（通信与信息系统专业论文）智能牧场数据通讯的研究与应用.pdf

中文摘要 互联网络硬件、软件的迅猛发展，使得网络用户呈指数增长，在使用计算机 进行网络互联的同时，工业生产中的数据采集与控制设备在逐步地走向网络化， 中国的农牧业也开始涉足到这一领域。 本论文是基于智能牧场数据通讯的研究与应用，它以奶厅现场为监控中心， 开发出微电脑子机测控终端、r f i d 无线信息采集终端、称重与分群终端，及数据 总线汇集处理器等模块，其间以串行通讯数据总线形成数据通讯脉络，并辅以 t c p i p 作为数据通讯协议层，与上位p c 服务器软件协同运作，完成自动智能挤奶 控制与牧场综合信息采集处理工作，同时亦能使远程监控得以实现。 结合软、硬件于一体，通过t c p i p 通讯协议、4 8 5 串总线通讯协议、r s 一2 3 2 通讯协议、1 2 c 通讯协议、智能数据采集等众多通讯相关技术，形成了一个完整 的数据通信在智能牧场中的应用。 本论文将通讯技术应用在智能牧场上，采用的方案，不仅满足了技术上的要 求还大大节约了成本，也更适合我国的国情。因此基于我国奶业的现状，将智能 化引入到农牧业生产中，将成为必然发展趋势和要求。 关键字；数据通讯、t c p i p 通信协议、r s - 4 8 5 总线技术、智能化。 a b s t r a c t t h eq u i c kd e v e l o p m e n to fi n t e r a c t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r em a k e st h ei n t e r n e t u s e ri n c r e a s e se x p e d i t i o u s l y w h e nw cm a k et h en e t w o r kc o n n e c tw i t hc o m p u t e r , t h e d a t ea c q u i s i t i o na n dc o n t r o la p p l i a n c ea r eg r a d u a l l ys t e p p i n gi n t ot h en e ti nt h e p r o d u c t i o no fi n d u s t r y n o wt h ea g r i c u l t u r ea n dp o u l t r yo fc h i n aa r eb e g i n n i n gt o s e t f o o ti nt h i sa r e a t h ep a p e rt a k e sm i l kh a l la st h em o n i t o rc e n t e r , d e v e l o p i n gm i c r o c o m p u t e r m o n i t o rt e r m i n a l ，r f i dw i r e l e s si n f o r m a t i o na c q u i s i t i o nt e r m i n a l ，w e i g h t i n ga n d u n g r o u pt e r m i n a la n dd a t ab u sg a t h e rp r o c e s s o rm o d e li nw h i c hi tf o r m sas y s t e m c o m m u n i c a t i o nt h r e a dw i t hc o n s e c u t i v ec o m m u n i c a t i o nd a t ab u sa n dt a k e st c p a pa s d a t ac o m m u n i c a t i o n 。p r o t o c o ll a y e r t h e ni tw o r k sw i 也u p l i n kp cs e r v e rs o f t w a r et o f i n i s ht h ea u t o n o m o u sm i l k i n gc o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，i ta l s oh a st h em o n i t o ra n d m a n a g e m e n tc o m et r u e t h i sd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m i n t e g r a t e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， r e f e r r i n gt ot h et c p i p , 4 8 5s e r i a lb u s ，r s - 2 3 2 ，1 2 cc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n a l o g c o n s e c u t i v ed a t ac o m m u n i c a t i o n ，r fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t d a t ac o l l e