嵌入式互联网接入下PPT课件.ppt

嵌入式系统扩展接口设计 一嵌入式INTERNET接口主要有二种方法1直接入INTERNET嵌入式设备上集成了TCP IP协议栈以及相关的应用软件 这样的设备可以作为INTERNET的一个节点 与INTERNET互联 该方案特点 1 设备可以直接连接到INTERNET2 不需要专用的接入设备3 设备的协议标准化 便于实现4 需要的嵌入式处理器的资源比较高 如更快的处理器 更大的存储器容量 导致系统的成本高 5 需要IP地址资源 目前INTERNET的IPV4的IP资源有限 2通过网关接入INTERNET即采用瘦设备方案 通过网关接入INTERNET 嵌入式微型网互联技术 EbeddedMicroInternet workingTechnolog EMIT 是一种将嵌入式设备接入互联网的技术 利用该技术可将Interne延伸到8位 16位 32位单片机 实现基于Interne的远程数据采集 远程控制 自动报警 上传 下载数据文件和自动发送E mail等功能 8位 16位MCU实现Interne通信协议比较困难 EMIT从另一个角度出发 较好解决了这个问题 EMIT采用桌面计算机或高性能嵌入式处理器设计网关emGateway 网关支持TCP IP协议 能运行HTTP服务程序 形成一个可以通过网络浏览器进行远程访问的服务器 网关emGateway 通过RS 232 RS485 CAN 红外 射频等轻量级总线和协议与多个嵌入式系统 设备连接 每个嵌入式系统 设备的应用程序都包含一个独立的通信任务 检测嵌入式系统 设备中预先定义的各个变量 并把结果反馈到网关中 该通信任务解释网关的命令 修改设备中的变量 或进行某种控制 该方案特点 1 需要接入Interne的设备可以是低档的处理器 2 接入Interne的设备的协议软件开销比较少 3 接入Interne的设备共享网关IP地址 4 可以降低系统的整个成本 5 设备可以实现小型化 多样化 二嵌入式系统网络接口电路对于嵌入式系统 以太网接口电路必需的 从硬件角度看以太网接口电路主要有MAC控制器和物理层接口二部分组成目前常用的以太网接口芯片有二类 一类芯片内部含有MAC控制器和物理层 另一类芯片内部仅含有物理层接口 部分嵌入式CPU芯片内部含有以太网控制器 如S3C4510B 支持媒体独立接口 带缓冲的DMA接口 可在半双工和全双工模式下提供10M 100Mb s的以太网接入 S3C4510B实际上已包含了MAC控制 但未提供物理层接口 所以需外接一片往来接口芯片 作为以太网的接入通道 如RTL8201 DM9161等 RTL8201 DM9161 是常用的10M 100Mb s高速以太网往来接口器件 提供MII接口和传统的7线制网络接口 可与S3C4510B接口直接连接 有些CPU芯片没有以太网控制器 如S3C44B0X 需要外接含有MAC控制器和物理层接口的芯片 如RTL8019 8029 8039 CS8900 DM9008等 图示电路中44B0X外接的网络接口芯片是RTL8019 RTL8019主要特性 RT8019有二种工作模式 跳线模式Jumper非跳线模式Jumpless在ES中一般用跳线模式 所以有固定的中断和固定的I O口地址 I O端口的基地址由44B0X和RTL8019的接线确定 8019有8个IRQ接口 8019与CPU的数据宽度默认值是8位 但可通过上拉或下拉电阻选定8位或16位 地址 寄存器地址映射 从44BOX看 地址是0X08000000 BANK4从8019看系统采用8位数据总线 8019内部寄存器和存储器中将起始地址设定为00H 1FH 在系统中将起始地址设为300H 及基地址为300H 内部地址范围 300H 31FH 如A8 A9接高电平 8019共有20根地址线 00000000001100000000 00000000001100011111从44BOX看工作在BANK4 且8019的A0 A4与44B0X的A8 A12连接 所以地址范围 0X08000000 0X08001F00 其中每个寄存器的偏移量是100H 以太网的物理传输帧 IEEE802 3 PR 同步位 收发双方的时钟同步 也指明传输的速率 10M 100M SD 分隔位 表示下面跟着的是真正的数据 而不是同步时钟DA 