【正文】 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 的過程。布線過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)送過來的數(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)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。 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。 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軟件編程來設(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 。通過設(shè)置合適的波特率和 幀 格式，來實(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)板還要通過專門的接口和無線數(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，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]。通過軟件設(shè)置單片機(jī)的傳輸屬性參數(shù)為“ 9600， N， 8， 1”，來實(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。 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)試工具是用來將 PC 機(jī)上的數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送到單片機(jī)，和 PC 機(jī)接收從單片機(jī)發(fā)送過來的數(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 將會(huì)燒毀模塊。圖 為鍵盤部分。 圖 開發(fā)板和無線數(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 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 MCU接口引腳 CE、 CLK1 和 DATA 來完成。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] 2021 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 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，都要通過這個(gè)綁定表來查詢資料的服務(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線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)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(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)。 基于單片機(jī)的無線點(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 [1][7] Zigbee 是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)名稱