c t i o na n de q u i v a l e n t t h ep a p e rm a k e st h ec a s et h a ti t i sn o to n l yg e t t i n gt ot h er e q u i r eo f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yb u ta l s os a v i n gt h em o n e y f a c i n gt h ea c t u a l i t yo ft h e m i l ko c c u p a t i o ni no u rc o u n t r y , i tw i l lb ea ni n e v i t a b l e d e v e l o p m e n tt r e n da n d r e q u i r e m e n tt ob r i n gt h ee l e c t r o n i ca u t o n o m o u sa n di n t e l l i g e n c et ot h ep r o d u c t i o no f a g r i c u l t u r ea n dp o u l t r y k e yw o r d s ：“ d a t ac o m m u n i c a t i o n ，“ t c p i pc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ， “ r s - 4 8 5b u st e c h n o l o g y ，“ i n t e l l i g e n c e ” 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了中文特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蔷f 译 签字日期：加。l ；7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：匍干 签字日期：】口口z 5 导师签名： 签字日期： 第一章 绪论 第一章绪论 中国的奶业是我国畜牧业进入新的发展阶段后，推进畜牧业结构调整的必然选 择近年来，在各级政府的大力支持下，我国奶牛良种和养殖技术的推广步伐加快， 预计今年全国奶牛存栏突破1 3 0 0 万头，奶类总产量突破产量为2 ，8 6 8 o 万吨，人均 年占有量首次超过y 2 0 公斤，达t u 2 1 9 公斤。但是与发达国家人们相比差距还很 大。因此要重视奶业的发展，首先必须要重视奶牛业的发展， 1 1 课题的技术背景 本课题是基于智能牧场信息管理系统的数据通讯，兼具数据采集和运算处理 等功能，控制平台上联p c 服务器，以稳定成熟的t c p i p 、r s 一2 3 2 作为通信协议， 传输相关数据，下连脚环识别器，以采集奶牛识别号和当日活动量。r s 一4 8 5 总线 在工业应用数据传输中支持多节点、远距离和接收高灵敏度的特点可实现多头奶 牛同时监测。1 2 c 总线通常是三根线，可方便连接各种数字器件，本课题在c p u 与 串行存储器e 2 p r o m 及其它器件间多采用1 2 c 总线连接。 1 2 课题提出的意义 目前，电子智能化与自动化控制在我国农牧业生产领域中应用尚为空缺，如 在奶业上国内基本上由外国企业垄断，象光明奶业用的就是以色列比较成熟的阿 菲金智能牧场管理系统i 还有意大利的利拉阀系统，但这些系统的价位基本上都 在1 3 0 万左右，而本智能化管理系统价位大约只有它们的1 3 ，在使用习惯上更适 合中国人，可以说它的诞生可以填补了国内本领域的空白，本文研究的是该系统 的数据通讯部分，所以在下文中主要研究的就是系统模块间的通信技术。 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 实现了牧场的智能化数据通讯的软件、硬件的设计。整个编程控制 采用c 5 1 语言实现，完成了p c b 板的制作。 ( 2 ) 实现了如何运用4 8 5 多机通讯、t c p i p 通信协议、5 1 单片机控制 r t l 8 0 1 9 a s 实现以太网通讯的设计方案。 第一章绪论 ( 3 ) 在多机通讯中解决了传统单机通讯存在的传输距离短、误码率高及兼 容性差等问题，并做了现场测试，结果完全满足应用需要。 ( 4 ) 本数据通讯中采用一个集成的通信模块对多个子机进行控制，这样大 大节省了成本，以实现了自动控制的目的。 2 第二章课题具体实现的理论设计基础 第二章课题具体实现的理论设计基础 2 1t c p i i p 协议概述 2 1 1t c p i p 协议分层及数据封装 t c p i p 体系结构的每一层都具有特定的功能，如图2 1 显示- r t c p i p 各层的 详细内容和相对应的o s i 参考模型。 o s i 七层模型t c p 参考模型 应用层 h r r p 、t e l n e t 、f r p 表示层 应用层 s m t p 、s n n 口、d n s 会话层 传输层传输层t c p 、u d p 网络层网络层i p 、a r p 、i c m p 、i g n p 数据链路层 物理层 网络接口层 由底层网络定义的协议 图2 - it c p i p 模型和o s i 模型 t c p i p 是一个分层协议集，典型的t c p i p 应用程序用到以下的4 层协议： ( 1 ) 网络接口层协议管理特定物理介质，如以太网或点对点串行线路，对应 于o s i 参考模型的物理层和数据链路层。