【正文】 用專門的調(diào)制解調(diào)技術，內(nèi)部集成了很多電路 。像 Nordic 公司的 NRF2401 芯片，它是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM（ Industry Science medicine，工業(yè)、科學、醫(yī)學） 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以 5dBm 的功率發(fā)射時，工作電流只有 ，接收時工作電流只有 18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設計更方便。其 DuoCeiverTM 技術使 nRF2401 可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。 無線電子點菜 系統(tǒng)是無線通信技術的一個典型應用。近些年來， 隨著人民生活水平 的提高 和生活方式的轉(zhuǎn)變，餐飲業(yè)具有巨大的投資市場，被稱為中國的黃金產(chǎn)業(yè)。 人們在消費過程中對服務質(zhì)量也有了更高的要求，同時餐館之間的激烈競爭也促進了無線通信技術在 餐飲業(yè) 中的應用。 無線電子點菜系統(tǒng)的目的就是利用最先進的 無線通信技術、嵌入式移動數(shù)據(jù)庫技術 [3][4]、以及觸摸屏的掌上電腦技術 , 為餐飲業(yè)走向全面數(shù)字化提供了完整的解決方案。該系統(tǒng)能夠提高餐館檔次、提高效率、自動結(jié)賬、避免人為錯誤、避免跑單、實時監(jiān)控餐館狀況、提供各種各樣統(tǒng)基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第一章 緒論 2 計信息 、精簡人手、管理庫存、提高服務品質(zhì)等，為餐飲行業(yè)帶來嶄新的管理理念與服務手段 ,優(yōu)化業(yè)務流程 ,為客戶提供更好的服務 ,實現(xiàn)企業(yè)價值最大化同時又使成本最低化 ,是餐飲行業(yè)向信息化發(fā)展的一個重要標志。 由于 使用無線技術通信，可以不用進行復雜的布線，這也大大降低了餐館的建設成本，減少了對線路維護的開支。同時，無線通信的可以移動性也使服務員隨時可以和吧臺聯(lián)系。 無線電子點菜系統(tǒng) 基于目前很熱門的技術 —— 嵌入式技術 [3]，依托一定的硬件平臺。因此微電子技術的發(fā)展對系統(tǒng)的性能有很大的限制，目前微電子技術已經(jīng)發(fā)展到了 SOC（ System On Chip，片上系統(tǒng) ） ，集成度獲得了極大的提高。同時，芯片的價格，體積和能耗進一步降低，這些都使 無線電子點菜 系統(tǒng)向移動化和大眾化方向發(fā)展?？梢哉f，隨著微電子技術的進一步發(fā)展， 無線電子點菜系統(tǒng) 仍然有很大的發(fā)展空間。 無線通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀 按照發(fā)射功率的不同，無線通信技術可分為短距離無線通信技術和長距離無線通信技術，它們各自依托的硬件平臺和通信協(xié)議也有很大不同。幾種常見的長距離無線通信系統(tǒng)如 GPRS 系統(tǒng)和我國即將投入使用的 3G 系統(tǒng)，它們都有一些共同的特點：使用專門的頻段，需要專門的 公司進行運營。由于本系統(tǒng)要求傳輸距離有限，而且對成本有限制，因此長距離無線通信協(xié)議不在考慮的范圍之內(nèi)，下面就重點闡述幾種常見的短距離無線通信協(xié)議： 1 藍牙 [5] 愛立信在 1994 年開始研究一種能使手機與其附件（如耳機）之間互相通信的無線模塊， 4 年后，愛立信、諾基亞、 IBM 等公司共同推出了藍牙技術，主要用于通信和信息設備的無線連接。藍牙工作頻率為 2． 4GHz，有效范圍大約在 10m 半徑內(nèi)。在此范圍內(nèi)，采用藍牙技術的多臺設備，如手機、微機、激光打印機等能夠無線互聯(lián)，以約 1Mb／ s的速率相互傳遞數(shù)據(jù)，并能方便地接 入互聯(lián)網(wǎng)。目前藍牙技術開發(fā)重點是多點連接，即一臺設備同時與多臺（最多 7 臺）其他設備互聯(lián)。今后，市場上不同廠商的藍牙產(chǎn)品將能夠相互聯(lián)通。 藍牙技術的應用主要有以下 3 類： 1 語音／數(shù)據(jù)接入 是指將一臺計算機通過安全的無線鏈路連接到通信設備上，完成與廣域網(wǎng)的連接。 2 外圍設備互連 是指將各種設備通過藍牙鏈路連接到主機上。 3 PAN(Personal Area Net， 個人局域網(wǎng) )如圖 1 所示，主要用于個人網(wǎng)絡與信息的共享與交換。 藍牙協(xié)議有以下技術特點： 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第一章 緒論 3 （ 1）藍牙工作在全球開放的 ISM 頻段； （ 2）使用跳頻頻譜擴展技術，把頻帶分成若干個跳頻信道 （ hop channel） ，在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個信道跳到另一個信道； （ 3）一臺藍牙設備可同時與其它七臺藍牙設備建立連接； （ 4）數(shù)據(jù)傳輸速率可達 1Mbit/s； （ 5）低功耗、通訊安全性好； （ 6）在有效范圍內(nèi)可越過障礙物進行連接，沒有特別的通訊視角和方向要求； （ 7）支持語音傳輸； （ 8）組網(wǎng)簡單方便 正是由于藍牙協(xié)議有以上特點，藍牙產(chǎn)品涉及 PC、筆記本電腦、移動電話等信息設備和 A／ V設備、汽車電子、家用電器和 工業(yè)設備領域。