目的地址 以太网的地址为48位地址 如果都为F 则是广播地址SA 源地址 48位 表明该帧的数据是哪个网卡发的 即发送端的网卡地址 TYPE 类型字段 表明该帧的数据是什么类型的数据 如 0800H表示数据为IP包DATA 数据段 该段数据不能超过1500字节 PAD 填充位 以太网帧传输的数据包最小不能小于60字节 当数据段不足46字节时 后面补000000 当然也可以补其它值 FCS 32位CRC数据校验位 该校验由网卡自动完成 PR SD PAD FCS这几个数据段是由网卡自动产生的 只需要理解DA SA TYPE DATA四个段的内容所有数据位的传输由低位开始 传输的位流使用曼彻斯特编码 以太网的冲突退避算法是由硬件自动执行的 DA SA TYPE DATA PAD最小为60字节 最大为1514字节 以太网卡可以接收三种地址的数据 一个是广播地址 一个是多播地址 在嵌入式的环境中一般不用 一个是它自已的地址 任何两个网卡的物理地址都是不一样的 是世界上唯一的 网卡地址由专门机构分配 三嵌入式TCP IP协议栈与完整的TCP IP协议栈是相同的 但嵌入式系统的资源有限 嵌入式协议栈的一些指标 接口与普通的协议栈不同 普通协议栈的接口是标准的 如winsockit BSDsockit等 标准化的优点是为了应用软件的兼容性 但带来的问题是使用了大量的代码 效率低 处理器和存储器开销大 1 嵌入式协议栈的可裁剪性普通协议栈使用的完整的协议栈 因为PC机的资源丰富 对于嵌入式系统资源有限 可裁减性非常重要 2 嵌入式TCP IP协议栈的平台兼容性普通协议栈与操作系统结合的比较紧密 协议栈的实现依赖于操作系统提供的服务 移植较困难 嵌入式协议栈的设计一般对操作系统依赖性不大 便于移植 3 嵌入式TCP IP协议栈的几种形式基于软件实现基于硬件的实现大多数TCP IP协议栈使用软件实现 由于目前TCP IP协议栈已经成熟了 所以厂商将TCP IP协议栈用硬件实现 可提高效率 降低成本 代理协议栈有些产品不需要采用TCP IP的全集 如EMIT方案 设备通过运行在网关上的代理间接地接入TCP IP网络 4 嵌入式协议栈的选择如采用硬件固化方式 还是软件方式 采用完整的协议栈 还是采用部分模块 还是代理方式 由所设计的电子系统 设备确定 通常可考虑以下问题 与Interne连接方式 需要发送和接收信息的种类 在系统中使用软件或硬件协议栈的难度评估 增加一个协议栈 不同方案对原来的设计的变动大小 成本比较 软件 硬件成本 总体增加的成本建议 如考虑的应用产品采用了功能比较强的处理器 而仅仅需要实现网络连接 那么只需增加软件协议栈与网络的硬件接口可以了 如应用产品的存储器容量已经没有多少空间 或处理器的功能也有限 则采用网关协议代理的方式 或采用硬件固化的协议栈 是较明智的选择 5 TCP IP协议的层次 应用层 Application BSD套接字 BSDSockets 传输层 Transport TCP UDP网络层 Network IP ARP ICMP IGMP数据链路层 DataLink IEEE802 3EthernetMAC物理层 Physical 嵌入式以太网中主要处理的协议 ARP AddressResolationProtocol 地址解析协议ICMP InternetControlMessagesProtocol 网络控制报文协议IP InternetProtocol 网际协议TCP TransferControlProtocol 传输控制协议UDP UserDatagramProtocol 用户数据报协议 ARP协议网络层用32bit的IP地址来标识不同的主机 而链路层使用48bit的物理 MAC 地址来标识不同的以太网接口 只知道目的主机的IP地址并不能发送数据帧给它 必须知道目的主机网络接口的MAC地址才能发送数据帧 ARP的功能是实现从IP地址到对应物理地址的转换 源主机发送一份包含目的主机IP地址的ARP请求数据帧给网上的每个主机 称作ARP广播 目的主机的ARP收到这份广播报文后 识别出这是发送端在寻问它的IP地址 于是发送一个包含目的主机IP地址及对应的MAC地址的ARP回答给源主机 每台主机上都有一个ARP高速缓存 存放最近的IP地址到硬件地址之间的映射记录 IP协议IP工作在网络层 