网络接口层协议定义了确定一台主机如 何访问局域网的规则。这一底层协议定义了主机如何连接到网络，而不是定义实 际的物理网络如何工作。 ( 2 ) 网络层协议用于提供通过多个网络向其目的节点传输数据报的基本服 务，对应于o s i 参考模型的网络层。网络层协议定义了通过网络传输的基本单元， 并提供对共用寻址体系和路由的支持。i p 是一种网络层协议，可以为数据报找到 路由，并将其传送到最终的目的节点。i p 提供以下功能：公共寻址结构服务 请求类型数据报分段在目的主机处重组数据报。 其它协议也可与i p 一起在网络层工作，如：地址解析协议逆地址解析协议 ( a r p r a p r ) 用于将i p 主机地址映射为数据链路地址( 物理地址) ，或将数据链路地 址映射为i p 地址。 第二章课题具体实现的理论设计基础 ( 3 ) 传输层协议提供应用层所需的可靠的通信服务，对应与o s i 参考模型中的 传输层，其主要功能是提供应用程序之间的通信。网络协议只提供数据传输服务， 这一协议允许主机将数据报发送到网络上，当然该网络应具有一定的将数据报传 输到正确目的节点的可信度 ( 4 ) 应用层协议如虚拟终端或电子邮件。o s i 模型的应用层、表示层和会话层 被组合在t c p i p 的一个单独高级协议层中。应用层与传输层协议接口，发送或接 收消息序列或字节流。 2 1 2t c p i p 协议栈的数据封装 数据从一层传递到另一层，从一个协议传递到另一个协议。在这个过程中， 每一层的协议软件为下一层进行数据封装，封装是一个按照较低协议要求的格式 保存数据的过程。当数据在各层之间传递时，各层都建立在它前面层的封装之上。 在t c p i p 各层中，数据单位的名称随相应协议的不同而不同，这可从各层的 协议包中看出。物理层用比特位串表示所有数据：数据链路层将数据帧( 又叫物 理帧) 作为数据单位( 如以太网是以太网帧格式) ；网络层将i p 数据报作为数据单 位；传输层采用t c p 时将t c p 段或t c p 传输报文作为数据单位，采用u d p 时将u d p 数 据报作为数据单位；应用层将应用报文作为数据单位。如图2 - 2 所示为t c p i p 协 议包格式。 图2 2t c p i p 协议包格式 网络接口分别要发送和接收i p ，a r p 和r a r p 数据，因此必须在以太网的帧首 部中加入某种形式的标识，以表明生成数据的网络层协议，为此在以太网的帧首 部中有一个1 6 b i t 的帧类型域。在数据传输过程中，t c p 、u d p 、i c m p 、i g m p 都要 向i p 传送数据，因此在i p 首部中存在一个8 b i t 的协议域，以标志数据属于那一层。 4 第二章 课题具体实现的理论设计基础 2 1 3 以太网数据帧的分用 图2 - 3 分用过程 当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底层向上 升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协 议标识，以确定接收数据的上层协议，这个过程称作分用，如图2 - 3 说明了整个 分用过程。 2 1 4t c p i p 协议层的选择和分析 t c p i p 协议族中的协议数量庞大，而嵌入式i n t e r n e t 的功能是特定的，它不 要求也不可能实现所有的t c p i p 协议，其实现必定是t c p i p 协议族的一个子集。 基于这一思想，我们在设计奶牛自动控制系统时，就可以在t c p i p 协议的子集中 实现，从而降低设计的难度。 由于单片机内部资源有限，因此在对t c p i p 的各个层次的协议进行选择时， 必须综合考虑两方面因素：( 1 ) 协议间的兼容性。( 2 ) 实现协议所需的系统资源。 网络层协议选择与分析如下： i p 是t c p i p 协议族中最核心的协议，所有的t c p ，u d p ，i c m p 及i g m p 都以i p 数据包格式传输。i p 提供不可靠、无连接的数据传送服务。 不可靠是指它不能保证i p 数据报能成功地到达目的地。i p 仅提供最好的传输 服务。如果发生某种错误时，i p 有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据包，然 后将消息报告给源端主机。任何要求的可靠性必须由上层来提供( 如t c p ) 。 首 分 第二章课题具体实现的理论设计基础 无连接是指i p 并不维护任何关于后续数据包的状态信息。每个数据包的处理 是相互独立的。 传输层协议选择与分析如下： 传输层的功能是为应用层实体提供端到端的可靠信息通信服务，传输层的协 议包括t c p 和u d p ，尽管t c p 和u d f 都使用相同的网络层( i p ) ，但t c p $ 3 应用层提供 与u d p 完全不同的服务。在课题的实现中选用了t c p 协议，t c p 主要通过下列方式 来提供可靠性： ( 1 ) 基本数据传输 t c p 以字节流方式从上层协议接收数据，即字节以流的形式一个接着一个从 上层协议发送出去。在他们到达t c p 时再组合成t c p 段，这些段随后传递给i p 。