藍牙的支持者們預言說，一旦支持藍牙的芯片變得非常便宜，藍牙將置身于幾乎所有產(chǎn)品之中，從微波爐一直到衣服上的紐扣。 但是藍牙的傳輸距離比較短，而且藍牙是一種還沒有完全成熟的技術，盡管被描述得前景誘人，但還有待于實際使用的嚴格檢驗。藍牙的數(shù)據(jù)傳輸速率也不是很高，在當今這個數(shù)據(jù)爆炸的時代，可能也會對它的發(fā)展有所影響。目前主流的軟件和硬件平臺均不提供對藍牙的支持，這使得藍牙的應用成本升高，普及難度增大。從以上各點綜合考慮，藍牙協(xié)議不適合本系統(tǒng)。 2 超寬帶技術 UWB（ Ultra Wide band） [6] 超寬帶技術 UWB（ Ultra Wide band）是另一個新發(fā)展起來的無線通信技術。 UWB通過基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。窄脈沖（小于 1ns）產(chǎn)生極大帶寬的信號。脈沖采用脈位調(diào)制（ Pulse Position Modulation， PPM）或二進制移相鍵控（ BPSK）調(diào)制。 UWB 被允許在 3． 1～ 10． 6GHz 的波段內(nèi)工作。它主要應用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統(tǒng)中。除此之外，這種新技術適用于對速率要求非常高（大于 100Mb／ s）的 LAN(Local Area Net，本地局域網(wǎng) )s或 PANs。 軍事部門已對 UWB 進行了多年研究，開發(fā)出了分辨率極高的雷達。直到 2002 年2 月 14 日，美國聯(lián)邦通信委員會才準許該技術進入民用領域。所以對于商業(yè)和消費領域， UWB 還是新鮮事物。 UWB 有可能在 10m 范圍內(nèi)，支持高達 110Mb／ s 的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡單、經(jīng)濟地完成視頻數(shù)據(jù)處理。雖然說 UWB技術的數(shù)據(jù)傳輸距離相比藍牙技術已經(jīng)獲得很大提高，但是仍然不能滿足本系統(tǒng)的技術要求。 3 ZigBee [1][7] Zigbee 是一種短距離、低功耗的無線通信技術名稱。這一名 稱來源與蜜蜂的八字舞。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備 。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第一章 緒論 4 ZigBee 協(xié)議的技術特點和應用前景將在下一章詳細敘述。 4 IrDA (infrared data association， 紅外數(shù)據(jù)標準協(xié)會 )技術 [5][6] 紅外線是波長在 750nm 至 1mm 之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以更適合應用在需要短距離無線通訊的場合，進行點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸， 傳輸速率最快可達 16Mbps。 IRDA 將紅外數(shù)據(jù)通訊所采用的光波波長的范圍限定在 850nm至 900nm 之內(nèi)。 IRDA 技術有以下特點： （ 1）它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術，被眾多的硬件和軟件平臺所支持； （ 2）通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)。 （ 3）主要是用來取代點對點的線纜連接； （ 4）新的通訊標準兼容早期的通訊標準； （ 5）小角度（ 30 度錐角以內(nèi)），短距離，點對點直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強 （ 6） 傳輸速率較高，目前 4M 速率的 FIR 技術已被廣泛使用， 16M 速率的 VFIR技術已經(jīng)發(fā)布。 雖然目前 IRDA 技術發(fā)展已經(jīng)很成熟，而且有很多公司的產(chǎn)品都支持這種協(xié)議。但是由于 紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差 ，所以它只能用于視距傳輸，傳輸距離比較短，因此也不適合本系統(tǒng)的技術要求。 綜合比較以上各個短距離無線通信協(xié)議的技術特點和本系統(tǒng)的要求，只有ZigBee 協(xié)議能基本滿足要求。而且目前支持 ZigBee 協(xié)議的廠商比較多，技術發(fā)展也很成熟，可以作成低成本的嵌入式產(chǎn)品。 論文的研究內(nèi)容 無線電子點菜系統(tǒng)的實現(xiàn)是建立在硬件電路的基礎上的，為了降低誤碼率，提高頻率資源的利用律， 數(shù)據(jù)必須按照一定協(xié)議傳輸。