【正文】 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。 硬件驅(qū)動程序 整個數(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，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。 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。 由于采用雙層設(shè)計，因此不可避免地將會使用到過孔。 下面再重點(diǎn)分析一下 布線 的過程。 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。 (2) 除電源 VCC 和接地端，其余腳都可以直接和普通的 5V 單片機(jī) IO 口直接相連，無需電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)鍵按下后，基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 及實現(xiàn) 19 輸出為低電平 。為了實現(xiàn)這一過程，選用 作為核心芯片。 由于 STC89C58RD+單片機(jī)支持 ISP 下載，因此通過這個串行口既可以用來和 PC 機(jī)通信，又能將程序下載到單片機(jī)，不用購買昂貴的編程器。 USB 的即插即用特性，使對開發(fā)板供電非常方便。 開發(fā)板的各 個組成部分原理圖以及功能 整個開發(fā)板是由單片機(jī)最小系統(tǒng)和它的一些外圍電路組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)做為整個開發(fā)板的控制中心，控制各個外圍電路協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)設(shè)計的功能。 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 及實現(xiàn) 14 第 三 章 基于 ZigBee 協(xié)議的硬件系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn) 目前， 51 系列單片機(jī)非常流行，而且資料眾多，因此選用 51 系列單片機(jī)作為開發(fā)板的 MCU，通過附加一定的外圍電路后，來和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。 ShockBurst TM 接收主要使用 MCU 接口引腳 CE、 DR CLK DATA 來實現(xiàn)。所以 nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片?，F(xiàn)在國際上有很多公司生產(chǎn)基于 ZigBee 協(xié)議的芯片，芯片的集成度也越來越高。家用設(shè)備引進(jìn) ZigBee 協(xié)議后將極大改善人們的居住環(huán)境和舒適度。 實現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計在 6美元左右，很快就能降到 ~ 美元，且 Zigbee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。而且 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，從而從根本上確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，最大限度地降低信息損失的概率。 5 安全層 安全層并非單獨(dú)獨(dú)立的協(xié)議， ZigBee 為其提供了一套基于 128 位 AES 算法的安全類和軟件，并且集成了 標(biāo)準(zhǔn)的安全元素，用來保證 MAC 層禎的機(jī)密性，一致性和真實性。在網(wǎng)絡(luò)層方 面其主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立與管理，并且具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能。 相比于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)， ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實現(xiàn)的要求很低。 規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率 (250 kbps)、工作在 GHz 和 868/915 MHz的無線技術(shù)，它是 ZigBee 應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。 第四章和第三章相對應(yīng)的，主要講了硬件平臺的驅(qū)動程序以及 PC 機(jī)端串行口調(diào)試工具的開發(fā)，并簡單介紹了相應(yīng)的軟件開發(fā)工具。 論文的研究內(nèi)容 無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的實現(xiàn)是建立在硬件電路的基礎(chǔ)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。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(yīng)用在需要短距離無線通訊的場合，進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸， 傳輸速率最快可達(dá) 16Mbps。 UWB 有可能在 10m 范圍內(nèi)，支持高達(dá) 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(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。窄脈沖（小于 1ns）產(chǎn)生極大帶寬的信號。 