統(tǒng)接收端組成。每一部電梯內(nèi)安裝一個發(fā)送端，而接收端只需要在值班室安裝一個。系統(tǒng)硬件由供電電路、輸入模塊、MSP430主控模塊、無線收發(fā)模塊、報警顯示模塊和復(fù)位模塊這幾個部分組成。其中輸入模塊是由安裝在電梯內(nèi)部的按鈕構(gòu)成，復(fù)位模塊的功能由對應(yīng)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(tǒng)中采用兩節(jié)5號干電池提供3.4 V電壓并配以穩(wěn)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(tǒng)主控模塊主要是由MSP430F149低功耗單片機來實現(xiàn)。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(nèi)核的12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12、轉(zhuǎn)換存儲邏輯、內(nèi)部參考電平發(fā)生器、多種時鐘源、采樣及轉(zhuǎn)換時序電路。有8個外通道，4個內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)。
2.3無線收發(fā)模塊
    本設(shè)計中無線收發(fā)功能主要依靠nRF24L01來實現(xiàn)，nRF24L01是一款2.4 GHz的無線單片收發(fā)芯片。主要特性：GFSK調(diào)制；硬件集成OSI鏈路層；具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能;片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼;數(shù)據(jù)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(shè)計主要是MSP430單片機與nRF24L01模塊的連接電路。本設(shè)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(tǒng)中,電梯內(nèi)系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)出的求救信號由值班室系統(tǒng)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(shè)計一個蜂鳴器和LED指示燈，當系統(tǒng)接收端接收到相應(yīng)的信號時，控制蜂鳴器發(fā)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(tǒng)還設(shè)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(zhuǎn)換電平。轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的發(fā)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(shè)置時鐘頻率，電源上電復(fù)位。單片機MSP430與PC通過串口連接,要根據(jù)UART協(xié)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(tài)機構(gòu)和運行標志初始化成復(fù)位狀態(tài)，選擇字符以8位發(fā)送。
    主控單片機控制nRF24L01是通過配置其寄存器來實現(xiàn)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(shù)據(jù)進行預(yù)設(shè)格式編碼后，開啟發(fā)送。編碼后的一幀數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的開始，也即接收端識別到0x14、0x6F時，將識別接收的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，這樣可以一定程度地去除亂碼的干擾。
   設(shè)備號，占1 B，用來區(qū)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(fā)送端的號碼，以供接收端識別接收的數(shù)據(jù)具體是哪個號碼的發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣能識別發(fā)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(fā)送端所處的樓層，也即發(fā)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(fā)送端的具體位置。
    校驗值字，占用兩個字節(jié)，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(shù)據(jù)的結(jié)束，固定為0xeb,0x90。
    發(fā)送端將nRF24L01配置為增強型的ShockBurstTM發(fā)送模式，在該模式下，只要MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送，nRF24L01就會啟動ShockBurstTM模式來發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送完數(shù)據(jù)后nRF24L01轉(zhuǎn)到接收模式并等待終端的應(yīng)答信號。如果沒有收到應(yīng)答信號，nRF24L01將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直到收到應(yīng)答信號或重發(fā)次數(shù)超過SETUP_RETR_ ARC寄存器中設(shè)置的值為止，如果重發(fā)次數(shù)超過了設(shè)定值，則產(chǎn)生MAX_RT中斷。
3.2 系統(tǒng)接收端
    系統(tǒng)接收端安裝在值班室，本系統(tǒng)只需要一個系統(tǒng)接收端。接收端的MSP430主控模塊通過配置無線收發(fā)芯片nRF24L01的寄存器，使其總是處于接收模式，以便隨時接收發(fā)送端發(fā)送的信息。接收端在接收到發(fā)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(fā)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(shè)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(shù)據(jù)通道的自動應(yīng)答功能是由EN_AA寄存器來使能的，有效數(shù)據(jù)寬度是由RX_PW_Px寄存器來設(shè)置的。
    (2)接收模式由設(shè)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(shù)據(jù)包后(地址匹配、CRC檢驗正確)，數(shù)據(jù)存儲在RX_FIFO中，同時RX_DR位置高，并產(chǎn)生中斷。狀態(tài)寄存器中RX_P_NO位顯示數(shù)據(jù)是由哪個通道接收到的。
   (5)如果使能自動確認信號，則發(fā)送確認信號。
　(6)MCU設(shè)置CE腳為低，進入待機模式I（低功耗模式）。
   (7)MCU將數(shù)據(jù)以合適的速率通過SPI口將數(shù)據(jù)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(fù)位開關(guān)，以便值班人員在識別到報警信息后，按下開關(guān)，輸入信號，使MSP430單片機控制對LED燈、蜂鳴器和屏幕的復(fù)位。

    本文采用MSP430F149低功耗單片機為主控芯片，nRF24L01實現(xiàn)無線收發(fā)功能，并搭配報警顯示電路設(shè)計了多對一的低功耗電梯呼叫系統(tǒng)。經(jīng)過實測，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，抗干擾性好。在電梯呼叫端個數(shù)控制在一定范圍內(nèi)時，誤碼率為零，能夠有效地滿足實際應(yīng)用要求。
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