【正文】 接口電路 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊 和開發(fā)板的 PCB 圖設(shè)計(jì) PCB 板是一塊絕緣材料，在表面合理安放各種電子元件，并安排連接電子元件引腳間的銅膜導(dǎo)線，在不同的表面間有連接不同表面的銅導(dǎo)孔。 開發(fā)板的 PCB 圖 將開發(fā)板的原理圖按照以上的步驟生成相應(yīng)的 PCB 圖。否則，在調(diào)入網(wǎng)絡(luò)表的過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)元件丟失的錯(cuò)誤。 下面再重點(diǎn)分析一下 布線 的過(guò)程。布線過(guò)程中充分考慮到如何降低元件字之 間互相的干擾。 由于采用雙層設(shè)計(jì)，因此不可避免地將會(huì)使用到過(guò)孔。 其實(shí)這些電容是為開關(guān)器件 (門電路 )或其它需要濾波 /退耦的部件而設(shè)置的，布置這些電容就應(yīng)盡量靠近這些元部件，離得太遠(yuǎn)就沒有作用了。 nRF2401 的供電電源應(yīng)通過(guò)電容隔開，這 樣有利于給nRF2401 提供穩(wěn)定的電源。 STC89C58RD+是51 類單片機(jī)，可以像開發(fā)其他 51 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)一樣開發(fā)它的驅(qū)動(dòng)程序。 硬件驅(qū)動(dòng)程序 整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有兩部分組成：與 PC機(jī)相連的開發(fā)板為主機(jī)端，它不能移動(dòng)，接收從機(jī)端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并向從機(jī)端發(fā)送指令；可以移動(dòng)的為從機(jī)端，它由開發(fā)板和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。 51 的編程語(yǔ)言常用的有二種，一種是匯編語(yǔ)言，一種是 C 語(yǔ)言。 STC89C58RD+單片機(jī)的串行口是一個(gè)全雙工通信接口，即能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收，它可以作 UART 用，也可以 作為同步移位寄存器用，其禎格式和波特率可以通過(guò)軟件編程來(lái)設(shè)置，在使用上非常方便。 發(fā)送完畢后，硬件自動(dòng)將 TI 置 1。發(fā)送完畢后， 硬件自動(dòng)將 RI 置 1。 2 和方式 3 當(dāng)設(shè)定 SM0、 SM1 為 10 或 11時(shí)，串行口工作于方式 2 或方式 3，這兩種方式都是 9 位異步通信，僅波特率不同，適用于多機(jī)通信。通過(guò)設(shè)置合適的波特率和 幀 格式，來(lái)實(shí)現(xiàn)開發(fā)板和 PC 機(jī)之間準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳遞。 開發(fā)板還要通過(guò)專門的接口和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，因此只使用了 nRF2401 一個(gè)信道。 表 nRF2401的各種工作模式的設(shè)置方式 工作模式 PWR_UP CE CS 收發(fā)模式 1 1 0 配置模式 1 0 1 空閑模式 1 0 0 關(guān)機(jī)模式 0 * * 前文已經(jīng)講過(guò)有關(guān) nRF2401 的收發(fā)方式，這里重點(diǎn)討論一下它的配置方式。這使得 nRF2401 能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)； （ 3） 地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道 1 的地址和通道 2 的地址； （ 4） CRC：使 nRF2401 能夠生成 CRC 校驗(yàn)碼和解碼。 圖 IO口和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的流程圖 移動(dòng)端驅(qū)動(dòng)程序 移動(dòng)端的開發(fā)板的結(jié)構(gòu)和 PC 機(jī)端的開發(fā)板的結(jié)構(gòu)完全相同，但由于它不需要和PC 機(jī)通信，只需要和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行通信。 幾乎所有世界級(jí)的軟件，從業(yè)界領(lǐng)先的 Web 瀏覽器到面向任務(wù)的企業(yè)應(yīng)用，都是使用 Microsoft Visual C++開發(fā)系統(tǒng)來(lái)開發(fā)的。visual c++ 專門為串行口通信提供了 Msm[20][21]控件，使用該控件程序員不必花時(shí)間去了解比較復(fù)雜的 API 函數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單修改控件的屬性和使用控件提供的方法就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的配置，完成串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 在 Windows 環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。當(dāng)數(shù)據(jù) 從 CPU 經(jīng)開始 配置 nRF2401 的工作方式 循環(huán)等待觸發(fā)條件 DR1=1 否 是 有數(shù)據(jù)發(fā)送 否 將數(shù)據(jù)接收到開發(fā)板 將數(shù)據(jù)發(fā)送到開發(fā)板 是 基于單片機(jī)的無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第四章 硬件驅(qū)動(dòng)程序和串行口調(diào)試工具 29 過(guò)串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。 Visual C++ 在不犧牲靈活性、性能和控制力度的同時(shí)，給 C++帶來(lái)了更高水平的生產(chǎn)效率。具體編程規(guī)則在上一節(jié)已經(jīng)詳細(xì)敘 述，這里不再多說(shuō)，具體的程序是 PC 機(jī)端程序的一部分。在 CS 引腳 的下降沿，新送入的配置字開始工作。 ShockBurst TM 的配置字可以 分為以下四個(gè)部分： （ 1） 數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。 