因 为t c p 具有字节流的特性，所以t c p 允许使用可变长的段。这与u d p 完全不同，应 用程序产生的数据包长度将保持不变。r h t c p 传递给i p 的信息单位称为报文段或 段。 ( 2 ) 可靠性 t c p 提供确认、超时重传机制来保证数据传输的可靠性。当t c p 发出一个段后， 它启动一个定时器，等待目的端确认收到这个报文段。如果不能及时收到一个确 认，将重发这个报文段。同时当t c p 收到发t c p 连接另一端的数据时，它将发送 个确认。这个确认不是立即发送，通常将推迟几分之一秒。 ( 3 ) 连接 t c p 提供一种面向连接的、可靠的字节流服务，面向连接意味着两个使用t c p 的应用在彼此交换数据之前必须先建立一个t c p 连接。 ( 4 ) 校验和 t c p 将保持它首都和数据的校验和，这是一个端到端的校验和，目的是检测 数据在传输过程中的任何变化。如果收到段的校验和有差错，t c p 将丢弃这个报 文段和不确认收到此报文段( 希望源端超时并重发) 。 ( 5 ) 数据重组 由于t c p 报文段作力i p 数据包来传输，而l p 数据包的到达可能会失序，因此 t c p 报文段的到达也可能会失序。如果必要，t c p 将对收到的数据进行重新排序， 将收到的数据以正确的顺序交给应用层。同时由于1 p 数据包也可能发生重复，因 此t c p 的接收端必须丢弃重复的数据。 ( 6 ) 流量控制 t c p 通过滑动窗口协议进行流量控制，t c p 连接的每方都有固定大小的缓 冲空间。t c p 的目的端只允许源端发送目的端缓冲区所能接纳的数据。 6 第二章课题具体实现的理论设计基础 2 24 8 5 总线技术 2 2 1r s 4 8 5 串口接口标准的制定 r s 一4 8 5 是为弥补r s 一2 3 2 通信距离短速率低等缺点而产生的，r s - 4 8 5 只规定了 平衡驱动器和接收器的电特性而没有规定接插件、传输电缆和应用层通信协议， 因而是一种相对经济，具有相当高噪声抑制、较高的传输速率、传输距离远和宽 共模范围的通信平台。在过去的2 0 年里r s - 4 8 5 作为一种多点差分数据传输的电气 规范被应用在许多不同的领域作为数据传输链路，目前在我国应用的现场总线 中r s 一4 8 5 半双工全双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信 总线r s 一4 8 5 总线上只能有一个主机的特点使它往往应用在集中控制枢纽与分散 控制单元之间，都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终端电阻等。r s 一4 8 5 可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，r s - - 4 8 5 串行总 线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对 双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。 2 2 2r s 4 8 5 总线的特点 r s 一4 8 5 使用双端平衡驱动及半双工模式，这些措施使r s - 4 8 5 传输距离更远， 同时，r s 一4 8 5 还可以组网。在同一个r s 一4 8 5 网络中，可以多达3 2 个模块，某 些器件可以多达2 5 6 个甚至更多。相应的，r s - 4 8 5 具有接收发送控制端，r s 一4 8 5 的接收控制端可以在需要接收的时候打开或者一直打开以便无条件的接收线路 上的数据。r s 一4 8 5 的发送控制端仅在需要发送时打开，平时应关闭发送器，因 为在同一r s 一4 8 5 网络中在同一时刻仅允许一个发送器工作。在数据发送完成后 关闭发送器。这可以通过以下两种方法实现：在数据完全移出后，对于p c 机 为发送移位寄存器空，这些条件既可使用查询的方法得到，也可以在中断程序中 实现。将r s 一4 8 5 的接收器始终打开，这样一来，所有在r s - 4 8 5 上的数据均被 接收回来，包括自己发送出去的数据。因此，当自己发送的数据完全被自己接收 回来时即可关闭发送器。 r s 一4 8 5 的信号传输采用两线间的电压来表示逻辑l 和逻辑0 。由于发送方需 要两根传输线，接收方也需要两根传输线。传输线采用差动信道，所以它的干扰 抑制性极好。图2 - 4 给出了r s - 4 8 5 接口是用t t l 电平来实现的。 7 第二章课题具体实现的理论设计基础 图2 - 4r s 一4 8 5 接口 2 2 3 基于r s 4 8 5 总线的组网 l l i 叱； r s 一4 8 5 支持3 2 个节点，因此它们都是多节点构成的网络。网络拓扑一般采用 带有终端匹配电阻的总线型结构，不支持环形或星形网络。 圈 扣“叶一。嵋卜哪 c l 6 图2 - 5 网络拓扑结构图 在构建网络时，应注意如下几点： 1 采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点 的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。图 2 5 所示为实际应用中常见的一些错误连接方式( a ，b ，c ) 和正确的连接方式为 ( d ，e ，f ) 。