【正文】 域。 3 ZigBee [1][7] Zigbee 是一種短距離、低功耗的無線通信技術名稱。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現 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。 IRDA 技術有以下特點： （ 1）它是目前在世界范圍內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）通過數據電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換實現無線的數據收發(fā)。 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。 本論文的研究內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。 第二章介紹 ZigBee 協(xié)議的詳細內容和一種基于 ZigBee 協(xié)議的芯片。對本文工作進行了總結，并探討可以進一步深入研 究的方向。 ZigBee 協(xié)議依據 標準 [8][9]，在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現通信。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、農業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。 標準定義了最下面的兩層：物理層和 MAC。 1 物理層 標準在物理層設計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。這種 MAC 層的設計不但是多種拓撲結構網絡的應用變得簡單，還可以實現非常有效的功耗控制。通常，路由器和網絡協(xié)調器由全功能裝置（ FFD）實現，而末端裝置由簡化功能裝置（ RFD）實現。 對于 ZigBee 裝置而言，當加入到一個 WPAN（ Wireless Personal Area Net， 個人無線局域網）后，應用層的 ZMO 會發(fā)起一系列的初始化動作，先通過 APS 進行裝置收尋以及服務收尋后，然后根據事先定義好的描述信息，將與其相關的裝置或是服務記錄在 APS 里的綁定表中；之后所有服務的使用，都要通過這個綁定表來查詢資料的服務或者行規(guī)。而在認證部分， ZigBee聯(lián)盟一共定義了三種層次的認證，第一級認證物理層和 MAC，與芯片廠有著最直接的關系；第二級認證 ZigBee 協(xié)議棧；第三級認證 ZigBee 產品。避免了頻繁更換電池或者充電，從而減輕了網絡維 護的負擔 。 時延?。横槍r延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。 Zigbee 協(xié)議套件的需求估計： 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。 ZigBee 協(xié)議應用前景 ZigBee 協(xié)議特別適合數據吞吐量小，網絡建設投資少，網絡安全要求較高，不便頻繁更換電池或者充電的場合，預計將在消費類電子設備，家庭智能化，工業(yè)控制，醫(yī)療設備控制，農業(yè)自動化和無線點菜系統(tǒng)等領域獲得廣泛的應用。這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，重點在于低功耗，可最大限度地延長電池的壽命，減少 ZigBee 網絡的維護成本。 2． 3 基于 ZigBee 協(xié)議的芯片 [1][4][5] 20xx 年 8 月 ZigBee 聯(lián)盟成立時 Honeywell， Invensys,三菱電器，摩托羅拉和飛利浦等國際上知名的大公司就是 ZigBee 協(xié)議的支持者。各個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，下面詳細敘述一下 nRF2401 芯片的特點。與藍牙不同的是， nRF2401 沒有復雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信。它采用 5mm 5mm 的 24引腳 QFN封裝。 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 13 ShockBurst TM 發(fā)射主要通過 MCU 接口引腳 CE、 CLK1 和 DATA 來完成。此后便可在 nRF2401 監(jiān)測信息輸入 200μｓ，若收到有效數據包，則給 MCU 一個中斷并置 DR1 為高電平，以使 MCU 以時鐘形式輸出有效載荷數據，待系統(tǒng)收到全部數據后 , nRF2401再置 DR1 CE 保持高電平，則等待新的數據包。同時將兩個數字信道的輸出反饋到兩個單獨的 MCU 接口。 它具有以下特點： 1. 增強型 6 時鐘 /機器周期， 12 時鐘 /機器周期 8051 CPU（ Central Process Unit，中央處理器）。而且內部集成了看門狗和Flash，簡化了 PCB 板的制作。原理圖由 Protel 99SE[18][19]繪制。由于不使用外部存儲器，因此將 EA 接高電平。 圖 單片機最小系統(tǒng) 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現 第三章 硬件系統(tǒng)的設計及實現 16 串行口電平轉換部分 大多數 PC 機都有一個串行通訊端口 RS232 用于兩臺計算機間進行串行通訊。由于單片機的輸入、輸出電平為 TTL 電平，與 PC機 RS232 標準串行 接口的電氣規(guī)范不一致，因此要實現單片機與 PC機之間的數據通讀，必須進行電平轉換。 圖 串口電平轉換部分 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現 第三章 硬件系統(tǒng)的設計及實現 17 LED 部分 由于單片機復位后，各個引腳輸出都為高電平，因此選用共陰極的 LED 數碼管。 圖 LED 部分 開發(fā)板和無線數據傳輸模塊接口部分 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 就會燒壞芯片。 LM1117 提供電流限制和熱保護，電路包含 1 個齊納調節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在177。 圖 開發(fā)板和無線數據傳輸模塊接口部分 圖 5V 電平轉 電平部分 鍵盤部分 圖 鍵盤部分 鍵盤部分用來實現人機通信。圖 為鍵盤部分。 它與開發(fā)板的接口電路為圖 各個接口的要求如下： (1) VCC 腳接電壓范圍為 ~ 之間，不能在這個區(qū)間之外，超過 將會燒毀模 塊。 (3) 硬件上面沒有 SPI 的單片機也可以控制本模塊，用普通單片機 IO 口模擬SPI 不需要單片機真正的串口介入，只需要普通的單片機 IO 口就可以了，當然用串口也可以了。為了方便布線，本系統(tǒng)所用的開發(fā)板和無線數據傳輸模塊均為雙層印刷電路板。網絡表的生成也比較簡單。圖 為鍵盤封裝，圖 為 USB 封裝，圖 為開關封裝，圖 為四位八段數碼管封裝。 本系統(tǒng)的 PCB 布線 為 雙面布線 ， 布線的方式有兩種：自動布線及交互式布線 。 同時使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。所以，設計中應盡量減少過線孔。在 PCB 設計時，必須考慮到各種電磁干擾，注意調整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。 nRF2401 模塊的 PCB 如圖 所示。 串行口調試工具是用來將 PC 機上的數據通過串行口發(fā)送到單片機，和 PC 機接收從單片機發(fā)送過來的數據。 使 用 Keil uVision2 開發(fā)硬件驅動程序， 它支持眾多不同公司的 MCS51 架構的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持， PLM，匯編和 C語言的程序設計，它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似，界面友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。對于開發(fā)周期來說，中大型的軟件編寫用 C 語言的開發(fā)周期通常要小于匯編語言很多。 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 串行口可以通過軟件設置四種工作方式，各種工作方式的數據格式和波 特率均有所不同，這四種工作方式如下： 1. 方式 0 當設定 SM SM0 為 00 時，串行口工作于方式 0，在方式 0下， RXD 為數據輸入/輸出端， TXD 為同步脈沖輸出端，發(fā)送或接收的數據為 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,也就是每一機器周期傳送一位數據。 REN 為 1 時，單片機允許接收數據。 2. 方式 1 當設定 SM SM0 為 01 時，串行口工作方式 1。與方式 1相比，多了一位可編程位，發(fā)送時，第 9位數據為 TB8，接收時，第 9位數據送入 RB8。通過軟件設置單片機的傳輸屬性參數為“ 9600， N， 8， 1”，來實現和 PC機端串行口傳輸速率同步。 nRF2401 有四種工作模式：收發(fā)模式，配置模式，空閑模式和關機模式 [16][17]。 ShockBurst TM的配置字可以分為以下四個部分： （ 1） 數據寬度：聲明射頻數據包中數據占用的位數。在 CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。具體編程規(guī)則在上 一節(jié)已經詳細敘述，這里不再多說，具體的程序是 PC 機端程序的一部分。 Visual C++ 在不犧牲靈活性、性能和控制力度的同時，給 C++帶來了更高水平的生產效率。當數據 從 CPU 經開始 配置 nRF2401 的工作方式 循環(huán)等待觸發(fā)條件 DR1=1 否 是 有數據發(fā)送 否 將 數據接收到開發(fā)板 將數據發(fā)送到開發(fā)板 是 基于單片機的無線點菜系統(tǒng)的硬件設計及實現 第四章 硬件驅動程序和串行口調試工具 29 過串行端口發(fā)送出去時，字節(jié)數據轉換為串行的位。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間去了解比較復雜的 API 函數，通過簡單修改控件的屬性和使用控件提供的方法就可以實現對串口的配置，完成串口發(fā)送和接收數據。 幾乎所有世界級的軟件，從業(yè)界領先的 Web 瀏覽器到面向任務的企業(yè)應用，都是使用 Microsoft Visual C++開發(fā)系統(tǒng)來開發(fā)的。 圖 開發(fā)板通過 IO 口和無線數據傳輸模塊進行數據交換的流程圖 移動端驅動程序 移動端的開發(fā)板的結構和 PC 機端的開發(fā)板的結構完全相同，但由于它不需要和PC 機通信，只需要和無線數據傳輸模塊進行通信。這使得 nRF2401 能夠區(qū)分地址和數據； （ 3） 地址：接收數據的地址，有通道 1 的地址和通道 2 的地址； （ 4） CRC：使 nRF2401 能夠生成 CRC 校驗碼和解碼。 表 nRF2401 的各種工作模式的設置方式 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 關機模式 0 * * 前文已經講過有關 nRF2401 的收發(fā)方式，這里重點討論一下它的配置方式。 開發(fā)板還要通過專門的接口和無線數據傳輸模塊進行數據交換，由于系統(tǒng)設計為點對點通信，因此只使用了 nRF2401 一個信道。通過設置合適的波特率和 幀 格式，來實現開發(fā)板和 PC 機之間準確的數據傳遞。 2 和方式 3 當設定 SM0、 SM1 為 10 或 11 時，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，適用于多機通信。發(fā)送完畢后，硬件自動將 RI 置 1。 發(fā)送完畢后，硬件自動將 TI 置 1。 STC89C58RD+單片機的串行口是一個全雙工通信接口，即能同時進行發(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軟件編程來設置，在使用上非常方便。 51 的編程語言常用的有二種，一種是匯編語言，一種是 C 語言。 硬件驅動程序 整個數據傳輸系統(tǒng)有兩部分組成：與 PC機相連的開發(fā)板為主機端，它不能移動，接收從機端發(fā)送過來的數據，并向從機端發(fā)送指令；可以移動的為從機端，它由開發(fā)板和無線數據傳輸模塊組成。 STC89C58RD+是51 類單片機，可以像開發(fā)其他 51 單片機驅動一樣開發(fā)它的驅動程序。 nRF2401 的供電電源應通過電容隔開，這樣 有利于給nRF2401 提供穩(wěn)定的電源。其 實這些電容是為開關器件 (門電路 )或其它需要濾波 /退耦的部件而設置的，布置這些電容就應盡量靠近這些元部件，離得太遠就沒有作用了。 由于采用雙層設計，因此不可避免地將會使用到過孔。布線過程中充分考慮到如何降低元件字之間 互相的干擾。 下面再重點分析一下 布線 的過程。否則，在調入網絡表的過程中將會出現元件丟失的錯誤。 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的 PCB 圖。 圖 無線數據傳輸模塊與開發(fā)板的接口電路 無線數據傳輸模塊和開發(fā)板的 PCB 圖設計 PCB 板是一塊絕緣材料，在表面合理安放各種電子元件，并