基于单片机的无线电子点菜系统硬件方案设计
2. 3基于ZigBee协议的芯片[1][4][5]
2002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2.4GHZ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2.2(顶视图)所示。它采用5mm×5mm的24引脚QFN封装。nRF2401的主要特点如下:
图2.2 nRF2401的引脚排列
(1)采用全球开放的2.4GHZ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1.9-3.6V,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10.5mA;
(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(Cyclic Redundancy Check,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ShockBurst TM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100%RF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2.3所示,下面介绍其工作原理。
图2.3 nRF2401的内部结构原理及外部组成框图
1 ShockBurst TM[16]模式
nRF2401的ShockBurst TM模式采用片上FIFO(First-In First-Out,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。
ShockBurst TM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ShockBurst TM发射。
ShockBurst TM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200μs,若收到有效数据包,则给MCU一个中断并置DR1为高电平,以使MCU 以时钟形式输出有效载荷数据,待系统收到全部数据后, nRF2401再置DR1为低?此时如果CE保持高电平,则等待新的数据包。若CE置低电平,则开始接收新的序列
nRF2401的 DuoCeiver TM[17]技术为RX提供了两个独立的专用数字信道,因而可代替两个单独接收系统。图4所示是DuoCeiver TM同时双接收信道结构图。 nRF2401可以通过一个天线接口从相隔8MHZ的两1Mbps接收机上接收数据。同时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的MCU接口。具体的两个信道如下:
图2.4 DuoCeiver TM同时双接收信道结构图
数字信道1:CLK1,DATA,DR1;
数字信道2:CLK2,DOUT2,DR2;
应当说明的是,数字信道2的频率只有在比数字信道1的频率高出8MHZ时,才能保证正常接收。
第三章 基于ZigBee协议的硬件系统的设计及实现
目前,51系列单片机非常流行,而且资料众多,因此选用51系列单片机作为开发板的MCU,通过附加一定的外围电路后,来和无线数据传输模块进行通信,实现数据的无线传输。
3.1 STC89C58RD+[10]单片机概述
STC89C58RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰,高速,低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。
它具有以下特点:
1. 增强型6时钟/机器周期,12时钟/机器周期 8051 CPU(Central Process Unit,中央处理器)。
2. 工作电压:5.5V - 3.4V(5V单片机)
3. 工作频率范围:0 - 40 MHz,相当于普通8051的 0~80MHz.实际工作频率可达48MHz.
4. 用户应用程序空间32K字节
5. 片上集成 1280 字节RAM(Random Access Memory,随机存储器)。
6. 通用I/O口32个,复位后为: P1/P2/P3是准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口),P0口是开漏输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻。
7. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器/ 仿真器 可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,8K程序3秒即可完成一片
8. EEPROM 功能
9. 看门狗
10.共3个16位定时器/计数器,其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用
11.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12. 通用UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ,通用串行接口),还可用定时器软件实现多个UART
14.工作温度范围: 0 - 75℃ / -40 - +85℃
15.封装: PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44
使用这种单片机做开发板,最大的优势就在于它支持ISP,这样不用购买昂贵的编程器/ 仿真器,直接通过串口线就能实现在线编程。而且内部集成了看门狗和Flash,简化了PCB板的制作。指令代码与51单片机兼容,这样可以用常用的51单片机软件开发工具开发驱动程序。
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