基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现Word文档下载推荐.docx

基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现Word文档下载推荐.docx

《基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现Word文档下载推荐.docx（39页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

2.1ZIGBEE协议框架----------------------------------------------------------7

2.2ZIGBEE协议优缺点和应用前景----------------------------------------------8

2.2.1ZigBee协议的优点------------------------------------------------------9

2.2.2ZigBee协议存在的问题及解决方案----------------------------------------9

2.2.3ZigBee协议应用前景----------------------------------------------------10

2．3基于ZIGBEE协议的芯片---------------------------------------------------10

第三章基于ZIGBEE协议的硬件系统的设计及实现--------------------------------14

3.1STC89C58RD+单片机概述---------------------------------------------------14

3.2开发板的各个组成部分原理图以及功能--------------------------------------14

3.2.1单片机最小系统组成电路------------------------------------------------14

3.2.2串行口电平转换部分----------------------------------------------------15

3.2.3LED部分--------------------------------------------------------------16

3.2.4开发板和无线数据传输模块接口部分--------------------------------------17

3.2.5键盘部分--------------------------------------------------------------18

3.3无线数据传输模块--------------------------------------------------------18

3.4无线数据传输模块和开发板的PCB图设计------------------------------------19

3.4.1开发板的PCB图--------------------------------------------------------19

3.4.2无线数据传输模块的PCB图----------------------------------------------21

第四章硬件驱动程序和串行口调试工具-----------------------------------------23

4.1硬件驱动程序------------------------------------------------------------23

4.1.1主机端硬件驱动程序----------------------------------------------------23

4.1.2移动端驱动程序--------------------------------------------------------26

4.2串行口调试工具----------------------------------------------------------26

4.2.1串行通信的基本原理-----------------------------------------------------26

4.2.2程序设计原理-----------------------------------------------------------28

第五章总结与展望------------------------------------------------------------34

5.1全文总结-----------------------------------------------------------------34

5.2研究展望-----------------------------------------------------------------34

致谢------------------------------------------------------------------------35

参考文献---------------------------------------------------------------------36

摘要：

随着人民生活水平的提高和生活方式的转变，餐饮业具有巨大的投资市场，被称为中国的黄金产业。

无线电子点菜系统是无线通信技术的典型应用，把无线技术用于餐饮业将会极大提高餐馆的工作效率和服务质量。

无线电子点菜系统的完整的硬件平台的设计和实现方案。

整个系统有主机端和移动端两部分组成，无线通信的双方依托一定的硬件平台，按照约定好的协议来实现数据交换。

设计的硬件平台时，首先详细介绍了平台将要用到的一些芯片，然后使用Protel99SE设计出了系统的原理图和PCB（PrintCircuitBroad,印刷电路板）图；

在设计的硬件平台的基础上，依据所用芯片的编程原则，在Windows环境下，以C51语言为编程语言，开发出了无线通信系统的驱动程序来实现双方约定的通信协议。

文中还附带简要介绍了用到的软件开发工具，以及系统的局限性，并提出了进一步改进的方案。

为了使整个系统更加完善，用VisualC++6.0开发了串口调试工具，实现了将远端数据发送到计算机并以窗口形式显示和通过窗口形式将计算机上的数据发送到远端，基本达到了论文的设计目的。

关键词无线通信，ZigBee，单片机，nRF2401

第一章前言

1.1研究背景和意义

人类利用无线通信技术的历史已经有几千年了，古时候用的烽火台就是最原始的无线通信。

但这时候的无线通信技术还只是处于萌芽阶段，只有到19世纪末意大利人马可尼发明无线电报开始，人类才真正开始大规模地利用无线通信技术[1]。

近数十年来随着计算机技术和电子技术的发展，无线通信技术更是以日新月异的速度向前发展，它也成为了通信领域的一个重点研究方向。

现代的无线通信技术是建立在硬件电路的基础上的，因此微电子技术[2]的发展直接制约着无线通信技术的发展。

回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今40多年以来，”从电路集成到系统集成”这句话是对IC产品从SSI（SmallScaleIntegrated，小规模集成电路）到VLSI（VeryLargeScaleIntegrated超大规模集成电路）今天特大规模集成电路发展过程的最好总结，即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统（System-on-board）到片上系统（System-on-a-chip）的过程。

