【正文】 N 為 1 時(shí)，單片機(jī)允許接收數(shù)據(jù)。 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]。 Visual C++ 在不犧牲靈活性、性能和控制力度的同時(shí)，給 C++帶來(lái)了更高水平的生產(chǎn)效率。 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(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)的。 開(kāi)發(fā)板還要通過(guò)專門(mén)的接口和無(wú)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。 發(fā)送完畢后，硬件自動(dòng)將 TI 置 1。 STC89C58RD+是51 類單片機(jī)，可以像開(kāi)發(fā)其他 51 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)一樣開(kāi)發(fā)它的驅(qū)動(dòng)程序。布線過(guò)程中充分考慮到如何降低元件字之 間互相的干擾。 圖 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊與開(kāi)發(fā)板的接口電路 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊 和開(kāi)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。 LM1117 系列具有 LLP、 TO26 SOT22 TO220 和TO252 DPAK 封裝；此外為了使兩個(gè)模塊直接相連，將 P2 口的部分引腳用排針引到基于單片機(jī)的無(wú)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) 18 一起，排針間距為 100mil,標(biāo)準(zhǔn) DIP 插針。 RS232 采用非平衡連接 (又稱為單端線路 )，在這個(gè)線路中，信號(hào)電壓加到一條導(dǎo)線上，所有的信號(hào)電壓都使用一個(gè)公共的接地線。 6. 通用 I/O 口 32 個(gè)，復(fù)位后為： P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）， P0口是開(kāi)漏輸出，作 為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。 nRF2401 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成框圖如圖 所示，下面介紹其工作原理。 在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，利用傳感器可以將土壤溫度，氮濃度， PH 值，降水量，氣溫，氣壓和采集信息的地理位置經(jīng)由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳送到中央的控制部分，使農(nóng)民能及早而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，減少發(fā)生災(zāi)害的概率。 表 Zigbee與藍(lán)牙協(xié)議時(shí)延比較 設(shè)備收索時(shí)延典型值（ ms） 休眠激活時(shí)延典型值 (ms) 活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延 (ms) ZigBee 技術(shù) 30 15 15 藍(lán)牙技術(shù) =3000 3000 2 兼容性：與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。 圖 三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 4 應(yīng)用層 對(duì)于應(yīng)用層，主要有三個(gè)部分：與網(wǎng)絡(luò)層相連的應(yīng)用支持（ APS）， ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ ZDO）以及裝置應(yīng)用行規(guī)。 ZigBee的協(xié)議架構(gòu)大致如表 所列。 ，開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。目前主流的軟件和硬件平臺(tái)均不提供對(duì)藍(lán)牙的支持，這使得藍(lán)牙的應(yīng)用成本升高，普及難度增大。同時(shí)，芯片的價(jià)格，體積和能耗進(jìn)一步降低，這些都使 無(wú)線電子點(diǎn)菜 系統(tǒng)向移動(dòng)化和大眾化方向發(fā)展。 雖然微電子的發(fā)展歷史已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)，但是射頻芯片 [1][2]的發(fā)展卻是近幾年的事。 無(wú)線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)是無(wú)線通信技術(shù)的典型應(yīng)用，把無(wú)線技術(shù)用于餐飲業(yè)將會(huì)極大提高餐館的工作效率和服務(wù)質(zhì)量。這些芯片一般工作在免費(fèi)頻段，采用專門(mén)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，內(nèi)部集成了很多電路 。幾種常見(jiàn)的長(zhǎng)距離無(wú)線通信系統(tǒng)如 GPRS 系統(tǒng)和我國(guó)即將投入使用的 3G 系統(tǒng)，它們都有一些共同的特點(diǎn)：使用專門(mén)的頻段，需要專門(mén)的 公司進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。 UWB通過(guò)基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。 4 IrDA (infrared data association， 紅外數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) )技術(shù) [5][6] 紅外線是波長(zhǎng)在 750nm 至 1mm 之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見(jiàn)光，是一種人的眼睛看不到的光線。 第三章在上一章的基礎(chǔ)上提出了自己的硬件平臺(tái)，詳細(xì)介紹了平臺(tái)的組成部分和各自的功能。 ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架的協(xié)議。而裝置應(yīng)用行規(guī)則是根據(jù)不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)出的不同的描述信息，以及 ZigBee 各層協(xié)議的參數(shù)設(shè)定。 安全性： Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 AES128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性，是網(wǎng)絡(luò)安全得到有效的保障。目前， ZigBee 已經(jīng)吸引了基于單片機(jī)的無(wú)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 11 上百家芯片研發(fā)公司和無(wú)線設(shè)備制造公司，并且不斷有新的公司加盟這一聯(lián)盟。當(dāng) MCU 請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置 CE為高電平，此時(shí)的接收機(jī)地址和有效載荷數(shù)據(jù)作為 nRF2401 的內(nèi)部時(shí)鐘，可用請(qǐng)求協(xié)議或 MCU 將速率調(diào)至 1Mbps；置 CE 為低電平可激活 ShockBurst TM 發(fā)射。指令代碼與 51 單片機(jī)兼容，這樣可以用常用的 51 單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。選用的電平轉(zhuǎn)換芯片為 MAX232，它的工作電壓為 +5V，和單片機(jī)的工作電源相同。有四個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)構(gòu)成，分別為 S5(), S6(), S7(), S5(),正常情況下均為高電平。 PCB 的生成主要由四個(gè)過(guò)程組成：其一是原理圖的生成；其二是根據(jù)已經(jīng)生成的原理圖產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表，網(wǎng)絡(luò)表是 PCB 圖和原理圖的紐帶；第三步是新建一個(gè) PCB文件，并導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表；第四步是將合理布局元件，并用導(dǎo)線將元件的引腳連起來(lái)。線條有講究：有條件做寬的線決不做細(xì)；高壓及高頻線應(yīng)園滑，不得有尖銳的倒角，拐彎也不得采用直角 。選用 Visual C++ 來(lái)開(kāi)發(fā)串行口調(diào)試工具， Visual C++ 是微軟公司推出的一款優(yōu)秀開(kāi)發(fā)工具，代碼緊湊，運(yùn)行速度快，而且比較適合低層開(kāi)發(fā)。 RXD 為數(shù)據(jù)接收端，接受數(shù)據(jù)保存到 SBUF接收緩沖器中。工作模 式由 PWR_UP 、 CE、 TX_EN 和 CS 三個(gè)引腳決定，詳見(jiàn)表 。 它具有可視化的界面 ，封裝了大量的類，使界面制作變的很簡(jiǎn)單，使用它可以方便快捷地開(kāi)發(fā) Windows 環(huán)境下的應(yīng)用程序。 串行口調(diào)試工具 串行口調(diào)試工具是用微軟公司的 visual c++[20][21]開(kāi)發(fā)的。開(kāi)發(fā)板向 PC 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用查詢方式，這樣可以節(jié)省單片機(jī)有限的資源。方式 0可以外接移位寄存器，將串行口擴(kuò)展為并行口，也可以外接同步輸入 /輸出設(shè)備。 圖 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的 PCB圖 基于單片機(jī)的無(wú)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 24 第四章 硬件驅(qū)動(dòng)程序和串行口調(diào)試工具 驅(qū)動(dòng)程序是硬件電路的靈魂，沒(méi)有驅(qū)動(dòng)的硬件電路是沒(méi)有用的。但由于自動(dòng)布線效果不好，往往實(shí)際的效果和預(yù)計(jì)效果有很大的出入，因此全部使用 交互式布線 。 基于單片機(jī)的無(wú)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) 20 (4)6 腳， 12 腳為接地腳 ,需要和開(kāi)發(fā)板的邏輯地連接起來(lái)。 1%以內(nèi)。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。 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(chǔ)器）。 nRF2401 的主要特點(diǎn)如下： 圖 nRF2401的引腳排列 (1)采用全球開(kāi)放的 頻段，有 125 個(gè)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(gè)晶振和一個(gè)電阻即可設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)的典型峰值電流為 ； 基于單片機(jī)的無(wú)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 12 (7)芯片內(nèi)部設(shè)置有專門(mén)的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源（包括 DC/DC 開(kāi)關(guān)電源）均有很好的通信效果； (8)每個(gè)芯片均可以通過(guò)軟件設(shè)置最多 40bit 地址，而且只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)（提供一個(gè)中斷指示），同時(shí)編程也很方便； (9)內(nèi)置 CRC（ Cyclic Redundancy Check， 循環(huán) 冗余 校驗(yàn)） [16]糾檢 錯(cuò)硬件電路和協(xié)議； (10)采用 DuoCever 技術(shù)可同時(shí)接收兩個(gè) nRF2401 的數(shù)據(jù)； (11)采用 ShockBurst TM 模式時(shí)，能適用極低的功率操作和不嚴(yán)格的 MCU 執(zhí)行； (12)無(wú)需外部 SAW 濾波器； (13)可 100%RF 檢驗(yàn)； (14)帶有數(shù)據(jù)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)功能。 