【正文】 .... 40 附錄 ................................................................. 41 IV 摘 要 隨著人民生活水平 的提高 和生活方式的轉(zhuǎn)變，餐飲業(yè)具有巨大的投資市場(chǎng)，被稱為中國的黃金產(chǎn)業(yè)。 關(guān)鍵詞 無線通信， ZigBee，單片機(jī)， nRF2401 V Abstract Along with the enhancement of the level of the people’s lives and the transformation of the lifestyle, the dining industry which is called gold industry in China has the huge investment market. The wireless electronic ordering food system is the typical use of the technology of wireless munication. Using the technology of wireless munication in the dining industry will largely improve the working efficiency and the grade of service. The present paper brings up the plan of the hardware design of the the wireless electronic ordering food system and how to realize. The overall system is made up of two parts, one is the main end and the other is the mobile end. Both sides of wireless correspondence depend on certain hardware platforms. They exchange data according to the protocol which both sides have agreed on before, and the data is transformed in specific frame form. When designing the hardware platform, first analyzes the CMOS chips that will be used in the system. Then, the paper uses Protel 99 SE to design the principle picture and the PCB picture of the system. In this foundation, according to the programming rules of the CMOS chips used in the system, the paper exploits the driving program of the system using C51 programming language in the Windows operating system. By the way, this paper also briefly introduces the software development kits which will be used next， analyzes the limitations of system, and also proposes how to improve it. In order to make the entire system more prehensive， the paper also exploits the serial debugging tool in Visual C++ to display the data from remote end in the window on puter and send data to remote end in the window form. This basically achieves the goal. KEY WORLD wireless munication, ZigBee ， SingleChip Microputer, nRF2401 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 1 第一章 緒論 研究背景和意義 人類利用無線通信技術(shù)的歷史已經(jīng)有幾千年了，古時(shí)候用的烽火臺(tái)就是最原始的無線通信。從分類上來看，射頻芯片屬于專用集成電路。 人們?cè)谙M(fèi)過程中對(duì)服務(wù)質(zhì)量也有了更高的要求，同時(shí)餐館之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)也促進(jìn)了無線通信技術(shù)在 餐飲業(yè) 中的應(yīng)用?？梢哉f，隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 無線電子點(diǎn)菜系統(tǒng) 仍然有很大的發(fā)展空間。 藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用主要有以下 3 類： 1 語音／數(shù)據(jù)接入 是指將一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過安全的無線鏈路連接到通信設(shè)備上，完成與廣域網(wǎng)的連接。從以上各點(diǎn)綜合考慮，藍(lán)牙協(xié)議不適合本系統(tǒng)。 軍事部門已對(duì) UWB 進(jìn)行了多年研究，開發(fā)出了分辨率極高的雷達(dá)。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備 。但是由于 紅外線的波長較短，對(duì)障礙物的衍射能力差 ，所以它只能用于視距傳輸，傳輸距離比較短，因此也不適合本系統(tǒng)的技術(shù)要求。 內(nèi)容安排 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 5 本文對(duì)無線電子電菜系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，全文共分為五章，各章節(jié)的內(nèi)容安排如下： 第一章介 紹了本文的研究背景和各章節(jié)的內(nèi)容安排情況。在 IEEE 方面， 2000 年 12月 IEEE成立了 小組，負(fù)責(zé)制訂 MAC（ Media Access Control,媒體存取控制層 ）與物理層規(guī)范， 2020 年 5 月通過 標(biāo)準(zhǔn)；在 ZigBee 聯(lián)盟方面， ZigBee[7]聯(lián)盟是在 2002 年 10月由 Honeywell、 Mitsubishi、 Motorola、 Philips 與 Invensys共同成立， ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)制訂網(wǎng)路層、安全管理、應(yīng)用界面規(guī)范，其次也肩負(fù)互通測(cè)試，目前 ZigBee 聯(lián)盟已推出第 版規(guī)范 (Version )，成員已達(dá) 150 多個(gè)。 表 ZigBee的協(xié)議架構(gòu) 第四層 應(yīng)用層 第三層 網(wǎng)絡(luò)層 第二層 媒體訪問層（ MAC） 第一層 物理層 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 7 ZigBee 協(xié)議雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的七層 OSI（ Open System Interconnect，開放式系統(tǒng)互聯(lián)）模型 [10]，但僅對(duì)那些涉及 ZigBee 的層予以定義。 