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)按照一定的格式編碼，然后調(diào)制到一約定的頻率后發(fā)送；接受端將接收到的信號經(jīng)過解調(diào)和解碼后，將數(shù)據(jù)還原。 本論文的研究內(nèi)容主要有兩部分組成： ，在此基礎上，提出了基于 ZigBee協(xié)議的硬件平臺。并詳細分析了平臺組成部分各自的原理以及功能。 ，開發(fā)出了相應的驅(qū)動程序。 內(nèi)容安排 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第一章 緒論 5 本文對無線電子電菜系統(tǒng)的硬件設計進行了深入的研究，全文共分為五章，各章節(jié)的內(nèi)容安排如下： 第一章介 紹了本文的研究背景和各章節(jié)的內(nèi)容安排情況。 第二章介紹 ZigBee 協(xié)議的詳細內(nèi)容和一種基于 ZigBee 協(xié)議的芯片。 第三章在上一章的基礎上提出了自己的硬件平臺，詳細介紹了平臺的組成部分和各自的功能。 第四章和第三章相對應的，主要講了硬件平臺的驅(qū)動程序以及 PC 機端串行口調(diào)試工具的開發(fā)，并簡單介紹了相應的軟件開發(fā)工具。 第五章是總結(jié)與展望。對本文工作進行了總結(jié)，并探討可以進一步深入研 究的方向。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 6 第二章 ZigBee[7]協(xié)議分析 ZigBee 協(xié)議是一種近距離、低復雜度、低 功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。 在標準規(guī)范制訂方面，主要是 IEEE 小組與 ZigBee Alliance 兩個組織，兩者分別制訂硬體與軟體標準。在 IEEE 方面， 2000 年 12月 IEEE成立了 小組，負責制訂 MAC（ Media Access Control,媒體存取控制層 ）與物理層規(guī)范， 2020 年 5 月通過 標準；在 ZigBee 聯(lián)盟方面， ZigBee[7]聯(lián)盟是在 2002 年 10月由 Honeywell、 Mitsubishi、 Motorola、 Philips 與 Invensys共同成立， ZigBee 聯(lián)盟負責制訂網(wǎng)路層、安全管理、應用界面規(guī)范，其次也肩負互通測試，目前 ZigBee 聯(lián)盟已推出第 版規(guī)范 (Version )，成員已達 150 多個。 ZigBee 協(xié)議依據(jù) 標準 [8][9]，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。 規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率 (250 kbps)、工作在 GHz 和 868/915 MHz的無線技術，它是 ZigBee 應用層和網(wǎng)絡層協(xié)議的基礎。 相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術， ZigBee 技術將是最低功耗和成本的技術，同時由于 ZigBee 技術的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，也決定了 ZigBee 技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。所以 ZigBee 聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。 ZigBee 協(xié)議框架 ZigBee 協(xié)議同其它網(wǎng)絡通信協(xié)議一樣采用分層模型，對各層所實現(xiàn)的功能和在整個 協(xié)議中起的作用做了明確的劃分，每層為其上層提供一組特定的服務。 ZigBee的協(xié)議架構(gòu)大致如表 所列。 表 ZigBee的協(xié)議架構(gòu) 第四層 應用層 第三層 網(wǎng)絡層 第二層 媒體訪問層（ MAC） 第一層 物理層 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 7 ZigBee 協(xié)議雖然是基于標準的七層 OSI（ Open System Interconnect，開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型 [10]，但僅對那些涉及 ZigBee 的層予以定義。 標準定義了最下面 的兩層：物理層和 MAC。 ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡層和應用層框架的協(xié)議。 相比于常見的無線通信標準， ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實現(xiàn)的要求很低。以下是 ZigBee 協(xié)議套件的需求估計：硬件需要 8位處理器，如廣泛使用的 80C51 系列單片機 [12]；軟件需要 32KB 的 ROM（ Read