a c 这两种网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工 作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要 原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。 2 应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。 下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段使用了不同电缆，或某一段 总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。 总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。 3 本文使用的是f 方案 第二章课题具体实现的理论设计基础 2 31 2 c 总线技术 2 3 11 2 c 总线原理 1 2 c 总线是双向、两线、串行、多主控接口标准，具有总线仲裁机制，非常 适合在器件之间进行近距离、菲经常性的数据通信。由于其使用两线的硬件接口 简单，1 2 c 总线的应用越来越广泛。实现1 2 c 总线通信协议主要有两种方法：利角 m c u 对两根i o 口线进行软件编程，模拟1 2 c 总线的s c l 和s d a 时序要求：使用专用 1 2 c 总线控制核，但受其主机( h o s t ) 接口方式和时钟频率的限制，在有些场合应 用并不方便。 2 3 21 2 c 总线特点 1 2 c 总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因 此1 2 c 总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了 互联成本。总线的长度可高达2 5 英尺，并且能够以l o k b p s 的最大传输速率支持4 0 个组件。1 2 c 总线的另一个优点是，它支持多主控( m u l t i m a s t e r i n g ) ，其中 任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。个主控能够控制信号的传 输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。 2 3 31 2 c 总线工作原理 1 2 c 总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束 信号和应答信号。 开始信号：s c l 为高电平时，s d a 由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：s c l 为高电平时，s d a 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的i c 在接收到8 b i t 数据后，向发送数据的i c 发出特定的低 电平脉冲，表示己收到数据。c p u 向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发 出一个应答信号，c p u 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号 的判断。若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。目前有很多半导体集 成电路上都集成了i2 c 。带有i2 c 接口的单片机有：c y g n a l 的c 8 0 5 1 f o x x 系列， p h i l i p s p 8 7 l p c 7 x x 系列，m i c r o c h i p 的p i c l 6 c 6 x x 系列等。很多外围器件如存储器、 监控芯片等也提供1 2 c 接口。 第二章课题具体实现的理论设计基础 2 4r s - 2 3 2 通信原理 目前r s - 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 一2 3 2 被定 义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。r s - 2 3 2 采取不平衡传输 方式，即所谓单端通信。 接口类型 r s 2 3 2r s 4 2 2r s _ 4 8 5 工作方式单端差分差分 节点数1 收、1 发1 发l o 收1 发3 2 收 最大传输电缆长度 5 0 英尺4 0 0 英尺4 0 0 0 英尺 最大传输速率 2 0 k b s1 0 m b ，s1 0 m b 愿 最大驱动输出电压 + ，- 2 5 v0 2 5 - - , + 6 v7 v 计1 2 v 驱动器输出信号电 负载 七 s v+ 2 0 v+ ，- 1 5 v 平( 负载最小值) 驱动器输出信号电 空载 + 2 5 v+ 6 v+ - 6 v 平( 空载最大值) 驱动器负载阻抗( 欧姆)3 k - 7 k 欧姆 1 0 0 欧姆5 4 欧姆 摆率( 最大值)3 0 v u s n an ，a 接收器输入电压范围 + ，- 1 5 v 1 0 v 计l o v n q n 接收器输入门限 叫3 v + - 2 0 0 m y+ - 2 0 0 m v 接收器输入电阻( 欧姆) 3 k o k 至4 k耋1 2 k 驱动器共模电压 3 v 计3 vi v - - , + 3 v 接收器共模电压 ，7 v 斗7 v 7 v - , , + 1 2 v 表2 - 6r s - 2 3 2r s - 4 8 5 ，和r s - 4 2 2 参数 1 0 第三章数据通讯的硬件设计 第三章数据通讯的硬件设计 3 1 基于t c p i p 的硬件电路设计 3 1 ir t l 8 0 1 9 a s 网络芯片特性及接法 r t l 8 0 1 9 a s 是台湾r e a l t e k 公司生产的以太网控制器，支持i e e e 8 0 2 3 ：支持8 位或1 6 位数据总线。