藍(lán)牙協(xié)議有以下技術(shù)特點(diǎn)： 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第一章 緒論 3 （ 1）藍(lán)牙工作在全球開放的 ISM 頻段； （ 2）使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，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(lán)牙設(shè)備可同時與其它七臺藍(lán)牙設(shè)備建立連接； （ 4）數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 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(jìn)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(lán)牙協(xié)議有以上特點(diǎn)，藍(lán)牙產(chǎn)品涉及 PC、筆記本電腦、移動電話等信息設(shè)備和 A／ V設(shè)備、汽車電子、家用電器和 工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。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(diǎn)闡述幾種常見的短距離無線通信協(xié)議： 1 藍(lán)牙 [5] 愛立信在 1994 年開始研究一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）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(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。 由于 使用無線技術(shù)通信，可以不用進(jìn)行復(fù)雜的布線，這也大大降低了餐館的建設(shè)成本，減少了對線路維護(hù)的開支。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(xué)、醫(yī)學(xué)） 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(jìn)行配置。 現(xiàn)代的無線通信技術(shù)是建立在硬件電路的基礎(chǔ)上的，因此微電子技術(shù) [2]的發(fā)展直接制約著無線通信技術(shù)的發(fā)展。 論文給出了無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的完整的硬件平臺的設(shè)計和實現(xiàn)方案。文中還附帶簡要介紹了用到的軟件開發(fā)工具，以及系統(tǒng)的局限性，并提出了進(jìn)一步改進(jìn)的方案。這也使電子產(chǎn)品向便攜式和低端市場發(fā)展。 無線電子點(diǎn)菜 系統(tǒng)是無線通信技術(shù)的一個典型應(yīng)用。因此微電子技術(shù)的發(fā)展對系統(tǒng)的性能有很大的限制，目前微電子技術(shù)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。目前藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)是多點(diǎn)連接，即一臺設(shè)備同時與多臺（最多 7 臺）其他設(shè)備互聯(lián)。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速率也不是很高，在當(dāng)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。它主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。這一名 稱來源與蜜蜂的八字舞。 （ 3）主要是用來取代點(diǎn)對點(diǎn)的線纜連接； （ 4）新的通訊標(biāo)準(zhǔn)兼容早期的通訊標(biāo)準(zhǔn)； （ 5）小角度（ 30 度錐角以內(nèi)），短距離，點(diǎn)對點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng) （ 6） 傳輸速率較高，目前 4M 速率的 FIR 技術(shù)已被廣泛使用， 16M 速率的 VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。并詳細(xì)分析了平臺組成部分各自的原理以及功能。 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)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(fù)雜度、低 功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 ZigBee 協(xié)議框架 ZigBee 協(xié)議同其它網(wǎng)絡(luò)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(wù)。各個頻段可以使用的信道數(shù)目分別為 1 1，各自提供 250kbps,40kbps 和 20kbps 的傳輸速率，其傳輸范圍介于 10100米之間。在組網(wǎng)方式上， ZigBee 主要采用圖 所示三種方式：其一為主從方式的星形 網(wǎng)，它需要一個能負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和不超過 65535 個從屬裝置；其二為簇形網(wǎng)絡(luò)，它可以是擴(kuò)展的單個星形網(wǎng)或者互連多個星形網(wǎng)絡(luò)；其三為網(wǎng)狀網(wǎng)（ Mesh） ，網(wǎng)絡(luò)中的每個 FFD 可以做為路由器，根據(jù) AD hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來優(yōu)化最基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 8 短和最可靠的路徑。只有通過第三級認(rèn)證的產(chǎn)品才能貼上 ZigBee 的標(biāo)志，所以也稱作 ZigBee 注冊認(rèn)證。設(shè)備搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值為 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15ms。 