【正文】 串行通信的基本原理 串行端口的本質(zhì)功能是作為 CPU 和串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。因此相對另一端的驅(qū)動(dòng)簡單一些。nRF2401 的所有配置工作都是通過 CS、 CLK1 和 DATA 三個(gè)引腳完成，把其配置為ShockBurstTM 收發(fā)模式需要 15 字節(jié)的配置字。 由于 PC 機(jī)和單片機(jī)的處理速度的不同， PC機(jī)給開發(fā)板發(fā)送數(shù)據(jù) 時(shí)，單片機(jī)采用中斷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。再次接收數(shù)據(jù)前，需要通過軟件將 RI 清 0。 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 25 STC89C58RD+單片機(jī)串行口的工作方式和波特率由控制寄存器 SCON 和特殊功能寄存器 PCON 組成。由于兩端的地位和功能不同，因此對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序也不同。在 PCB 中，盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸。 過孔太多，沉銅工藝稍有不慎就會埋下隱患。 布線 是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要步驟，可以說前面的準(zhǔn)備工作都是為它而做的，在整個(gè) PCB 中，以布線的設(shè)計(jì)過程限定最高，技巧最細(xì)、工作量最大。如圖 所示： 在 PCB 圖 設(shè)計(jì) 的所有過程 中， 原理圖在上一節(jié)已經(jīng)生成。當(dāng)然對 3V 左右的單片機(jī)更加適用了。由于四個(gè)鍵盤的組成一樣，這里只畫出了 S5 的電路圖。LM1117 是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，其壓差在 輸出，負(fù)載電流為 800mA 時(shí)為。圖 所示為串口電平轉(zhuǎn)換部分。圖 所示為單片機(jī)最小系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)原理圖見附錄 2，下面詳細(xì)敘述各個(gè)組成部分的原理及各自實(shí)現(xiàn)的功能。 STC89C58RD+[10]單片機(jī)概述 STC89C58RD+系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾，高速，低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)， 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 6時(shí)鐘 /機(jī)器周期可任意選擇。當(dāng)正確設(shè)置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置 CE 為高電平可激活 RX。 nRF2401 的引腳排列如圖 （頂視圖）所示。例如挪威的 Nordic 公司的 nRF 系列芯片，還有 Chipcon 公司的無線數(shù)據(jù)傳輸芯片等。 在工業(yè)控制領(lǐng)域，利用傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，可是數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，分析和處理變得更加容易；可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分，例如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測，火警的早期檢測和預(yù)報(bào)，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測和維護(hù)。 協(xié)議套件緊湊而簡單：其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 65536 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備 [14]，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多 100 個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。 另外 ZigBee 聯(lián)盟也負(fù)責(zé) ZigBee 產(chǎn)品互通性測試與認(rèn)證規(guī)則的制定，讓開發(fā)ZigBee 產(chǎn)品的廠商有一個(gè)公開的場合，能夠互相測試互通性。在網(wǎng)絡(luò)層中 ZigBee 協(xié)議定義了三種角色：第一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立以及網(wǎng)絡(luò)位置的分配；第二個(gè)是路由器，主要負(fù)責(zé)找尋建立以及修復(fù)信息包的路由路徑，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息包；第三個(gè)是末端裝置，只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，可以收發(fā)信息包，但是不能轉(zhuǎn)發(fā)，不具備路由的功能。以下是 ZigBee 協(xié)議套件的需求估計(jì)：硬件需要 8位處理器，如廣泛使用的 80C51 系列單片機(jī) [12]；軟件需要 32KB 的 ROM（ Read Only Memory，只讀存儲器），最小軟件需要 4KB 的 ROM；網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的 ROM 以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表，設(shè)備關(guān)聯(lián)表，與安全有關(guān)的密鑰存儲等。 相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)， ZigBee 技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)，同時(shí)由于 ZigBee 技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了 ZigBee 技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。 第五章是總結(jié)與展望。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。 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)。雖然說 UWB技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸距離相比藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)獲得很大提高，但是仍然不能滿足本系統(tǒng)的技術(shù)要求。脈沖采用脈位調(diào)制（ Pulse Position Modulation， PPM）或二進(jìn)制移相鍵控（ BPSK）調(diào)制。藍(lán)牙的支持者們預(yù)言說，一旦支持藍(lán)牙的芯片變得非常便宜，藍(lán)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。藍(lán)牙工作頻率為 2． 4GHz，有效范圍大約在 10m 半徑內(nèi)。