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(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)每個(gè)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(duì) 重，危病患者的監(jiān)護(hù)和治療。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為 30ms，休眠激活時(shí)延典型值為 15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為 15ms。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(gè)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(guò) 65535 個(gè)從屬裝置；其二為簇形網(wǎng)絡(luò)，它可以是擴(kuò)展的單個(gè)星形網(wǎng)或者互連多個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)；其三為網(wǎng)狀網(wǎng)（ Mesh） ，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè) FFD 可以做為路由器，根據(jù) AD hoc 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來(lái)優(yōu)化最基于單片機(jī)的無(wú)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 8 短和最可靠的路徑。 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(duì)各層所實(shí)現(xiàn)的功能和在整個(gè) 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)。并詳細(xì)分析了平臺(tái)組成部分各自的原理以及功能。這一名 稱來(lái)源與蜜蜂的八字舞。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速率也不是很高，在當(dāng)今這個(gè)數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，可能也會(huì)對(duì)它的發(fā)展有所影響。因此微電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)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。這也使電子產(chǎn)品向便攜式和低端市場(chǎng)發(fā)展。 論文給出了無(wú)線電子點(diǎn)菜系統(tǒng)的完整的硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。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(guò)程序進(jìn)行配置。由于本系統(tǒng)要求傳輸距離有限，而且對(duì)成本有限制，因此長(zhǎng)距離無(wú)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(jiàn)的短距離無(wú)線通信協(xié)議： 1 藍(lán)牙 [5] 愛(ài)立信在 1994 年開(kāi)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(wú)線模塊， 4 年后，愛(ài)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(wú)線連接。窄脈沖（小于 1ns）產(chǎn)生極大帶寬的信號(hào)。由于紅外線的波長(zhǎng)較短，對(duì)障礙物的衍射能力差，所以更適合應(yīng)用在需要短距離無(wú)線通訊的場(chǎng)合，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸， 傳輸速率最快可達(dá) 16Mbps。 第四章和第三章相對(duì)應(yīng)的，主要講了硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序以及 PC 機(jī)端串行口調(diào)試工具的開(kāi)發(fā)，并簡(jiǎn)單介紹了相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)工具。 相比于常見(jiàn)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)， ZigBee 協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。 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(lái)保證 MAC 層禎的機(jī)密性，一致性和真實(shí)性。 實(shí)現(xiàn)成本低：模塊的初始成本估計(jì)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?，F(xiàn)在國(guó)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(lái)越高。 ShockBurst TM 接收主要使用 MCU 接口引腳 CE、 DR CLK DATA 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 開(kāi)發(fā)板的各 個(gè)組成部分原理圖以及功能 整個(gè)開(kāi)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(gè)開(kāi)發(fā)板的控制中心，控制各個(gè)外圍電路協(xié)調(diào)工作，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能。 由于 STC89C58RD+單片機(jī)支持 ISP 下載，因此通過(guò)這個(gè)串行口既可以用來(lái)和 PC 機(jī)通信，又能將程序下載到單片機(jī)，不用購(gòu)買(mǎi)昂貴的編程器。當(dāng)鍵按下后，基于單片機(jī)的無(wú)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) 19 輸出為低電平 。 開(kāi)發(fā)板的 PCB 圖 將開(kāi)發(fā)板的原