r t l 8 0 1 9 a s 是一种与n o v e l ln e 2 0 0 0 兼容的8 1 1 6 位i s a 总线网 卡芯片，遵循i e e e 8 0 2 3 标准：可实现i o b a s e - t ，i o b a s e 2 ，i o b a s e 5 单芯片解决方 案，1 0 0 脚p q f p 封装：支持即插即用、跳线模式：内置1 6k bs r a m 用于收发缓冲，可 降低对主处理器的速度要求：支持a u i ，b n c ，u t p 多种传输介质的自动侦测。 r t l 8 0 1 9 a s 共有i 0 0 个引脚，其中 i o c s l 6 b 是数据总线宽度选择引脚， r t l 8 0 1 9 a s 与8 位芯片w 7 8 e 5 8 b 相连，因此采用8 位模式，将该引脚通过2 7k 的下拉电阻接地。 1 0 s 3i o s 0 3 是i o 基址选择引脚，芯片内置下拉电阻，悬 空为0 ，这样就选缺省i o 基址3 0 0 h 。引脚 j p 用于配置模式选择，r t l 8 0 1 9 a s 有3 种配置模式：跳线方式、即插即用p n p 方式和串行f l a s h 配置方式。这里采 用跳线配置模式，故需将引脚 j p 置为高电平。r t l 8 0 1 9 a s1 6 位数据总线中 e s d 7s d o 分别接w 7 8 e 5 8 b 的 p o 7 p o 0 3 ，f s d l 5s d 8 悬空不用；2 0 位地 址总线 s a 4s a o 分别接 p 2 4p 2 o ， s a 8 ，s a 9 接e p 2 7 ，e s a 5s a 7 ， s a i os a l 9 接地。系统外部r a m 的编址空间为 0 0 0 0 n7 f f f h ；p o 口置零， 将p 2 口在 e o hf f h 区间作为8 0 1 9 a si o 地址空间 0 3 0 0 h0 3 1 f h 的映射， 使得w 7 8 e 5 8 b 可以访问8 0 1 9 a s 的内部寄存器。地址使能引脚 a e n 低电平有效， 接地使其始终有效( 也可以将 p 2 7 3 经反向器接 a e n ，而将e s a s ，s a 9 接 电源置高电平) ； s m e m w b ，s m e m r b 3 引脚置高电平，关闭其m e m o r y 方式。用 w 7 8 e 5 8 b 的e p i 2 来复位8 0 1 9 a s ，因此引脚 r s t d r v 接 p i 2 3 ，读写信号 引脚 i o r b ，i o 邪 分别接w 7 8 e 5 8 b 的读写引脚 p 3 7 ，p 3 6 。 r t l 8 0 1 9 a s 引脚 o s c o ，o s o i 接2 0 m 晶振， r x + ，r s - ，t p o u t + ，t p o u t 一 通过隔离变压 模块f c 2 2 与r j 4 5 相连。w 7 8 e 5 8 b 的r x d 和t x d 通过m a x 2 3 2 预留r s 2 3 2 串口通 信接口。 第三章数据通讯的硬件设计 3 1 2 电路原理图 图3 1 网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 的管脚封装 原理图如图3 2 ，3 - 3 所示 1 2 第三章数据通讯的硬件设计 - - - - - - - 一o4 - - - - 0s - - - q6 一07 _ oi 【一 l h e d e r 凸 业一一 千 莩| 黧车圩u i i i 兰纠燃睾型 图3 2 原理图l 固鞫 第三章数据通讯的硬件设 3 i 3 通信总机电路p c b 板 图3 - 3 原理图2 图3 - 4 通信总机电路p c b 扳 第三章数据通讯的硬件设计 3 1 4 通信于机电路p c b 板 图3 - 5 通信子机电路p c b 扳 3 2 基于r s - 4 8 5 的总线控制 3 2 1m a x 4 8 5 芯片特性 常用的r s 一4 8 5 总线驱动芯片有m a x 4 8 5 m a x 4 2 2 ，s n 7 5 1 7 4 ，s n 7 5 1 7 5 t s n 7 5 1 7 6 ，s n 7 5 17 6 等芯片有一个发送器和一个接收器，非常适合作为i t s4 8 5 总线驱动芯h ，本文我们用m a x 4 8 5 芯片。 第三章数据通讯的硬件设计 锯： 社 二 油d 图3 - 6m a x 4 8 5 管脚图 3 2 2m a x 4 8 5 中的r s 4 8 5 接口特性 节点数是每个r s - 4 8 5 接口芯片的驱动器能驱动多少个标准r s 一4 8 5 负载。