基于局域网内物体互联的设计开发.docx
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基于局域网内物体互联的设计开发
目录
摘要1
设计者:
1
关键词:
物联网,IPhone,无线遥控,小车1
远程遥控车总体设计方案2
一:
物联网的背景介绍以及发展前景2
1、物联网简介2
2、前景广阔的物联网2
3、各国大力扶持3
二、设计主体部分4
第一、USB通信模块5
第二、无线通信模块原理11
第三、小车控制原理及原理图23
参考文献:
25
基于局域网内无线遥控车的设计开发
摘要
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。
其英文名称是“TheInternetofthings”。
由此,顾名思义,“物联网就是物物相连的互联网”。
这有两层意思:
第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信。
本设计主要实现基于局域网内通过IPhone终端来控制小车的行动来模拟物联网的远程控制功能。
设计者:
山大威海分校五人行创业团队(齐风朋,廖梦佳,王亚洲,徐凌凯,董鲁北)
关键词:
物联网,IPhone,无线遥控,小车
远程遥控车总体设计方案
一:
物联网的背景介绍以及发展前景
1、物联网简介
物联网(TheInternetofthings),把新一代IT技术充分运用在各行各业之中。
物联网具体地说,就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中,然后将“物联网”与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合,在这个整合的网络当中,存在能力超级强大的中心计算机群,能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。
在此基础上,人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活,达到“智慧”状态,提高资源利用率和生产力水平,改善人与自然间的关系。
2、前景广阔的物联网
物联网是IT发展方向,“物联网”概念的问世,打破了之前的传统思维。
过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开:
一方面是机场、公路、建筑物,而另一方面是数据中心,个人电脑、宽带等。
而在“物联网”时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施,在此意义上,基础设施更像是一块新的地球工地,世界的运转就在它上面进行,其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。
有研究机构预计10年内物联网就可能大规模普及,这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场,其产业要比互联网大30倍。
“物联网”被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。
业内专家认为,物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。
目前,美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。
我国也正在高度关注、重视物联网的研究,工业和信息化部会同有关部门,在新一代信息技术方面正在开展研究,以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。
此外,在“物联网”普及以后,用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量。
物联网的推广将会成为推进经济发展的又一个驱动器,为产业开拓了又一个潜力无穷的发展机会。
按照目前对物联网的需求,在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签,这将大大推进信息技术元件的生产,同时增加大量的就业机会。
3、各国大力扶持
回顾信息产业的发展,每一次跨越几乎都是国家发展战略结出的硕果。
在美国,IBM提出“智慧地球”的概念,受到奥巴马政府的高度重视,认为“物联网”能够带来长短兼顾的良好效益,因此奥巴马政府将“物联网”与“绿色能源”并列为振兴经济的两大武器;在欧洲,欧盟基于物联网的构想提出了“i2010”计划;而日本和韩国,则分别提出了“U—japan”和“U—Korea”的物联网发展战略。
2009年,温家宝总理在中科院传感网工程研发中心考察时提出建立“感知中国”中心,要求科研机构今后着力突破物联网关键技术。
之后,工业和信息化部部长李毅中在《科技日报》上发表署名文章,表示应深入推进物联网的研发应用,并将其上升到“战略性新兴产业”高度。
随后,全国信息技术标准化技术委员会专门组建了传感器网络标准工作组,正式推动物联网相关产业发展。
目前,我国正全力支持两个与物联网相关的重大项目的研发,一个是国家重大专项之一的无线专项研发,另一个是CNGI(China’SNextGenerationInternet,中国下一代互联网)的建设。
