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。