是TCP IP协议族中最为核心的协议 所有的TCP UDP ICMP以及IGMP数据都以IP数据报格式传输 IP数据报最长可达65535字节 其中报头占32bit的数目 包含各32bit的源IP地址和目的IP地址 在嵌入式应用中 简化设计 IP数据报长度等于数据链路层的数据长度 TCP协议TCP 面向连接的可靠的传输层协议 TCP为两台主机提供高可靠性的端到端数据通信 主要包括 发送方把应用程序交给它的数据分成合适的小块 并添加附加信息 TCP头 包括顺序号 源 目的端口 控制 纠错信息等字段 称为TCP数据报 并将TCP数据报交给下面的网络层处理 接受方确认接收到的TCP数据报 重组并将数据送往高层 UDP协议UDP是一种无连接不可靠的传输层协议 把应用程序传来的数据加上UDP头 包括端口号 段长等字段 作为UDP数据报发送出去 但是并不保证它们能到达目的地 可靠性由应用层来提供 就象发送一封写有地址的一般信件 却不保证它能到达 基于ARM和uCOS II的TCP IP协议uCOS操作系统的内核中没有集成TCP IP的协议栈 但是 TCP IP的协议的特点决定了 它要想很好地实现 必须要有一个多任务操作系统的支持 在嵌入式应用的领域中 uCOS也是一个很好的选择 嵌入式系统扩展接口的应用设计 四RS485接口设计计算机和外界信息交换最简单的通信方式就是使用串行通信 串行通信以RS 232和RS 485为代表 二者各有其应用领域 使用范畴也不尽相同 RS 232作为个人微型计算机的标准配置的使用已较为普遍 RS 485则大量应用于工业环境中 其长距离传输 抗噪声的优点使其得到迅猛发展 一个系统往往由多台计算机组成 需要解决多站 远距离通信的问题 在要求通信距离为几十米到上千米时 可采用RS 485收发器 RS 485收发器采用平衡发送和差分接收 因此具有抑制共模干扰的能力 加上接收器具有高的灵敏度 能检测低达200mV的电压 故传输信号能在千米以外得到恢复 使用RS 485总线 设备简单 价格低廉 能进行长距离通信 1 RS 232接口RS 232不采用TTL逻辑是为了提高信号的抗干扰能力和增加传输距离 由于逻辑 1 和逻辑 0 用相反的电压表示 使两种状态之间的电压差较大 这就极大的提高了数据传输的可靠性 逻辑0电平规定为 5V 15V之间 逻辑1电平为 5V 15V之间 2 RS 485接口概述在RS 422的基础上制定了RS 485标准 增加了多点 双向通信能力 通常在要求通信距离为几十米至上千米时 广泛采用RS 485总线标准 RS 485采用平衡发送和差分接收 即在发送端 驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出 在接收端 接收器将差分信号变成TTL电平 具有较高的灵敏度 能检测到低至200mV的电压 具有抑制共模干扰的能力 数据传输可达千米以上 RS485传输速率最高达1Mb S 传输距离可达1000米以上 仅当速率低于100Kb S时 当波特率为1200bps时 最大传输距离理论上可达15km RS485接口支持1对32的多机通信模式 可方便地实现多机通信 传输特性 RS 485数据信号采用差分传输方式 也叫做平衡传输 它使用一对双绞线 将其中一条线定义为A 另一条线定义为B 通常情况下 发送驱动器A B之间的逻辑1电平在 1 5 6V 逻辑0电平在 6 1 5V 另有一个信号地C RS 485中 使能 端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接 当 使能 端起作用时 发送驱动器处于高阻状态 称作 第三态 即它是有别于逻辑 1 与 0 的第三态 接收器与发送端的规定相同 收 发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连 当在接收端AB之间有大于 200Mv的电平时 输出逻辑1 正电平 小于 200mV时 输出逻辑0 负电平 接收器接收平衡线上的电平范围通常为200mV 6V 电气特性 RS 485标准采用正逻辑 1 5V 6V表示 1 6V 1 5V表示 0 二线双端半双工差分电平发送与接收 无公共地线 能有效克服共模干扰 抑制线路噪声 传输距离1 2km 最高数据传输速率可达10Mb s