根 据规定，标准r s - 4 8 5 接口的输入阻抗为大于1 2 k ，相应的标准驱动节点数为3 2 。 为适应更多节点的通信场合，有些芯片的输入阻抗设计成1 2 负载( 大于2 4 k ) 、 1 4 负载( 大于4 8 k ) 甚至1 8 负载( 大于9 6 k ) ，相应的节点数可增加到6 4 、1 2 3 。 r s - 4 8 5 接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。此电路选用m a x 4 8 5 半双工 通信方式。 r s 一4 8 5 接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电的冲击 而损坏。在传输线架设于户外的使用场合，接口芯片乃至整个系统还有可能遭致 雷电的袭击。选用抗静电或抗雷击的芯片可有效避免此类损失。 r s 一4 8 5 接口采用的是一种差分传输方式，各节点之间的通信都是通过一对 ( 半双工) 或两对( 全双工) 双绞线作为传输介质。根据r s 一4 8 5 的标准规定，接 收器的接收灵敏度为_ 2 0 0 m v ，即接收端的差分电压大于、等于+ 2 0 0m v 时，接收 器输出为高电平；小于、等于- 2 0 0 m y 时，接收器输出为低电平；介于2 0 0 m y 之 间时，接收器输出为不确定状态。在总线空闲即传输线上所有节点都为接收状态 以及在传输线开路或短路故障时，若不采取措施，则接收器可能输出高电平也可 能输出低电平哺1 。 在此电路中m a x 4 8 5 的管脚接线图如图3 7 所示。 p 职 l m a x 4 8 5。j e t 图3 - 7m a x 4 8 5 管脚接线图 1 6 v c c b a 第三章数据通讯的硬件设计 3 2 3 总线连接 图3 - 8m a x 4 8 5 硬件连接图 串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。半 双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。 串行端口的本质功能是作为c p u 和串行设备间的编码转换器。当数据从c p u 经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位 被转换为字节数据。 在串行通信中，用“波特率”来描述数据的传输速率。所谓波特率，即每秒 钟传送的二迸制位数，其单位为b p s 。它是衡量串行数据速度快慢的重要指标。 有时也用“位周期”来表示传输速率，位周期是波特率的倒数。大多数串行接口 电路的接收波特率和发送波特率可以分别设置，但接收方的接收波特率必须与发 送方的发送波特率相同。通信线上所传输的字符数据是逐位传送的，1 个字符由 若干位组成，因此每秒钟所传输的字符数( 字符速率) 和波特率是两种概念。在 串行通信中，所说的传输速率是指波特率，而不是指字符速率，它们两者的关系 是：假如在异步串行通信中，传送一个字符，包括1 2 位( 其中有一个起始位，8 个数据位，1 个校验位，2 个停止位) ，其传输速率是1 2 0 0 b s ，每秒所能传送的 字符数是1 2 0 0 ( 1 + 8 + 1 + 2 ) = 1 0 0 个阳1 。 串行通信的错误校验： ( 1 ) 奇偶校验 在发送数据时，数据位尾随的1 位为奇偶校验位( 1 或0 ) 。奇校验时，数据 中“1 ”的个数与校验位“1 的个数之和应为奇数；偶校验时，数据中“1 ”的 1 7 第三章数据通讯的硬件设计 个数与校验位“1 ”的个数之和应为偶数。接收字符时，对“1 ”的个数进行校验， 若发现不一致，则说明传输数据过程中出现了差错。 ( 2 ) 代码和校验 代码和校验是发送方将所发数据块求和( 或各字节异或) ，产生一个字节的 校验字符( 校验和) 附加到数据块末尾。接收方接收数据同时对数据块( 除校验 字节外) 求和，将所得的结果与发送方的“校验和”进行比较，相符则无差错， 否则即认为传送过程中出现了差错。 ( 3 ) 循环冗余校验 这种校验是通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用 于对磁盘信息的传输、存储区的完整性校验等。这种校验方法纠错能力强，广泛 应用于同步通信中。 在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结构：从机不主动 发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单 机作为主机，各台从机之间不能相互通讯，即使有信息交换也必须通过主机转发。 在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、 无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。 由于r s - - 4 8 5 通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任 意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上 呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。 