二、设计主体部分
本遥控车设计主要的设计思路是通过IPhone手机终端设备连接局域网来远程控制小车的行动。
中间的通信环节主要是用到了USB通信技术、无线通信技术和小车控制技术。
用到的主要元器件清单如下:
IPhone手机终端
一个
CY7C68013A开发板
一块
CY7C68013A
一个
LT1763CS8-3.3
两块
无线收发模块
两个
小车套件
一个
51单片机
两块
USBHeader
一个
电阻
若干
电容
若干
遥控车设计开发的全部流程及原理
第一、USB通信模块
1、EZ-USBFX2TM特性
Cypress的EZ-USBFX2是一款集成了USB2。
0接口的微控制器。
通过集成USB2。
0收发器、SIE串行接口引擎,SerialInterfaceEngine)、增强的8051微控制器以及可编程成的外部接口于一个单片中,Cypress为决策者获取产品速上市利益建立了一个真正的高效解决方案。
虽然在小到56脚SSOP封装内仍然使用低成本的8051微控制器,但由于FX2独特的体系结构,使数据传输速率可以达到USB2。
0允许的最大带宽——每秒56Mbytes。
因为组合了USB2。
0收发器,FX2比USB2。
0SIE和使用外部收发器实现更经济、提供了更小封装尺寸的解决方案。
由于有EZ-USBFX2,Cypress灵巧的SIE可以在硬件中处理最多的USB1。
1和2。
0协议,将嵌入式控制器从特殊的应用功能中解脱出来,并且可以减少为确保USB兼容性所花费的开发时间。
GPIF(通用可编程接口,TheGeneralProgrammableInterface)、主从端点FIFO(8位或16位数据总线)提供了一种容易而且是无缝地与流行的接口进行连接的方法,如ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA以及大部分的DSP/处理器。
系列产品定义了四种封装形式:
56脚SSOP,56脚QFN,100脚TQFP以及128脚TQFP。
◎单片集成USB2。
0收发器、SIE和增强型8051微处理器。
◎软件:
从内部RAM运行的8051程序来自于:
——通过USB接口下载,或
——从EEPROM下载
——外部储存器设备(仅对128脚配置)
◎4个可编程的批量/中断/同步端点
——缓冲器可选:
双倍、三倍和四倍。
◎8位或16位外部数据接口。
◎GPIF
——允许直接连接到大部分并行接口;8位或16位。
——通过可编程的波形描述器和配置寄存器来定义波形。
——支持多就绪(RDY)和控制(CTL)输出。
——高达48MHz的时钟速率。
——每指令周期4个时钟。
——两个UARTS。
——三个定时器/计数器。
——扩展的中断系统。
——两个数据指针。
◎通过枚举支持总线供电应用。
◎3。
3V操作电压。
◎灵巧的串行接口引擎。
◎USB中断向量。
◎对控制传输的设置(SETUP)和数据(DATA)部分使用独立的数据缓冲器。
◎集成的IC2兼容控制器,运行速率100或400kHz。
◎8051的时钟频率为48MHz,24MHz,或12MHz。
◎4个集成的FIFO。
——以更低的系统开销组合FIFO。
——自动转换到/自16位总线。
——支持主或从操作。
——FIFO可以使用外部提供的时钟或异步选通。
——容易与ASIC和DSP芯片接口。
◎对FIFO和GPIF接口的特殊自动中断向量。
◎多达40个通用I/O接口。
◎四种封装可选—128脚TQFP,100脚TQFP,56脚QFN和56脚SSOP。
2、应用
◎DSL调解器。
◎ATA接口。
◎存储卡读卡器。
◎遗留的转换设备。
◎相机。
◎扫描仪。
◎家庭PNA。
◎无线局域网。
◎MP3播放器。
◎网络。
3、封装形式
系列产品定义了四种封装形式:
56脚SSOP,56脚QFN,100脚TQFP以及128脚TQFP。
4、基础电路
24MHZ晶振
简单usb测试系统电路试举
第二、无线通信模块原理
本设计采用NRF24L01芯片作为无线通信模块。
NRF24L01是NORDIC公司最近生产的一款无线通信通信芯片,采用FSK调制,内部
集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst协议。
可以实现点对点或是1对6的无线通信。
无线通信速度可以达到2M(bps)。
NORDIC公司提供通信模块的GERBER文件,可以直
接加工生产。
嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5个GPIO,1个中
断输入引脚,就可以很容易实现无线通信的功能,非常适合用来为MCU系统构建无线通信
功能。
1、产品特性
2.4GHz全球开放ISM频段,最大0dBm发射功率,免许可证使用
支持六路通道的数据接收
低工作电压:
1.9~3.6V低电压工作
高速率:
2Mbps,由于空中传输时间很短,极大的降低了无
线传输中的碰撞现象(软件设置1Mbps或者2Mbps的空中传输速
率)
多频点:
125频点,满足多点通信和跳频通信需要
超小型:
内置2.4GHz天线,体积小巧,15x29mm(包括天线)
低功耗:
当工作在应答模式通信时,快速的空中传输及启动
时间,极大的降低了电流消耗。
低应用成本:
NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信