RS 485可以采用二线与四线制方式 二线制可实现真正的多点双向通信 而采用四线制连接时 与RS 422一样只能实现点对多 只能有一个主设备 其余为从设备 的通信 通信方式 RS485接口标准在通信方式 既可以采用半双工 也可以采用全双工的通信方式 常用的半双工通信芯片 SN75176 SN75276 MAX485等 常用的全双工芯片 SN75179 SN75180 MAX488等 数据帧格式 国内许多电子产品都含有通用异步串行传输接口UART 另外 RS 232接口也是PC的标准配置 因此 开发RS 485总线数据链路协议较好的方案是以字节式异步通信为基础 相应的帧格式如下 帧起始地址域控制域帧长度数据帧校验 RS485接口双机通信的硬件设计微机采用的是RS 232标准 且嵌入式系统的I O端口输出的是TTL电平 5V为 1 5V为 0 在RS 485标准的电平范围内 与RS 232标准不符合 工作方式及控制机理也有差别 若要利用微机现成的COM1 COM2串口来实现RS 485标准通信 就需要有电平转换电路 对其硬件 软件进行相应的设计 单片机 下位机 与微机 上位机 的RS 485标准远距离通信原理如方框图所示 嵌入式系统 RS 485 RS 485 电平转换 微机串行口 芯片介绍1 RS 485与TTL的电平转换芯片MAX485RS 485接口芯片有半双工和全双工两种 半双工芯片有SN75176 SN75LBC184 MAX485等 全双工有MAX490 SN75179 SN75180等 MAX485芯片是MAXIM公司的RS485接口芯片 芯片中包含有1个驱动器和1个接收器 系统通信软件设计系统通信协议 RS 485总线只制定了物理层电气标准 对上层通信协议没有规定 提供了很大的灵活性 一套完整的通信协议应从多个方面加以考虑 即要求结构简单 功能完备 又要求具有可扩充性与兼容性 并且尽量标准化 1 系统通信协议设定 1 PC端采用事件驱动的方式通信 查询发送 单片机串口工作方式为中断接收 2 数据传输格式 可采用半双工 标准异步串行通信模式 其格式为 1位起始位 8位数据位 1位奇偶校验位 1位停止位 当通信线上没有数据被传送时处于逻辑 1 状态 当发送设备要发送一个字符数据时 首先发送一个逻辑 0 信号 这个逻辑低电平就是起始位 起始位通过通信线传向接收设备 接收设备检测到这个逻辑低电平后 就开始准备接收数据位信号 起始位所起到的作用就是使设备同步 通信双方必须在传送数据位前协调同步 当接收设备收到起始位后 紧接着就会收到数据位 这些数据位被接收到移位寄存器中 构成传送数据字符 在字符数据传送过程中 数据位从最低有效位开时发送 依次在接收设备中被转换成并行数据 停止位是一个字符数据的结束标志 可以是1位 1 5位或2位的低电平 接收设备接收到停止位后 通信线路上便又恢复逻辑 1 状态 直至下一个字符数据的起始位到来 3 波特率设定 通信波特率可选 如选择通信的波特率为2400b s 4 由于单片机发送的数据字符编码采用ASCII码进行通信传输 因此PC端的串口输入输出方式为字符串格式 2 系统通信握手协议系统中可规定单片机 下位机 与PC之间的握手协议信号如下 呼叫信号标志 FEH呼叫信号错误标志 EFH同意接收信息标志 F0H数据接收不正确标志 F2H数据接收正确信息标志 F1H结束标志 E0H 握手原理为 单片机接收到PC发送来的数据 开始响应中断 中断程序判断如果是呼叫信号 FEH 则发送F0H到PC 表示同意接收数据 如果不是FEH 则表示呼叫信息错误 并且发送EFH到PC 请求重新发送呼叫信息 如果PC已经准备发送数据 当PC接收到同意接收信息标志 F0H 后 开始发送真正的数据信息 共4个字节 单片机开辟了一个字节的地址单元作为记数存储单元 每收到一个数据后 对该单元加1 当计数到4时即接收到了4个数据信息 一帧中的第2 5字节 将其存储到指定的RAM区 接收完数据后 PC开始发送结束位信息 E0H 单片机收到此信息 知道真正的数据位到此结束 然后接收下一个字节 校验字节 收到校验字节 单片机判断此校验字节与收到的数据中1的个数是否相等 如果相等则表示数据接收正确 于是发送F1H 数据接收正确 信号到PC 否则发送F2H 数据接收错误 信号到PC 通知PC重新发送数据 在设计这个协议的时候 