基于ARM Cortex-M0無線控制器

郭昕剛, 胡 朗

(長春工業大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

近年來，隨著傳統有線網絡搭建成本過高以及使用局限性問題，使得無線技術及其設備得到了快速地發展。無線網絡及傳感器技術已經成為人類日常生活中必不可少的一部分[1-2]。無線通信設備內部結構的復雜程度取決于它們要完成的功能，在家庭生活中，低成本、單一功能的微控制器應用更加廣泛[3]。本設計基于ARM Cortex-M0無線控制器，采用廉價的M0516芯片為系統核心控制器，通過WiFi模塊和手機終端之間的數據傳輸，核心控制器接收手機終端發出指令,完成對繼電器控制[4]。

1 系統的總體設計

系統的總體設計思路是以M0516作為硬件系統的控制核心，通過接收手機客戶端發出的指令控制繼電器的動作。這里使用了RAK-410 WiFi集成模塊接收手機發出的指令，其系統結構如圖1所示。

圖1 無線控制器系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 WiFi通信模塊的設計

WiFi通信模塊作為MCU模塊和手機終端的連接點，在本設計中具有重要的作用。系統的無線模塊采用RAK-410集成WiFi模塊，它具有如下主要特征：

1)支持URAT、SPI模式，內部具有TCP/IP協議棧；

2)支持IEEE 802.11b/g/n 無線協議，并且封裝體積小，使用方便；

3)具有帶數據流的通信模式及支持AT命令，最大波特率為9 600 bps；

4)具有三種電源工作模式，0.5 μA的最低功耗，使用板載陶瓷天線;

5)支持 OPEN、WEP、WPA/WPA2-PSK加密方式以及Station模式和Ad-HOC模式[5-6]。

無線通信模塊電路如圖2所示。

圖2 無線通信模塊原理圖

RAK-410的外圍電路其實很簡單，只要處理好3.3 V的電源和接地就能使用了，其中MCU_US0_CTS、MCU_US0_RTS、MCU_USO_RX、MCU_US0_TX等管腳輸出到無線模塊接口，然后與MCU的定義管腳連接。上電時，只要完成模塊的配置，比如掃描無線網絡、輸入密碼、連接網絡、建立TCP/TP連接、發送數據等，無線通信模塊就可以進行工作。

2.2 系統主控制器及其外圍硬件電路

電路板的核心部分是控制模塊，控制模塊完成接收手機指令及對繼電器的控制等功能。其硬件電路主要是由M0516及其外圍電路構成。它是基于NUVOTON公司，以ARM Cortex-M0為內核的32位微控制器，具有豐富的通信接口、強大的處理能力、功耗低等特性[7]。主控制器模塊及其外圍電路如圖3所示。

圖3 M0516及其外圍電路圖

由圖3可見，主控制電路主要是由M0516和下載口等一系列外圍電路構成，MCU通過MCU_US0_CTS、MCU_US0_RTS、MCU_USO_RX、MCU_US0_TX等管腳與無線通信模塊連接進行數據交換，主控制模塊通過串口接收無線通信模塊收到指令，然后控制繼電器動作。執行機構應用電路如圖4所示。

圖4 執行機構應用電路圖

由圖4電路可見，從微控制器產生的電流不能直接驅動繼電器，于是接入了ULN2003A做增大電路處理，如此增大電流就能使繼電器觸點吸合。ULN2003A其實是采用7組達靈頓管組成，如圖5所示。

圖5 ULN2003A內部達靈頓管電路圖

從微控制器上產生的電流經過兩組三極管的擴流處理,從而產生能夠使繼電器觸點吸合的電流。

3 軟件設計及實物調試

完善無線控制器功能，除了上述硬件模塊的設計，軟件系統的設計同等重要。該系統的軟件以C語言編寫且采用模塊化編程方式，不僅便于程序的編寫，而且對于程序的修改很有好處，大大提高了修改、調試的效率。系統的程序框圖如圖6所示。

經過上述理論研究，通過焊接電路板、各個系統模塊的調試之后，經測試，當手機控制端發出控制指令后，控制板上終端控制器能立即接收到指令，并控制繼電器動作，系統運行正常并達到要求，測試成功。系統實物圖如圖7所示。

4 WiFi無線組網設計

無線組網的設計簡便，對網絡中的硬件要求并不是很高，區域內只要部署基站，無線裝置便能夠進行網絡通信[8]。因此，為本設計帶來了更強的靈活性和移動性。基于IEEE 802.11協議的無線局域網主要包含以下幾種實體原件，如圖8所示。

圖6 軟件設計程序框圖

圖8 WiFi組網原理圖

圖中主要包括：PC機、無線路由器(基站)、傳輸介質以及終端的WiFi接收裝置。

5 結 語

實現了一種基于ARM Cotex-M0的無線控制器設計，完成了硬件和軟件調試，取得了預期的控制效果。該系統的硬件開發平臺以M0516芯片為控制核心，利用其強大的控制能力，在接收到手機發出的指令后，分別完成對7個繼電器動作控制。無線控制器解決了手機和無線通信模塊之間的數據傳輸問題，并可以在一定距離內控制繼電器動作，實現相應的應用功能。如果通過網絡進行大面積的組網，配以上位機及PC端的軟件，可實現控制模塊實體化，為無線控制器及物聯網的應用研究提供了一種實用方案。

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