基于avr單片機(jī)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 對(duì)于一個(gè)通信系統(tǒng)來說，除了要有上層的通信協(xié)議與軟件的支持外，還要有硬件 作為 信號(hào)的傳輸介質(zhì)，完成有線通信任務(wù)，該系統(tǒng)采用已有的硬件模塊完成單片機(jī)與 PC機(jī)之間系統(tǒng)任務(wù)，該系統(tǒng)的硬件部分主要包括 ATMEGA8 單片機(jī)、 MAX232 芯片、 DB9MALE接口、 ISP 接口。用直流電壓模擬該系統(tǒng)的輸入信號(hào)，由于 ATMEGA8 單片機(jī)內(nèi)部集成了ADC 轉(zhuǎn)換器所以不用再外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器， ATMEGA8 讀取 ADC 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后根據(jù)數(shù)字信 號(hào)與模擬信號(hào)的關(guān)系求出實(shí)際的模擬電壓值，再用 BCD 編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，將 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 8 8 編碼后的結(jié)果通過異步數(shù)據(jù)傳輸方式上傳給上位機(jī)。 MAX232 芯片在整個(gè)系統(tǒng)中完成 TTL 電平與 PC機(jī)電平的轉(zhuǎn)換工作，芯片外接有泵升電容和穩(wěn)壓電容，保證電平信號(hào)轉(zhuǎn)換的可靠性。 DB9MALE 接口是負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸?shù)?9 針接口芯片，遵守 RS232 標(biāo)準(zhǔn)， DB9 接口有 MALE與 FEMALE之分，在單片機(jī)上主要采用 DB9MALE接口，而且在本系統(tǒng)只使用了第二管腳 (接收數(shù)據(jù)引腳 )與第三管腳 (發(fā)送數(shù)據(jù)管腳 )。對(duì)于其它管腳主要是用于握手信號(hào)，由于該系統(tǒng)要求不高， 所以不需要使用。 ISP 接口： AVR 單片機(jī)支持 ISP 程序下載方式，根據(jù)接口管腳的定義，將 ATMEGA8單片機(jī)與 ISP接口相連，實(shí)現(xiàn) ISP 下載。 ISP 接口管腳定義主要有： MISO、 VCC、 SCK、MOSI、 RESET、 GND，將 ATMEGA8 單片機(jī)上的對(duì)應(yīng)管腳與之相連。 硬件設(shè)計(jì)上的總體思路是：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化所用到的外部芯片和內(nèi)部芯片的功能，然后等待上位機(jī)命令，接收到開始采集的命令后，執(zhí)行信號(hào)采集工作，采集工作完成后，將采集信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)信號(hào)處理得到實(shí)際的模擬信號(hào)值，然后 BCD編碼后上傳給上位機(jī)，之后繼續(xù)采集信號(hào) ，一直到接收到停止采集命令。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 對(duì)于一個(gè)通信系統(tǒng)來說，為了達(dá)到精確控制的目的，通信的接收與發(fā)送雙方在數(shù)據(jù)傳輸上保持協(xié)調(diào)，必須采用軟件技術(shù)來保證，對(duì)于采用同步通信的雙方來說，時(shí)鐘信號(hào)必須保持一致，要求精度很高，對(duì)于異步操作來說，只要保證數(shù)據(jù)格式正確既可，在該系統(tǒng)中采用精度要求低的異步通信方式。該系統(tǒng)軟件主要有單片機(jī)內(nèi)部的程序和上位機(jī)軟件兩部分組成。 單片機(jī)內(nèi)部的程序用 C語言編寫，面向底層，直接讀寫單片機(jī)內(nèi)部的控制字和各芯片的控制字，首先初始化各芯片的內(nèi)部控制字，然后在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中， 通過讀取內(nèi)部狀態(tài)控制字的內(nèi)容確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)出什么控制信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與各芯片、上位機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。 上位機(jī)采用 C++語言，使用了 MFC 的封裝庫(kù)，整個(gè)界面框架是由 VC++的輔助程序建立，在這個(gè)框架下，再由我們自己添加控件和代碼，在功能上主要完成了數(shù)據(jù)的收發(fā)、數(shù)據(jù)的保存、傳送數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)置和串行端口的選擇。整個(gè)通信功能的實(shí)現(xiàn)都是調(diào)用了微軟公司提供的 MSCOMM 控件來完成，該控件滿足了該系統(tǒng)的所有功能實(shí)現(xiàn)要求。 上位機(jī)設(shè)計(jì)思路：打開通信串口端，向單片機(jī)發(fā)送采集命令，用消息響應(yīng)機(jī)制接從收單片機(jī)上傳到 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，遵守上位機(jī)與單片機(jī)程序約定好的 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 9 9 數(shù)據(jù)格式約定。 可行性分析 在兩臺(tái)設(shè)備的通信過程中，只要保證數(shù)據(jù)接收和發(fā)送雙方線路的正常連接，按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式和傳送方式傳送數(shù)據(jù)，就可以正確的傳輸數(shù)據(jù)，所以只要按照我們上述的思路完成了硬件上和軟件上的工作，該系統(tǒng)就可以正常的工作。 