号处理部分,比如:
自动重发丢失数据
包和自动产生应答信号等,NRF24L01的SPI接口可以利用单片机
的硬件SPI口连接或用单片机I/O口进行模拟,内部有FIFO可以与
各种高低速微处理器接口,便于使用低成本单片机。
便于开发:
由于链路层完全集成在模块上,非常便于开发。
自动重发功能,自动检测和重发丢失的数据包,重发时间及
重发次数可软件控制
自动存储未收到应答信号的数据包
自动应答功能,在收到有效数据后,模块自动发送应答信号,
无须另行编程
载波检测—固定频率检测
内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制
数据包传输错误计数器及载波检测功能可用于跳频设置
可同时设置六路接收通道地址,可有选择性的打开接收通道
标准插针Dip2.54MM间距接口,便于嵌入式应用
2、基本电气特性
3、引脚说明
说明:
1)VCC脚接电压范围为1.9V~3.6V之间,不能在这个区间之外,超
过3.6V将会烧毁模块。
推荐电压3.3V左右。
(2)除电源VCC和接地端,其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口
直接相连,无需电平转换。
当然对3V左右的单片机更加适用了。
(3)硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块,用普通单片机IO
口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入,只需要普通的单片机IO口
就可以了,当然用串口也可以了(a:
与51系列单片机P0口连接时候,
需要加10K的上
拉电阻,与其余口连接不需要。
b:
其他系列的单片机,如果是5V的,请参考该系列
单片机IO口输出电流大小,如果超过10mA,需要串联
电阻分压,否则容易烧毁模块!
如果是3.3V的,可以
直接和RF24l01模块的IO口线连接。
比如AVR系列单片机
如果是5V的,一般串接2K的电阻
(4)如果需要其他封装接口,比如密脚插针,或者其他形式的接口,可以
联系我们定做。
4、NRF24L01功能框图
Fig.1NRF24L01BLOCKDIAGRAM
NRF24L01的框图如Fig.1所示,从单片机控制的角度来看,我们只需要关注Fig.1右面
的六个控制和数据信号,分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。
CSN:
芯片的片选线,CSN为低电平芯片工作。
SCK:
芯片控制的时钟线(SPI时钟)
MISO:
芯片控制数据线(Masterinputslaveoutput)
MOSI:
芯片控制数据线(Masteroutputslaveinput)
IRQ:
中断信号。
无线通信过程中MCU主要是通过IRQ与NRF24L01进行通信。
CE:
芯片的模式控制线。
在CSN为低的情况下,CE协同NRF24L01的CONFIG寄
存器共同决定NRF24L01的状态(参照NRF24L01的状态机)。
5、原理图
6、主要源代码:
6.1函数介绍
NRF24L01的控制程序主要包括以下几个函数
ucharSPI_RW(ucharbyte);
ucharSPI_RW_Reg(ucharreg,ucharvalue);
ucharSPI_Read(ucharreg);
ucharSPI_Read_Buf(ucharreg,uchar*pBuf,ucharbytes);
ucharSPI_Write_Buf(ucharreg,uchar*pBuf,ucharbytes);
voidRX_Mode(void);
voidTX_Mode(void);
6.1.1ucharSPI_RW(ucharbyte)
ucharSPI_RW(ucharbyte)
{
ucharbit_ctr;
for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++)//output8-bit
{
MOSI=(byte&0x80);//output'byte',MSBtoMOSI
byte=(byte<<1);//shiftnextbitintoMSB..
SCK=1;//SetSCKhigh..
byte|=MISO;//capturecurrentMISObit
SCK=0;//..thensetSCKlowagain
}
return(byte);//returnreadbyte
}
内部使用-严禁用于商业用途byaaa1982
10
最基本的函数,完成GPIO模拟SPI的功能。
将输出字节(MOSI)从MSB循环输出,
同时将输入字节(MISO)从LSB循环移入。
上升沿读入,下降沿输出。
(从SCK被初始化
为低电平可以判断出)。
6.1.2ucharSPI_RW_Reg(ucharreg,ucharvalue)
ucharSPI_RW_Reg(ucharreg,ucharvalue)
{
ucharstatus;
CSN=0;//CSNlow,initSPItransaction
status=SPI_RW(reg);//selectregister
SPI_RW(value);//..andwritevaluetoit..