考虑到单片机与PC之间数据流量很小 因此单片机要求PC重新发送数据 是重新发送一帧的错误 包括呼叫信号 数据信息 结束标志 而不是出现错误的真正的数据信息 五GPRS远程通信系统的设计GPRS接口 通用分组无线业务的简称 是GSM移动电话用户的一种数据业务 通过使用GSM网络空闲的TDMA信道 以封包的形式来进行数据传输 通信速率可从56Kb S到115Kb S GPRS接口模块与AT指令集常用GPRS通信模块有 SIM100 E SIM 300 TC35等型号 对于数据传输 这三种型号均可满足 SIM100 E通信模块是SIMCOM公司推出的GSM GPRS双频模块 主要为语音传输 短消息 和其他数据业务提供的无线接口SIM100 E通信模块集成了完整的射频电路 GSM的基带处理器 适合开发一些GSM GPRS的无线应用产品 如移动电话 无线POS机 无线抄表系统及无线数据传输业务 应用范围广泛 SIM100 E通信模块为用户提供了完整的系统接口 60个引脚是SIM100 E通信模块与应用系统的接口 主要提供 外部电源 RS 232串口 SIM卡接口和音频接口 SIM100 E通信模块使用锂电池等 或外部直流电源供电 电源范围 3 3 4 6V 电源至少应具备2A的峰值电流输出能力 SIM100 E通信模块提供标准的RS 232接口 用户可以通过串行接口使用AT命令完成模块的操作 SIM100 E模块串行接口支持的波特率300 1200等 通常默认为 115200 用户可先用SIM100 E模块默认的115200与模块通信 然后可以使用AT IPR rate 命令自由切换到其他通信速率 具体应用中模块可以只用三个引脚 TXD RXD GNDS3C2410处理器 采用MAX232芯片可完成GPRS模块的TTL电平到RS 232的转换 从而建立GPRS模块与S3C2410处理器连接 SIM100 E模块提供了完整的音频接口应用设计只需要加上少量的外围辅助器件 为MIC提供工作电压和射频旁路 通过AT CHFR命令可切换主副音频通道 SIM100 E模块的射频部分支持GSM900 DCS1800双频 应采用GSM900 DCS1800双频天线 天线阻抗应满足50欧姆 SIM100 E模块支持外部SIM卡 模块自动检测和适应SIM卡类型 对用户而言 GPRS模块实现的就是一个移动电话的基本功能 该模块正常的工作是需要电信网络支持的 需要配备一个可用的SIM卡 在网络服务和计费与手机类似 SIM100 E模块还具有一套标准的AT命令集 包括一般命令 呼叫控制命令 网络服务相关命令 电话本命令 短消息命令 GPRS命令等 实际应用中嵌入式系统通过串口向SIM100 E模块发送AT命令控制GPRS模块实现不同的功能 六I2C总线I2CBUS InterICBUS 是Philips推出的芯片间串行传输总线 它以二根连线实现了完善的全双工同步数据传送 可以方便的构成多机系统和外围器件扩展系统 使用I2C总线可以在嵌入式系统有限I O口资源内发挥其最大作用 而并不需要额外的外接I O扩展电路 1I2C总线的基本原理1 总线上数据的有效性I2C总线的时钟线SCL和数据线SDA都是双向传输线 I2C总线数据传输时 在时钟线高电平期间数据线上必须保持有稳定的逻辑电平状态 高电平为数据1 低电平为数据0 只有在时钟线为低电平时 才允许数据线上的电平状态变化 如图所示 2 总线数据传送的起始与停止I2C总线数据传送时有两种时序状态被分别定义为起始信号和终止信号 如图所示 起始信号 在时钟线保持高电平期间 数据线出现由高电平向低电平变化时启动I2C总线 为I2C总线的起始信号 终止信号 在时钟线保持高电平期间 数据线出现由低到高的电平变化时将停止I2C总线的数据传送 为I2C总线的终止信号 起始信号与终止信号都是由主控制器产生 总线上带有I2C总线接口的器件很容易检测到这些信号 但是对于不具备这些硬件接口的一些微处理器来说 为了能准确地检测到这些信号 必须保证在总线的一个时钟中期内对数据线至少进行两次采样 3 I2C总线上的数据传送I2C总线上传送的每一个字节均为8位 但每启动一次I2C总线 其后的数据传输字节数是没有限制的 每传送一个字节后都必须跟随一个应答位 并且首先发送的数据位为最高位 在全部数据传送结束后主控制器发送