基于单片机无线电子点菜系统硬件设计及实现

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LSOBRIEFLYINTRODUCESTHESOFTWAREDEVELOPMENTKITSWHICHWILLBEUSEDNEXT，ANALYZESTHELIMITATIONSOFSYSTEM,ANDALSOPROPOSESHOWTOIMPROVEITINORDERTOMAKETHEENTIRESYSTEMMORECOMPREHENSIVE，THEPAPERALSOEXPLOITSTHESERIALDEBUGGINGTOOLINVISUALC60TODISPLAYTHEDATAFROMREMOTEENDINTHEWINDOWONCOMPUTERANDSENDDATATOREMOTEENDINTHEWINDOWFORMTHISBASICALLYACHIEVESTHEGOALKEYWORLDWIRELESSCOMMUNICATION,ZIGBEE，SINGLECHIPMICROCOMPUTER,NRF2401第一章绪论11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（SYSTEMONBOARD）到片上系统（SYSTEMONACHIP）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12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2425GHZISM（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105MA，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24GRF无线通信技术、嵌入式移动数据库技术34、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。12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24GHZ，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1MBS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。3PANPERSONALAREANET，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24GHZISM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AV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31106GHZ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100MBS）的LANLOCALAREANET，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110MBS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。3ZIGBEE17ZIGBEE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。4IRDAINFRAREDDATAASSOCIATION，红外数据标准协会技术56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。13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。14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ZIGBEE7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IEEE802154小组与ZIGBEEALLIANCE两个组织，两者分别制订硬体与软体标准。在IEEE802154方面，2000年12月IEEE成立了802154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802154标准；在ZIGBEE联盟方面，ZIGBEE7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10版规范VERSION10，成员已达150多个。ZIGBEE协议依据802154标准89，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。IEEE802154规范是一种经济、高效、低数据速率300030002兼容性与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器COORDINATOR自动建立网络，采用CSMACA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。安全性ZIGBEE提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性，是网络安全得到有效的保障。实现成本低模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1525美元，且ZIGBEE协议是免专利费的。协议套件紧凑而简单其具体实现的要求很低。ZIGBEE协议套件的需求估计8位微处理器，如80C5110；全协议套件软件需要32K字节的ROM；最小协议套件软件大约4K字节的ROM。222ZIGBEE协议存在的问题及解决方案802154标准是ZIGBEE协议的基础，用它实现无线数据采集，主要有以下两个问题1、网络内传感器节点时钟需要同步，监控系统的多传感器信息融合时，上位机需要知道每个原始数据是何时采集的，采样的触发要求每个节点有统一的时钟；2、其通信速率较低，而且又受到接口通信速率的限制，加之受纠错码的编码效率影响，真正的数据发送量是很低的。解决此问题可以通过如下的途径传感器节点采用DSP处理器，尽可能在传感器节点一级多做些数据处理工作，尽量减少原始数据的发送量，只发送有用信息。例如，对于平稳状态的原始数据可以不发送到上位机中，只发送可疑状态前后的原始数据，这样就大大减少了数据的通信量。223ZIGBEE协议应用前景ZIGBEE协议特别适合数据吞吐量小，网络建设投资少，网络安全要求较高，不便频繁更换电池或者充电的场合，预计将在消费类电子设备，家庭智能化，工业控制，医疗设备控制，农业自动化和无线点菜系统等领域获得广泛的应用。消费类电子产品和家庭智能化将是ZIGBEE技术最有潜力的市场，家庭可以联网的设备包括电视，录象机，PC外设，儿童玩具，游戏机，门禁系统，窗户和窗帘，照明设备，空调设备和其他家用电器等。家用设备引进ZIGBEE协议后将极大改善人们的居住环境和舒适度。在工业控制领域，利用传感器和ZIGBEE网络，可是数据的自动采集，分析和处理变得更加容易；可以作为决策辅助系统的重要组成部分，例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在于低功耗，可最大限度地延长电池的寿命，减少ZIGBEE网络的维护成本。在医学领域，利用传感器和ZIGBEE网络可以准确，实时地监测每个病人的血压，心率等情况，有助于医生快速做出反应，减少医生查房的工作负担，特别适合对重，危病患者的监护和治疗。在现代农业中，利用传感器可以将土壤温度，氮浓度，PH值，降水量，气温，气压和采集信息的地理位置经由ZIGBEE网络传送到中央的控制部分，使农民能及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量，减少发生灾害的概率。本系统是将ZIGBEE协议用于餐馆的无线点菜系统，这样能够提高餐馆档次、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。23基于ZIGBEE协议的芯片1452002年8月ZIGBEE联盟成立时HONEYWELL，INVENSYS,三菱电器，摩托罗拉和飞利浦等国际上知名的大公司就是ZIGBEE协议的支持者。目前，ZIGBEE已经吸引了上百家芯片研发公司和无线设备制造公司，并且不断有新的公司加盟这一联盟。现在国际上有很多公司生产基于ZIGBEE协议的芯片，芯片的集成度也越来越高。例如挪威的NORDIC公司的NRF系列芯片，还有CHIPCON公司的无线数据传输芯片等。各个公司的芯片原理基本相同，编程规则大致相同，因此选用NORDIC公司的NRF2401，下面详细叙述一下NRF2401芯片的特点。NRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在24GHZ自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。NRF2401支持多点间通信，最高传输速率超过1MBIT/S，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SOC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，NRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，NRF2401比蓝牙产品更便宜。所以NRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。NRF2401的引脚排列如图22（顶视图）所示。它采用5MM5MM的24引脚QFN封装。NRF2401的主要特点如下图22NRF2401的引脚排列1采用全球开放的24GHZ频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要；2速率（1MBPS）高于蓝牙，且具有高数据吞吐量；3外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；4发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置；5电源电压范围为1936V，功耗很低；6电流消耗很小，5DBM输出功率时的典型峰值电流为105MA；7芯片内部设置有专门的稳压电路，因此，使用任何电源（包括DC/DC开关电源）均有很好的通信效果；8每个芯片均可以通过软件设置最多40BIT地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据（提供一个中断指示），同时编程也很方便；9内置CRC（CYCLICREDUNDANCYCHECK，循环冗余校验）16纠检错硬件电路和协议；10采用DUOCEVER技术可同时接收两个NRF2401的数据；11采用SHOCKBURSTTM模式时，能适用极低的功率操作和不严格的MCU执行；12无需外部SAW滤波器；13可100RF检验；14带有数据时隙和数据时钟恢复功能。NRF2401的内部结构原理及外部组成框图如图23所示，下面介绍其工作原理。图23NRF2401的内部结构原理及外部组成框图1SHOCKBURSTTM16模式NRF2401的SHOCKBURSTTM模式采用片上FIFOFIRSTINFIRSTOUT，先进先出来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大的降低了功耗。SHOCKBURSTTM发射主要通过MCU接口引脚CE、CLK1和DATA来完成。当MCU请求发送数据时，置CE为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为NRF2401的内部时钟，可用请求协议或MCU将速率调至1MBPS；置CE为低电平可激活SHOCKBURSTTM发射。SHOCKBURSTTM接收主要使用MCU接口引脚CE、DR1、CLK1、DATA来实现。当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后，置CE为高电平可激活RX。此后便可在NRF2401监测信息输入200，若收到有效数据包，则给MCU一个中断并置DR1为高电