nRF2401 有四種工作模式：收發(fā)模式，配置模式，空閑模式和關(guān)機(jī)模式 [16][17]。通過(guò)軟件設(shè)置單片機(jī)的傳輸屬性參數(shù)為“ 9600， N， 8， 1”，來(lái)實(shí)現(xiàn)和 PC 機(jī)端串行口傳輸速率同步。與方式 1相比，多了一位可編程位，發(fā)送時(shí)，第 9 位數(shù)據(jù)為 TB8，接收時(shí)，第 9位數(shù)據(jù)送入 RB8。 2. 方式 1 當(dāng)設(shè)定 SM SM0 為 01 時(shí)，串行口工作方式 1。 REN 為 1 時(shí)，單片機(jī)允許接收數(shù)據(jù)。 串行口控制寄存器 SCON： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI 特殊功能寄存器 PCON： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SMOD 串行口可以通過(guò)軟件設(shè)置四種工作方式，各種工作方式的數(shù)據(jù)格式和波特率均有所不同 ，這四種工作方式如下： 1. 方式 0 當(dāng)設(shè)定 SM SM0 為 00 時(shí)，串行口工作于方式 0，在方式 0下， RXD 為數(shù)據(jù)輸入/輸出端， TXD 為同步脈沖輸出端，發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)為 8 位，低位在前，高位在后，方式 0 的波特率固定 震蕩頻率的 1 /12,也就是每一機(jī)器周期傳送一位數(shù)據(jù)。對(duì)于開發(fā)周期來(lái)說(shuō)，中大型的軟件編寫用 C 語(yǔ)言的開發(fā)周期通常要小于匯編語(yǔ)言很多。 使用 Keil uVision2 開發(fā)硬件驅(qū)動(dòng)程序， 它支持眾多不同公司的 MCS51 架構(gòu)的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時(shí)還支持， PLM，匯編和 C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。 串行口調(diào)試工具是用來(lái)將 PC 機(jī)上的數(shù)據(jù)通過(guò)串行口發(fā)送到單片機(jī)，和 PC 機(jī)接收從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。 nRF2401 模塊的 PCB 如圖 所示。在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到各種電磁干擾，注意調(diào)整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。所以，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少過(guò)線孔。 同時(shí)使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。 本系統(tǒng)的 PCB 布線 為 雙面布線 ， 布線的方式有兩種：自動(dòng)布線及交互式布線 。圖 為鍵盤封裝，圖 為 USB 封裝，圖 為開關(guān)封裝，圖 為四位八段數(shù)碼管封裝。網(wǎng)絡(luò)表的生成也比較簡(jiǎn)單。為了方便布線，本系統(tǒng)所用的開發(fā)板和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊均為雙層印刷電路板。 (3) 硬件上面沒有 SPI 的單片機(jī)也可以控制本模塊，用普通單片機(jī) IO 口模擬SPI 不需要單片機(jī)真正的串口介入，只需要普通的單片機(jī) IO 口就可以了，當(dāng)然用串口也可以了。 它與開發(fā)板的接口電路為圖 各個(gè)接口的要求如下： (1) VCC 腳接電壓范圍為 ~ 之間，不能在這個(gè) 區(qū)間之外，超過(guò) 將會(huì)燒毀模塊。圖 為鍵盤部分。 圖 開發(fā)板和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分 圖 5V電平轉(zhuǎn) 鍵盤部分 圖 鍵盤部分 鍵盤部分用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。 LM1117 提供電流限制和熱保護(hù)，電路包含 1 個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在177。 圖 LED部分 開發(fā)板和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分 這一部分有兩部分組成：由于 nRF2401 的工作電壓為 ，工作電壓超過(guò) 就會(huì)燒壞芯片。 圖 串口電平轉(zhuǎn)換部分 基于單片機(jī)的無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 及實(shí)現(xiàn) 17 LED 部分 由于單片機(jī)復(fù)位后，各個(gè)引腳輸出都為高電平，因此選用共陰極的 LED 數(shù)碼管。由于單片機(jī)的輸入、輸出電平為 TTL 電平 ，與 PC 機(jī) RS232 標(biāo)準(zhǔn)串行接口的電氣規(guī)范不一致，因此要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通讀，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 基于單片機(jī)的無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 及實(shí)現(xiàn) 16 串行口電平轉(zhuǎn)換部分 大多數(shù) PC 機(jī)都有一個(gè)串行通訊端口 RS232 用于兩臺(tái)計(jì)算機(jī)間進(jìn)行串行通訊。由于不使用外部存儲(chǔ)器，因此將 EA 接高電平。原理圖由 Protel 99SE[18][19]繪制。而且內(nèi)部集成了看門狗和Flash，簡(jiǎn)化了 PCB 板的制作。 它具有以下特點(diǎn)： 1. 增強(qiáng)型 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期， 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期 8051 CPU（ Central Process Unit，中央處理器）。同時(shí)將兩個(gè)數(shù)字信道的輸出反饋到兩個(gè)單獨(dú)的 MCU 接口。