ZigBee 協(xié)議存在的問題及解決方案 標(biāo)準(zhǔn)是 ZigBee 協(xié) 議的基礎(chǔ)，用它實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集，主要有以下兩個問題： 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)時鐘需要同步，監(jiān)控系統(tǒng)的多傳感器信息融合時，上位機(jī)需要知道每個原始數(shù)據(jù)是何時采集的，采樣的觸發(fā)要求每個節(jié)點(diǎn)有統(tǒng)一的時鐘； 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 10 其通信速率較低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受糾錯碼的編碼效率影響，真正的數(shù)據(jù)發(fā)送量是很低的。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確，實時地監(jiān)測每個病人的血壓，心率等情況，有助于醫(yī)生快速做出反應(yīng)，減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，特別適合對 重，危病患者的監(jiān)護(hù)和治療。 nRF2401 無線收發(fā)一體芯片和藍(lán)牙一樣，都工作在 自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。 nRF2401 的主要特點(diǎn)如下： 圖 nRF2401的引腳排列 (1)采用全球開放的 頻段，有 125 個頻道，可滿足多頻及跳頻需要； (2)速率（ 1Mbps）高于藍(lán)牙，且具有高數(shù)據(jù)吞吐量； (3)外圍元件極少，只需一個晶振和一個電阻即可設(shè)計射頻電路； (4)發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置； (5)電源電壓范圍為 ，功耗很低； (6)電流消耗很小， 5dBm 輸出功率時的典型峰值電流為 ； 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第二章 ZigBee 協(xié)議分析 12 (7)芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源（包括 DC/DC 開關(guān)電源）均有很好的通信效果； (8)每個芯片均可以通過軟件設(shè)置最多 40bit 地址，而且只有收到本機(jī)地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供一個中斷指示），同時編程也很方便； (9)內(nèi)置 CRC（ Cyclic Redundancy Check， 循環(huán) 冗余 校驗） [16]糾檢 錯硬件電路和協(xié)議； (10)采用 DuoCever 技術(shù)可同時接收兩個 nRF2401 的數(shù)據(jù)； (11)采用 ShockBurst TM 模式時，能適用極低的功率操作和不嚴(yán)格的 MCU 執(zhí)行； (12)無需外部 SAW 濾波器； (13)可 100%RF 檢驗； (14)帶有數(shù)據(jù)時隙和數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)功能。若 CE 置低電平，則開始接收新的序列 nRF2401 的 DuoCeiver TM[17]技術(shù)為 RX 提供了兩個獨(dú)立的專用數(shù)字信道，因而可代替兩個單獨(dú)接收系統(tǒng)。 2. 工作電壓： （ 5V 單片機(jī)） 3. 工作頻率范圍： 0 40 MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 可達(dá) 48MHz. 4. 用戶應(yīng)用程序空間 32K 字節(jié) 5. 片上集成 1280 字節(jié) RAM（ Random Access Memory，隨機(jī)存儲器）。 單片機(jī)最小系統(tǒng)組成電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)是整個開發(fā)板的控制中心，它由電源，復(fù)位電路和晶振組成。RS 232 通訊接口是一種標(biāo)準(zhǔn)化的串行接口，是為 DTE(Data Terminal Equipment，遠(yuǎn)程通訊連接終端設(shè)備 )與 DCE (Data Communication Equipment，數(shù)據(jù)通訊設(shè)備 )定義的物理接口。每個數(shù) 碼管的使能端 1,2,3,4 分別接到 ,，當(dāng)向使能端輸出低電平，即可選通相對應(yīng)的數(shù)碼管。 1%以內(nèi)。 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 通過仔細(xì)的比較和反復(fù)的論證后，決定選用 nRF2401 芯片作為無線模塊的核心芯片，它的特點(diǎn)在上一章已經(jīng)詳細(xì)論述，這里不在重復(fù)。 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 及實現(xiàn) 20 (4)6 腳， 12 腳為接地腳 ,需要和開發(fā)板的邏輯地連接起來。由于 PCB 圖上使用元件的封裝來代表元件，因此原理圖中各個元件都要明確有自己的封裝方式，而且在繪制 PCB 圖前必須將用到的封裝所在的封裝庫調(diào)入。但由于自動布線效果不好，往往實際的效果和預(yù)計效果有很大的出入，因此全部使用 交互式布線 。 此外，應(yīng)該 合理布置電源濾波 /退耦電容：一般在原理圖中僅畫出若干電源濾波 /退耦電容，但未指出它們各自應(yīng)接于何處。 圖 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的 PCB圖 基于單片機(jī)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計及實現(xiàn) 第四章 硬件驅(qū)動程序和串行口調(diào)試工具 24 第四章 硬件驅(qū)動程序和串行口調(diào)試工具 驅(qū)動程序是硬件電路的靈魂，沒有驅(qū)動的硬