随着集程度的提高，芯片的体积能耗和成本在逐步降低。

这也使电子产品向便携式和低端市场发展。

虽然微电子的发展历史已经有半个多世纪，但是射频芯片[1][2]的发展却是近几年的事。

从分类上来看，射频芯片属于专用集成电路。

目前国际上有很多专门生产射频芯片的公司，例如Nordic公司和Chipcon公司。

这些芯片一般工作在免费频段，采用专门的调制解调技术，内部集成了很多电路。

像Nordic公司的NRF2401芯片，它是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM（IndustrySciencemedicine，工业、科学、医学）频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。

其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。

无线电子点菜系统是无线通信技术的一个典型应用。

近些年来，随着人民生活水平的提高和生活方式的转变，餐饮业具有巨大的投资市场，被称为中国的黄金产业。

人们在消费过程中对服务质量也有了更高的要求，同时餐馆之间的激烈竞争也促进了无线通信技术在餐饮业中的应用。

无线电子点菜系统的目的就是利用最先进的2.4GRF无线通信技术、嵌入式移动数据库技术[3][4]、以及触摸屏的掌上电脑技术,为餐饮业走向全面数字化提供了完整的解决方案。

该系统能够提高餐馆档次、提高效率、自动结账、避免人为错误、避免跑单、实时监控餐馆状况、提供各种各样统计信息、精简人手、管理库存、提高服务品质等，为餐饮行业带来崭新的管理理念与服务手段,优化业务流程,为客户提供更好的服务,实现企业价值最大化同时又使成本最低化,是餐饮行业向信息化发展的一个重要标志。

由于使用无线技术通信，可以不用进行复杂的布线，这也大大降低了餐馆的建设成本，减少了对线路维护的开支。

同时，无线通信的可以移动性也使服务员随时可以和吧台联系。

无线电子点菜系统基于目前很热门的技术–嵌入式技术[3]，依托一定的硬件平台。

因此微电子技术的发展对系统的性能有很大的限制，目前微电子技术已经发展到了SOC（SystemOnChip，片上系统），集成度获得了极大的提高。

同时，芯片的价格，体积和能耗进一步降低，这些都使无线电子点菜系统向移动化和大众化方向发展。

可以说，随着微电子技术的进一步发展，无线电子点菜系统仍然有很大的发展空间。

1.2无线通信技术的发展现状

按照发射功率的不同，无线通信技术可分为短距离无线通信技术和长距离无线通信技术，它们各自依托的硬件平台和通信协议也有很大不同。

几种常见的长距离无线通信系统如GPRS系统和我国即将投入使用的3G系统，它们都有一些共同的特点：

使用专门的频段，需要专门的公司进行运营。

由于本系统要求传输距离有限，而且对成本有限制，因此长距离无线通信协议不在考虑的范围之内，下面就重点阐述几种常见的短距离无线通信协议：

1蓝牙[5]

爱立信在1994年开始研究一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的无线模块，4年后，爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。

蓝牙工作频率为2．4GHz，有效范围大约在10m半径内。

在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、微机、激光打印机等能够无线互联，以约1Mb／s的速率相互传递数据，并能方便地接入互联网。

目前蓝牙技术开发重点是多点连接，即一台设备同时与多台（最多7台）其他设备互联。

今后，市场上不同厂商的蓝牙产品将能够相互联通。

蓝牙技术的应用主要有以下3类：

1语音／数据接入　是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的连接。

2外围设备互连　是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。

3PAN（PersonalAreaNet，个人局域网）如图1所示，主要用于个人网络与信息的共享与交换。

蓝牙协议有以下技术特点：

（1）蓝牙工作在全球开放的2.4GHzISM频段；

（2）使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道（hopchannel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道；