2 媒體訪問層 標(biāo)準(zhǔn)在媒體訪問層（ MAC）方面，主要沿用無線局域網(wǎng) WLAN 中 系列標(biāo)準(zhǔn)的 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，載波監(jiān)聽多路訪問與沖突避免 )方式以提高系統(tǒng)的兼容性。 ZigBee 的應(yīng)用層架構(gòu)最重要的是已經(jīng)覆蓋了服務(wù)的觀念。 ZigBee 協(xié)議的優(yōu)點(diǎn) 功耗低：由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式（當(dāng)不傳送數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)喚醒它們），可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長達(dá)六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 (Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用 CSMACA 方式進(jìn)行信道存取。例如，對(duì)于平穩(wěn)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)可以不發(fā)送到上位機(jī)中，只發(fā)送可 疑狀態(tài)前后的原始數(shù)據(jù)，這樣就大大減少了數(shù)據(jù)的通信量。 本系統(tǒng)是將 ZigBee 協(xié)議用于餐館的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)， 這樣 能夠提高餐館檔次、提高效率、自動(dòng)結(jié)賬、避免人為錯(cuò)誤、避免跑單、實(shí)時(shí)監(jiān)控餐館狀況、提供各種各樣統(tǒng)計(jì)信息、精簡(jiǎn)人手、管理庫存、提高服務(wù)品質(zhì)等，為餐飲行業(yè)帶來嶄新的管理理念與服務(wù)手段 ,優(yōu)化業(yè)務(wù)流程 ,為客戶提供更好 的服務(wù) ,實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值最大化同時(shí)又使成本最低化 ,是餐飲行業(yè)向信息化發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。它采用 SOC 方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。 圖 nRF2401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成框圖 1 ShockBurst TM[16]模式 nRF2401 的 ShockBurst TM 模式采用片上 FIFO(FirstIn FirstOut，先進(jìn)先 )出來進(jìn)行低數(shù)據(jù)率的時(shí)鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸，因此極大的降低了功耗。 nRF2401 可以通過一個(gè)天線接口從相隔 8MHZ 的兩 1Mbps 接收機(jī)上接收數(shù)據(jù)。 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器 / 仿真器 可通過串口（ ）直接下載用戶程序， 8K 程序 3 秒即可完成一片 8. EEPROM 功能 9. 看門狗 3 個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器 0 還可以當(dāng)成 2個(gè) 8位定時(shí)器使用 4路 ,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 12. 通用 UART（ Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ，通用串行接口），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART ： 0 75℃ / 40 +85℃ ： PDIP40， PLCC44,PQFP44 使用這種單片機(jī)做開發(fā)板，最大的優(yōu)勢(shì)就在于它支持 ISP，這樣不用購買昂貴的基于單片機(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) 15 編程器 / 仿真器，直接通過串口線就能實(shí)現(xiàn)在線編程。為了便于調(diào)試，將 和發(fā)光管相連，發(fā)光管為共陽極連接，這 是因?yàn)殚_發(fā)板初上電或者或者復(fù)位后，所有的 I/O 口均為高電平。為了提高抗干擾能力和增加傳送距離， RS 一 232 的每個(gè)腳線的信號(hào)和電平規(guī)定采用負(fù)邏輯電平，DC(15 一 5V)規(guī)定為邏輯“ 1” ,DC(+ 5— +15V)規(guī)定邏輯“ 0” , DC(5 一 +5V 規(guī)定為過渡區(qū) )。 圖 為 LED 部分。圖 為開發(fā)板和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口部分，圖 為 5V 電平轉(zhuǎn) 電平部分。 圖 nRF2401芯片的典型應(yīng)用電路 從圖 11 可以看出，只需要很少外圍電路就可以組成無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步， PCB 在復(fù)雜程度和應(yīng)用范圍方面都有了長足的進(jìn)步，按復(fù)雜程度來分，可以將 PCB 板分為 3 類： ； 路板； 。 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) 21 圖 開發(fā)板的 PCB圖 開發(fā)板上主要用到兩個(gè)封裝庫： USB電源接口，電源開關(guān)，鍵盤和四位八段數(shù)碼管沒有對(duì)應(yīng)的封裝，因此需要使用元件庫編輯器建立新元件封裝。 首先 根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加租電源線寬度，減少環(huán)路電阻 ， 它們的關(guān)系是：地線＞電源線＞信號(hào)線 。 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的 PCB 圖 由于無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心芯片工作在 ，因此在設(shè)計(jì) PCB 圖時(shí)對(duì)干擾的控制要格外重視。單片機(jī)軟件開發(fā)平臺(tái)選擇比較流行的 Keil uVision2，因?yàn)楝F(xiàn)在關(guān)于 Keil uVision2 軟件的資料很多，這樣上手就會(huì)很快。匯編語言的機(jī)器代碼生成效率很高但可讀性卻并不強(qiáng)，復(fù)雜一點(diǎn)的程序就更是難讀懂，而 C 語言在大多數(shù)情況下其機(jī)器代碼生成 效率和匯編語言相當(dāng)，但可讀性和可移植性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過匯編語言，而且 C 語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時(shí)效性的代碼編寫問題。再次發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要軟件將 TI 位清 0。在方式 2 或方式 3 下， 數(shù)據(jù)由TXD 發(fā)送 RXD 接收， 1 幀數(shù)據(jù)為 11 位， 1 位起始位（低電平）， 8 位數(shù)據(jù)位（低位在前）， 1 位可編程位（第 9 位數(shù)據(jù)，用作奇偶校驗(yàn)或地址 /數(shù)據(jù)選擇）， 1 位停止位（高電平）。 nRF2401 的數(shù)據(jù)傳輸方式為同步傳輸，因此使用普通的 I/O 口通過軟件方式模擬 SPI 方式傳輸。 nRF2401 的配置字如表 所示： 在配置模式下要保持 PWR_UP 引腳為高電平， CE 引腳為低電平，配置字從最高位開始，依次寫入 nRF2401。要用 C++來開發(fā) Windows 和 Web 上的高性能應(yīng)用程序， Visual C++是效率最高的