此后便可在 nRF2401 監(jiān)測(cè)信息輸入 200μｓ，若收到有效數(shù)據(jù)包，則給 MCU 一個(gè)中斷并置 DR1 為高電平，以使 MCU 以時(shí)鐘形式輸出有效載荷數(shù)據(jù)，待系統(tǒng)收到全部數(shù)據(jù)后 , nRF2401再置 DR1 CE 保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包。 基于單片機(jī)的無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 13 ShockBurst TM 發(fā)射主要通過(guò) MCU 接口引腳 CE、 CLK1 和 DATA 來(lái)完成。它采用 5mm 5mm 的 24 引腳 QFN封裝。與藍(lán)牙不同的是， nRF2401 沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可 以自由通信。各個(gè)公司的芯片原理基本相同，編程規(guī)則大致相同，因此選用 Nordic 公司的 nRF2401，下面詳細(xì)敘述一下 nRF2401 芯片的特點(diǎn)。 2． 3 基于 ZigBee 協(xié)議的芯片 [1][4][5] 2002 年 8 月 ZigBee 聯(lián)盟成立時(shí) Honeywell， Invensys,三菱電器，摩托羅拉和飛利浦等國(guó)際上知名的大公司就是 ZigBee 協(xié)議的支持者。這些應(yīng)用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，重點(diǎn)在于低功耗，可最大限度地延長(zhǎng)電池的壽命，減少 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。 ZigBee 協(xié)議應(yīng)用前景 ZigBee 協(xié)議特別適合數(shù)據(jù)吞吐量小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資少，網(wǎng)絡(luò)安全要求較高，不便頻繁更換電池或者充電的場(chǎng)合，預(yù)計(jì)將在消費(fèi)類電子設(shè)備，家庭智能化，工業(yè)控制，醫(yī)療設(shè)備控制，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。 Zigbee 協(xié)議套件的需求估計(jì)： 8位微處理器，如 80C51[10]；全協(xié)議套件軟件需要 32K 字節(jié)的 ROM；最小協(xié)議套件軟件大約 4K 字節(jié)的 ROM。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。 時(shí)延?。横槍?duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài) 激活的時(shí)延都非常短。避免了頻繁更 換電池或者充電，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的負(fù)擔(dān) 。而在認(rèn)證部分， ZigBee聯(lián)盟一共定義了三種層次的認(rèn)證，第一級(jí)認(rèn)證物理層和 MAC，與芯片廠有著最直接的關(guān)系；第二級(jí)認(rèn)證 ZigBee 協(xié)議棧；第三級(jí)認(rèn)證 ZigBee 產(chǎn)品。 對(duì)于 ZigBee 裝置而言， 當(dāng)加入到一個(gè) WPAN（ Wireless Personal Area Net， 個(gè)人無(wú)線局域網(wǎng)）后，應(yīng)用層的 ZMO 會(huì)發(fā)起一系列的初始化動(dòng)作，先通過(guò) APS 進(jìn)行裝置收尋以及服務(wù)收尋后，然后根據(jù)事先定義好的描述信息，將與其相關(guān)的裝置或是服務(wù)記錄在 APS 里的綁定表中；之后所有服務(wù)的使用，都要通過(guò)這個(gè)綁定表來(lái)查詢資料的服務(wù)或者行規(guī)。通常，路由器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由全功能裝置（ FFD）實(shí)現(xiàn)，而末端裝置由簡(jiǎn)化功能裝置（ RFD）實(shí)現(xiàn)。這種 MAC 層的設(shè)計(jì)不但是多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡(jiǎn)單，還可以實(shí)現(xiàn)非常有效的功耗控制。 1 物理層 標(biāo)準(zhǔn)在 物理層設(shè)計(jì)中面向低成本和更高層次的集成需求，才用的工作頻段分別為 GHz 和 868/915 MHz。 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面 的兩層：物理層和 MAC。所以 ZigBee 聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。 ZigBee 協(xié)議依據(jù) 標(biāo)準(zhǔn) [8][9]，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。對(duì)本文工作進(jìn)行了總結(jié)，并探討可以進(jìn)一步深入研 究的方向。 第二章介紹 ZigBee 協(xié)議的詳細(xì)內(nèi)容和一種基于 ZigBee 協(xié)議的芯片。 本論文的研究?jī)?nèi)容主要有兩部分組成： ，在此基礎(chǔ)上，提出了基于 ZigBee協(xié)議的硬件平臺(tái)。 綜合比較以上各個(gè)短距離無(wú)線通信協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)和本系統(tǒng)的要求，只有ZigBee 協(xié)議能基本滿足要求。 IRDA 技術(shù)有以下特點(diǎn)： （ 1）它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無(wú)線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)所支持； （ 2）通過(guò)數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)線的數(shù)據(jù)收發(fā)。 基于單片機(jī)的無(wú)線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 第一章 緒論 4 ZigBee 協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景將在下一章詳細(xì)敘述。 3 ZigBee