（3）一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接；

（4）数据传输速率可达1Mbit/s；

（5）低功耗、通讯安全性好；

（6）在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求；

（7）支持语音传输；

（8）组网简单方便

正是由于蓝牙协议有以上特点，蓝牙产品涉及PC、笔记本电脑、移动电话等信息设备和A／V设备、汽车电子、家用电器和工业设备领域。

蓝牙的支持者们预言说，一旦支持蓝牙的芯片变得非常便宜，蓝牙将置身于几乎所有产品之中，从微波炉一直到衣服上的纽扣。

但是蓝牙的传输距离比较短，而且蓝牙是一种还没有完全成熟的技术，尽管被描述得前景诱人，但还有待于实际使用的严格检验。

蓝牙的数据传输速率也不是很高，在当今这个数据爆炸的时代，可能也会对它的发展有所影响。

目前主流的软件和硬件平台均不提供对蓝牙的支持，这使得蓝牙的应用成本升高，普及难度增大。

从以上各点综合考虑，蓝牙协议不适合本系统。

2超宽带技术UWB（UltraWideband）[6]

超宽带技术UWB（UltraWideband）是另一个新发展起来的无线通信技术。

UWB通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。

窄脉冲（小于1ns）产生极大带宽的信号。

脉冲采用脉位调制（PulsePositionModulation，PPM）或二进制移相键控（BPSK）调制。

UWB被允许在3．1～10．6GHz的波段内工作。

它主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。

除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高（大于100Mb／s）的LAN（LocalAreaNet，本地局域网）s或PANs。

军事部门已对UWB进行了多年研究，开发出了分辨率极高的雷达。

直到2002年2月14日，美国联邦通信委员会才准许该技术进入民用领域。

所以对于商业和消费领域，UWB还是新鲜事物。

UWB有可能在10m范围内，支持高达110Mb／s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。

虽然说UWB技术的数据传输距离相比蓝牙技术已经获得很大提高，但是仍然不能满足本系统的技术要求。

3ZigBee[1][7]

Zigbee是一种短距离、低功耗的无线通信技术名称。

这一名称来源与蜜蜂的八字舞。

其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

ZigBee协议的技术特点和应用前景将在下一章详细叙述。

4IrDA（infrareddataassociation，红外数据标准协会）技术[5][6]

红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。

由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输，传输速率最快可达16Mbps。

IRDA将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。

IRDA技术有以下特点：

（1）它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；

（2）通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。

（3）主要是用来取代点对点的线缆连接；

（4）新的通讯标准兼容早期的通讯标准；

（5）小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强

（6）传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。

虽然目前IRDA技术发展已经很成熟，而且有很多公司的产品都支持这种协议。

但是由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以它只能用于视距传输，传输距离比较短，因此也不适合本系统的技术要求。