同時(shí)，無線通信的可以移動(dòng)性也使服務(wù)員隨時(shí)可以和吧臺聯(lián)系。芯片能耗非常低，以 5dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有 ，接收時(shí)工作電流只有 18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。 回顧集成電路的發(fā)展歷程，我們可以看到，自發(fā)明集成電路至今 40 多年以來， 從電路集成到系統(tǒng)集成 這句話是對 IC 產(chǎn)品從 SSI（ Small Scale Integrated， 小規(guī)模集成電路 ） 到 VLSI（ Very Large Scale Integrated 超大規(guī)模集成電路） 今天特大規(guī)模集成電路發(fā)展過程 的最好總結(jié)，即整個(gè)集成電路產(chǎn)品 的 發(fā) 展 經(jīng) 歷 了 從 傳 統(tǒng) 的 板 上 系 統(tǒng) （ Systemonboard ） 到 片 上 系 統(tǒng)（ Systemonachip）的過程。整個(gè)系統(tǒng)有主機(jī)端和移動(dòng)端兩部分組成，無線通信的雙方依托一定的硬件平臺，按照約定好的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)的硬件平臺時(shí)，首先詳細(xì)介紹了 平臺將要用到的一些芯片，然后使用 Protel 99 SE 設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)的原理圖和 PCB(Print Circuit Broad,印刷電路板 )圖 ；在設(shè)計(jì)的硬件平臺的基礎(chǔ)上，依據(jù)所用芯片的編程原則，在 Windows 環(huán)境下，以 C51 語言為編程語言，開發(fā)出了無線通信系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)雙方約定的通信協(xié)議。 隨著集程度的提高，芯片的體積能耗和成本在逐步降低。其 DuoCeiverTM 技術(shù)使 nRF2401 可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。 無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng) 基于目前很熱門的技術(shù) —— 嵌入式技術(shù) [3]，依托一定的硬件平臺。在此范圍內(nèi)，采用藍(lán)牙技術(shù)的多臺設(shè)備，如手機(jī)、微機(jī)、激光打印機(jī)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)。 但是藍(lán)牙的傳輸距離比較短，而且藍(lán)牙是一種還沒有完全成熟的技術(shù)，盡管被描述得前景誘人，但還有待于實(shí)際使用的嚴(yán)格檢驗(yàn)。 UWB 被允許在 3． 1～ 10． 6GHz 的波段內(nèi)工作。 3 ZigBee [1][7] Zigbee 是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)名稱。 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)。 本論文的研究內(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。對本文工作進(jìn)行了總結(jié)，并探討可以進(jìn)一步深入研 究的方向。所以 ZigBee 聯(lián)盟預(yù)測的主要應(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。 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。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)，而末端裝置由簡化功能裝置（ RFD）實(shí)現(xiàn)。而在認(rèn)證部分， ZigBee聯(lián)盟一共定義了三種層次的認(rèn)證，第一級認(rèn)證物理層和 MAC，與芯片廠有著最直接的關(guān)系；第二級認(rèn)證 ZigBee 協(xié)議棧；第三級認(rèn)證 ZigBee 產(chǎn)品。 時(shí)延?。横槍r(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。 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。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，可最大限度地延長電池的壽命，減少 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。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)。它采用 5mm 5mm 的 24 引腳 QFN封裝。此后便可在 nRF2401 監(jiān)測信息輸入 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。 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）。原理圖由 Protel 99SE[18][19]繪制。 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 用于兩臺計(jì)算機(jī)間進(jìn)行串行通訊。 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。 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 為鍵盤部分。 (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。網(wǎng)絡(luò)表的生成也比較簡單。 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 。所以，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少過線孔。 nRF2401 模塊的 PCB 如圖 所示。 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)。 2. 方式 1 當(dāng)設(shè)定 SM SM0 為 01 時(shí)，串行口工作方式 1。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。 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)。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。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++ 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)對串口的配置，完成串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 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。 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。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。發(fā)送完畢后， 硬件自動(dòng)將 RI 置 1。 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