半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不 好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。要做到总线上 的设备在时序上的严格配合，必须要遵从以下几项原则： 1 ) 复位时，主从机都应该处于接收状态。 m a x 4 8 5 芯片的发送和接收功能转换是由芯片的r e * ，d e 端控制的。 r e , = 1 ，d e = i 时， m a x 4 8 5 发送状态；r e * = o ，d e - - o 时，m a x 4 8 5 处于接收状态。 一般使用单片机的一根口线连接r e * ，d e 端。在上电复位时，由于硬件电路稳定 需要一定的时间，并且单片机各端口复位后处于高电平状态，这样就会使总线上 各个分机处于发送状态，加上上电时各电路的不稳定，可能向总线发送信息。因 此，如果用一根口线作发送和接收控制信号，应该将口线反向后接入s n 7 5 1 7 6 的 控制端，使上电时m a x 4 8 5 处于接收状态。 另外，在主从机软件上也应附加若干处理措施，如：上电时或正式通讯之前， 对串行口做几次空操作，清除端口的非法数据和命令。 2 ) 控制端r e * ，d e 的信号的有效脉宽应该大于发送或接收一帧信号的宽度。 在r s - - 2 3 2 ，r s 一4 2 2 等全双工通讯过程中，发送和接收信号分别在不同的 第三章数据通讯的硬件设计 物理链路上传输，发送端始终为发送端，接收端始终为接收端，不存在发送、接 收控制信号切换问题。在r s 4 8 5 半双工通讯中，由于m a x 4 8 5 的发送和接收 都由同一器件完成，并且发送和接收使用同一物理链路，必须对控制信号进行切 换。控制信号何时为高电平，何时为低电平；一般以单片机的t i ，r i 信号作参 考。 发送时，检测t i 是否建立起来，当t i 为高电平后关闭发送功能转为接收功 能； 接收时，检测r i 是否建立起来，当r i 为高电平后，接收完毕，又可以转为 发送。 在理论上虽然行得通，但在实际联调中却出现传输数据时对时错的现象。根 据查证有关资料，并在联调中借助存储示波器反复测试，才发现一个值得注意的 问题，我们可以查看单片机的时序： t x c 旺k 8 乳一0 8880l00fn lj l 08 ，j 姒l f a 。一 洲1 08il0 6 8 0 | j 一 t x d 面酗伸石f n r k f r 百n 丁n f | 广i 可万行i 丌葡而一 7 x d 唑! ! l 竺i 旦! l 竺! l 竺i 竺l 竺l 竺l2 1l ! 竺7 悴止悼 1 1 ，一 爱蕾对廖蕾 体n 。胖l 38n j 【888888098 j l 儿一 r x d1 竺! ! 压丑互更蜀匦夏互匝丑五颞型巫丁百万一 例夸端鹤瓶躔嘲睡挪姗鄹噍嘲脑一一一一一一一一 - , ? l y ，f r , y i i d ”蹦；盯一_ j l 0 8800000 一 剐一一一厂一 擅舡时序啊 图3 9单片机的发送时序和接收时序 单片机在串行口发送数据时，只要将8 位数据位传送完毕，t i 标志即建立， 但此时应发送的第九位数据位( 若发送地址帧时) 和停止位尚未发出。如果在这 是关闭发送控制，势必造成发送帧数据不完整。如果单片机多机通讯采用较高的 波特率，几条操作指令的延时就可能超过2 位( 或1 位) 数据的发送时间，问题 或许不会出现。但是如果采用较低波特率，如9 6 0 0 ，发送一位数据需1 0 0us 左 右，单靠几条操作指令的延时远远不够，问题就明显地暴露出来。接收数据时也 同样如此，单片机在接收完8 个数据位后就建立起r i 信号，但此时还未接收到 第九位数据位( 若接收地址帧时) 和停止位。所以，接收端必须延时大于2 位数 据位的时间( 1 位数据位时间= i 波特率) ，再作应答，否则会发生总线冲突。 1 9 第三章数据通讯的硬件设计 3 3 基于1 2 c 的通信控制 3 3 1 总线基本操作 运用主从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数 据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作十接收和发送状态。总线必须由 主器件( 通常为微控制器) 控制，主器件产生串行时钟( s c l ) 控制总线的传输方向， 并产生起始和停止条件。s d a 线上的数据状态仅在s c l 为低电平的期间才能改变， s c l 为高电平的期间，s d a 状态的改变被用来表示起始和停止条件。 3 3 21 2 c 总线时序 在1 2 c 总线上传送的一个数据字节由八位数组成，总线对每次传送的字节数没 有限制，但每个字节后必须跟一位应答位。传输速率可达4 0 0 k 波特。数据传送时， 高位在前，低位在后，这和传统的串行通讯不同。数据传输时，在时钟线s c l 高 电平期间，数据线s d a 上的信息要保持不变，在s c l 氐电平期间，s d a 上的电平允 许变化。- 每个s c l 脉冲对应s d a 上的一位数据。如图3 - 1 0 所示j i! !； 图3 - 1 01 2 c 总线传输 如果在时钟线s c l 高电平期间，s d a 上的电平出现了下降沿，这种状态规定 为起始信号( s ) ：如果在时钟线s c l 高电平期间，s d a 上的电平出现上升沿，这 种状态规定为终