综合比较以上各个短距离无线通信协议的技术特点和本系统的要求，只有ZigBee协议能基本满足要求。

而且目前支持ZigBee协议的厂商比较多，技术发展也很成熟，可以作成低成本的嵌入式产品。

1.3论文的研究内容

无线电子点菜系统的实现是建立在硬件电路的基础上的，为了降低误码率，提高频率资源的利用律，数据必须按照一定协议传输。

在发送端，数据按照一定的格式编码，然后调制到一约定的频率后发送；

接受端将接收到的信号经过解调和解码后，将数据还原。

本论文的研究内容主要有两部分组成：

1.经过讨论各种无线通信协议的特点和电子技术的发展现状，在此基础上，提出了基于ZigBee协议的硬件平台。

并详细分析了平台组成部分各自的原理以及功能。

2.分析了平台的编程规则，开发出了相应的驱动程序。

1.4内容安排

本文对无线电子电菜系统的硬件设计进行了深入的研究，全文共分为五章，各章节的内容安排如下：

第一章介绍了本文的研究背景和各章节的内容安排情况。

第二章介绍ZigBee协议的详细内容和一种基于ZigBee协议的芯片。

第三章在上一章的基础上提出了自己的硬件平台，详细介绍了平台的组成部分和各自的功能。

第四章和第三章相对应的，主要讲了硬件平台的驱动程序以及PC机端串行口调试工具的开发，并简单介绍了相应的软件开发工具。

第五章是总结与展望。

对本文工作进行了总结，并探讨可以进一步深入研

究的方向。

第二章ZigBee[7]协议分析

ZigBee协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。

在标准规范制订方面，主要是IEEE802.15.4小组与ZigBeeAlliance两个组织，两者分别制订硬体与软体标准。

在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC（MediaAccessControl,媒体存取控制层）与物理层规范，2003年5月通过802.15.4标准；

在ZigBee联盟方面，ZigBee[7]联盟是在2002年10月由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、Philips与Invensys共同成立，ZigBee联盟负责制订网路层、安全管理、应用界面规范，其次也肩负互通测试，目前ZigBee联盟已推出第1.0版规范（Version1.0），成员已达150多个。

ZigBee协议依据802.15.4标准[8][9]，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<

250kbps）、工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术，它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。

相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术，同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。

所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。

2.1ZigBee协议框架

ZigBee协议同其它网络通信协议一样采用分层模型，对各层所实现的功能和在整个协议中起的作用做了明确的划分，每层为其上层提供一组特定的服务。

ZigBee的协议架构大致如表2.1所列。

表2.1ZigBee的协议架构

ZigBee协议虽然是基于标准的七层OSI（OpenSystemInterconnect，开放式系统互联）模型[10]，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。

IEEE802.15.4-2003标准定义了最下面的两层：

物理层和MAC。

ZigBee联盟提供了网络层和应用层框架的协议。

相比于常见的无线通信标准，ZigBee协议套件紧凑而简单，具体实现的要求很低。

以下是ZigBee协议套件的需求估计：

硬件需要8位处理器，如广泛使用的80C51系列单片机[12]；

软件需要32KB的ROM（ReadOnlyMemory，只读存储器），最小软件需要4KB的ROM；

网络主节点需要更多的ROM以容纳网络内所有节点的设备信息，数据包转发表，设备关联表，与安全有关的密钥存储等。

1物理层

IEEE802.15.4标准在物理层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，才用的工作频段分别为2.4GHz和868/915MHz。

各个频段可以使用的信道数目分别为16、10、1，各自提供250kbps,40kbps和20kbps的传输速率，其传输范围介于10-100米之间。

为了避免干扰，在各个频段均使用DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频技术）[13]，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列的应用可以使模拟电路更加简单，具有更高的容错性能。

2媒体访问层

IEEE802.15.4标准在媒体访问层（MAC）方面，主要沿用无线局域网WLAN中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance，载波监听多路访问与冲突避免）方式以提高系统的兼容性。

这种MAC层的设计不但是多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗控制。

3网络层

网络功能是ZigBee协议的重要特点，也是与其他无线局域网标准不同的地方。

在网络层方面其主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并且具有自我组态与自我修复功能。

在网络层中ZigBee协议定义了三种角色：

第一个是网络协调器，负责网络的建立以及网络位置的分配；

第二个是路由器，主要负责找寻建立以及修复信息包的路由路径，并负责转发信息包；

第三个是末端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息包，但是不能转发，不具备路由的功能。

通常，路由器和网络协调器由全功能装置（FFD）实现，而末端装置由简化功能装置（RFD）实现。

在组网方式上，ZigBee主要采用图2.1所示三种方式：

其一为主从方式的星形网，它需要一个能负责管理和维护网络的网络协调器和不超过65535个从属装置；

其二为簇形网络，它可以是扩展的单个星形网或者互连多个星形网络；

其三为网状网（Mesh），网络中的每个FFD可以做为路由器，根据ADhoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。

图2.1三种网络拓扑结构

4应用层

对于应用层，主要有三个部分：

与网络层相连的应用支持（APS），Zi