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)屬于數(shù)字通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的收發(fā)雙方是 PC 機(jī)和單片機(jī)，通信方式是異步串行通信，編碼和解碼的過程由上位機(jī)和單片機(jī)內(nèi)部的程序來解決，而整個(gè)系統(tǒng)除了外界信號(hào)采集時(shí)采集模擬信號(hào)外，其它任何時(shí)候都是數(shù)字信號(hào)，而采 集的模擬信號(hào)經(jīng)過 AD轉(zhuǎn)換器也變成了數(shù)字信號(hào)，所以對(duì)于通信過程來說不涉及調(diào)制 /解調(diào)的過程，因此整個(gè)系統(tǒng)滿足了一個(gè)數(shù)字通信所要求的基本組成部分，是一個(gè)可執(zhí)行性設(shè)計(jì)方案。能夠達(dá)到我們的要求。 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 10 10 第二章 系統(tǒng)使用的通信方式及協(xié)議介紹 通信方式 串行通信與并行通信 隨著多微機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，計(jì)算機(jī)的通信功能愈來愈顯得重要。計(jì)算機(jī)通信是指計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。 通信有并行通信和串行通信兩種方式。在多微機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式 。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時(shí)進(jìn)行傳送，如圖 21所示。在時(shí)間上各位是同時(shí)發(fā)送的只是傳輸線路不同而以，并行通信控制簡(jiǎn)單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長(zhǎng)距離傳送時(shí) ， 成本高且接收方的各位同時(shí)接收存在困難。 串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送，時(shí)間上不同步。如圖 21所示。串行通信的主要特點(diǎn)是傳輸線少，長(zhǎng)距離傳送時(shí)，成本低，且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜。 圖 21 串行和并行通信方 式 圖 22 異步通信方式 同步通信與異步通信 設(shè)備A 設(shè)備A 起始位 數(shù)據(jù)位 較驗(yàn)位 停止位 停止位 較驗(yàn)位 數(shù)據(jù)位 起始位 異步方式 設(shè)備A 設(shè)備B N 條數(shù)據(jù)線 應(yīng)答信號(hào) 并行通信 設(shè) 備 A 設(shè) 備 B 一條數(shù)據(jù)線 應(yīng)答信號(hào) 串行通信 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 11 11 異步通信是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。為使雙方的收發(fā)協(xié)調(diào)，要求發(fā)送和接收設(shè)備的時(shí)鐘盡可能一致。 異步通信的特點(diǎn)：不要求收發(fā)雙方時(shí)鐘的嚴(yán)格一致，實(shí)現(xiàn)容易，設(shè)備開銷較小，但每個(gè)字符要附加 2～ 3位用于起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。 圖 23 異步通信數(shù)據(jù)格式 同步通信時(shí)要建立發(fā)送方時(shí)鐘對(duì)接收方時(shí)鐘 的直接控制，使雙方達(dá)到完全同步。此時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時(shí)傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。發(fā)送方對(duì)接收方的同步可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)。 圖 24 同步通信方式 SYN SYN SOH STX ETB / ETX 塊校驗(yàn)標(biāo)題 數(shù)據(jù)塊 圖 25面向字符的同步格式 面向字符的同步格式 如圖 25 所示，此時(shí)，傳送的數(shù)據(jù)和控制信息都必須由規(guī)定的字符集（如 ASCII 碼）中的字符所組成。圖中幀頭為 1 個(gè)或 2個(gè)同步字符 SYN（ ASCII碼為 16H）。 SOH 為序始字符（ ASCII 碼為 01H），表示標(biāo)題的開始，標(biāo)題中包含源地址、目標(biāo)地址和路由指示等信息。 STX 為文始字符（ ASCII 碼為 02H），表示傳送的數(shù)據(jù)塊開始。數(shù)據(jù)塊是傳送的正文內(nèi)容，由多個(gè)字符組成。數(shù)據(jù)塊后面是組終字符 ETB（ ASCII碼為 17H）或文終字符 ETX（ ASCII 碼為 03H）。然后是校驗(yàn)碼。典型的面向字符的同步停止位數(shù) 據(jù) 位校驗(yàn)位起始位L S B M S B空閑下 一 字 符起 始 位空閑一 個(gè) 字 符 幀異步數(shù)據(jù)格式 計(jì)算機(jī)乙計(jì)算機(jī)甲0 1 1 0 1數(shù) 據(jù)時(shí) 鐘計(jì)算機(jī)乙計(jì)算機(jī)甲0 1 1 0 1數(shù) 據(jù)時(shí) 鐘數(shù) 據(jù) + 時(shí) 鐘同步方式 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 12 12 規(guī)程如 IBM 的二進(jìn)制同步規(guī)程 BSC。 8 位 8 位 8 位 8 位16 位≥ 0 位01111110 01111110校驗(yàn)場(chǎng)信息場(chǎng)控制場(chǎng)地址場(chǎng)圖 26 面向位的同步格式 面向位的同步格式如圖 26所示， 此時(shí)，將數(shù)據(jù)塊看作數(shù)據(jù)流，并用序列 01111110作為開始和結(jié)束標(biāo)志。為了避免在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)序列 01111110 時(shí)引起的混亂，發(fā)送方總是在其發(fā)送的數(shù)據(jù)流中每出現(xiàn) 5個(gè)連續(xù)的 1就插入一個(gè)附加的 0；接收方則每檢測(cè)到5個(gè)連續(xù)的 1并且其后有一個(gè) 0時(shí)，就刪除該 0。 