CSN=1;//CSNhighagain
return(status);//returnnRF24L01statusbyte
}
寄存器访问函数:
用来设置24L01的寄存器的值。
基本思路就是通过WRITE_REG命令(也
就是0x20+寄存器地址)把要设定的值写到相应的寄存器地址里面去,并读取返回值。
对于
函数来说也就是把value值写到reg寄存器中。
需要注意的是,访问NRF24L01之前首先要enable芯片(CSN=0;),访问完了以后再disable
芯片(CSN=1;)。
6.1.3ucharSPI_Read(ucharreg);
ucharSPI_Read(ucharreg)
{
ucharreg_val;
CSN=0;//CSNlow,initializeSPIcommunication...
内部使用-严禁用于商业用途byaaa1982
11
SPI_RW(reg);//Selectregistertoreadfrom..
reg_val=SPI_RW(0);//..thenreadregistervalue
CSN=1;//CSNhigh,terminateSPIcommunication
return(reg_val);//returnregistervalue
}
读取寄存器值的函数:
基本思路就是通过READ_REG命令(也就是0x00+寄存器地址),把
寄存器中的值读出来。
对于函数来说也就是把reg寄存器的值读到reg_val中去。
6.1.4ucharSPI_Read_Buf(ucharreg,uchar*pBuf,ucharbytes);
ucharSPI_Read_Buf(ucharreg,uchar*pBuf,ucharbytes)
{
ucharstatus,byte_ctr;
CSN=0;//SetCSNlow,initSPItranaction
status=SPI_RW(reg);//Selectregistertowritetoandreadstatusbyte
for(byte_ctr=0;byte_ctr pBuf[byte_ctr]=SPI_RW(0);//PerformSPI_RWtoreadbytefromnRF24L01 CSN=1;//SetCSNhighagain return(status);//returnnRF24L01statusbyte } 接收缓冲区访问函数: 主要用来在接收时读取FIFO缓冲区中的值。 基本思路就是通过 READ_REG命令把数据从接收FIFO(RD_RX_PLOAD)中读出并存到数组里面去。 6.1.5ucharSPI_Write_Buf(ucharreg,uchar*pBuf,ucharbytes); ucharSPI_Write_Buf(ucharreg,uchar*pBuf,ucharbytes) 内部使用-严禁用于商业用途byaaa1982 12 { ucharstatus,byte_ctr; CSN=0;//SetCSNlow,initSPItranaction status=SPI_RW(reg);//Selectregistertowritetoandreadstatusbyte Uart_Delay(10); for(byte_ctr=0;byte_ctr SPI_RW(*pBuf++); CSN=1;//SetCSNhighagain return(status);//returnnRF24L01statusbyte } 发射缓冲区访问函数: 主要用来把数组里的数放到发射FIFO缓冲区中。 基本思路就是通过 WRITE_REG命令把数据存到发射FIFO(WR_TX_PLOAD)中去。 6.1.6voidRX_Mode(void) 设定24L01为接收方式,配置过程详见3.2Rx模式初始化过程。 voidRX_Mode(void) { CE=0; SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01);//EnableAuto.Ack: Pipe0 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//EnablePipe0 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,40);//SelectRFchannel40 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,TX_PLOAD_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07); SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x0f);//SetPWR_UPbit,enableCRC(2bytes) &Prim: RX.RX_DRenabled.. CE=1;//SetCEpinhightoenableRXdevice //Thisdeviceisnowreadytoreceiveonepacketof16bytespayloadfromaTXdevice sendingtoaddress //'3443101001',withautoacknowledgment,retransmitcountof10,RFchannel40and datarate=2Mbps. } 内部使用-严禁用于商业用途byaaa1982 13 6.1.7voidTX_Mode(void) 设定24L01为发送方式,配置过程详见3.1Tx模式初始化过程。 voidTX_Mode(void) { CE=0; SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH); SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH); SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD,tx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);//WritesdatatoTXpayload SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01);//EnableAuto.Ack: Pipe0 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//EnablePipe0 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a);//500us+86us,10retrans... SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,40);//SelectRFchannel40 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07);//TX_PWR: 0dBm
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