典型的面向位的同步協(xié)議如 ISO 的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程 HDLC 和 IBM 的同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程 SDLC。 同步通信的特點(diǎn)是以特定的位組合“ 01111110”作為幀的開始和結(jié)束標(biāo)志，所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)可以是任意位。所以傳輸?shù)男瘦^高，但實(shí)現(xiàn)的硬件設(shè)備比異步通信復(fù)雜。 RS232 協(xié)議介紹 概述 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是 EIARS232C 標(biāo)準(zhǔn)，其中 EIA（ Electronic Industry Association）代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)， RS（ remeded standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)， 232是標(biāo)識(shí)號(hào)， C 代表 RS232 的最新一次修改（ 1969），在這之前，有 RS232B、 RS232A。它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號(hào)功能及傳送過程。常用物理標(biāo)準(zhǔn)還有有 EIA RS422A、 EIA RS423A、 EIA RS485。 這里只介紹 EIA RS232C（簡(jiǎn)稱 232， RS232）。例如，目前在 IBM PC 機(jī)上的 COM COM2 接口，就是 RS232C 接口。 電氣特性 EIARS232C 對(duì)電器特性、 邏輯電平 和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。在 TxD 和 RxD上：邏輯 1(MARK)=3V～ 15V，邏輯 0(SPACE)=+3～ +15V，在 RTS、 CTS、 DSR、 DTR 和 DCD等控制線上：信號(hào)有效（接通， ON 狀態(tài)，正電壓）＝ +3V～ +15V，信號(hào)無效（斷開， OFF狀態(tài)，負(fù)電壓 )=3V～ 15V。 以上規(guī)定說明了 RS323C 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“ 1”（傳號(hào)）的電平低于 3V，邏輯“ 0”（空號(hào)）的電平高于 +3V；對(duì)于控制信號(hào)；接通狀態(tài)（ ON）即信號(hào)有效的電平高于 +3V，斷開狀態(tài) (OFF)即信號(hào)無效的電平低于 3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于 3V 時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于 3～ +3V 之間的電壓無 遼寧科技大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 13 13 意義，低于 15V 或高于 +15V 的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在177。 (3～ 15)V 之間。 EIA RS232C 與 TTL 轉(zhuǎn)換： EIA RS232C 是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與 TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終端的 TTL 器件連接，必須在 EIA RS232C 與 TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元 件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC148 SN75150 芯片可完成 TTL 電平到 EIA 電平的轉(zhuǎn)換，而 MC148 SN75154 可實(shí)現(xiàn)EIA電平到 TTL 電平的轉(zhuǎn)換。 MAX232 芯片可完成 TTL←→ EIA 雙向電平轉(zhuǎn)換。 RS232C 的接口信號(hào) RS232C 的功能特性定義了 25芯標(biāo)準(zhǔn)連接器中的 20根信號(hào)線，其中 2條地線、 4條數(shù)據(jù)線、 11條控制線、 3條定時(shí)信號(hào)線，剩下的 5根線作備用或未定義。常用的只有 10根，它們是： ⑴、聯(lián)絡(luò)控制信號(hào)線 數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)備好（ Data set readyDSR)—— 有效時(shí)（ ON）狀態(tài)，表明 MODEM 處于可以使用的狀態(tài)。 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 (Data terminal readyDTR)—— 有效時(shí)（ ON）狀態(tài)，表明數(shù)據(jù)終端可以使用。 這兩個(gè)信號(hào)有時(shí)連到電源上，一上電就立即有效。這兩個(gè)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)有效，只表示設(shè)備本身可用，并不說明通信鏈路可以開始進(jìn)行通信了，能否開始進(jìn)行通信要由下面的控制信號(hào)決定。 請(qǐng)求發(fā)送 (Request to sendRTS)—— 用來表示 DTE 請(qǐng)求 DCE 發(fā)送數(shù)據(jù)，即當(dāng)終端要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，使該信號(hào)有效（ ON 狀態(tài)），向 MODEM 請(qǐng)求發(fā)送。它用來控制 MODEM 是否要進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。 允許發(fā)送（ Clear to sendCTS） —— 用來表示 DCE 準(zhǔn)備好接收 DTE 發(fā)來的數(shù)據(jù)，是對(duì)請(qǐng)求發(fā)送信號(hào) RTS的響應(yīng)信號(hào)。當(dāng) MODEM 已準(zhǔn)備好接收終端傳來的數(shù)據(jù)，并