基于AVR单片机的远程通信系统魏利兵

1、 . . . 摘 要随着国民经济的发展，远程测控技术在工业自动化、环境监控、智能家居以与安防系统等方面都得到了长足的发展和广泛的应用，在由单片机作为终端控制器的远程监控系统中，合理的实现单片机的远程通信功能是系统成败的关键因素,因而有必要对单片机远程通信技术进行充分的研究。单片机远程通信系统的实现方法多种多样，它们在数据传输中使用的通信协议和网络也多不一样。单片机远程通信系统按通信网络是否需要专门铺设可以划分为单片机专用网络远程通信系统和单片机已有远程网络通信系统，单片机现场总线远程通信系统属于前一类，单片机因特网，电力网和网远程通信系统属于后一类。各种单片机远程通信系统的通信带宽也有着较大差

2、别，其中基于因特网和现场总线系统的带宽要远远大于基于电力网和网系统的带宽。现阶段，在我国以线路为传输介质的窄带网络十分普与且成本低廉，在对通信带宽要求不高的环境监控，智能家居与安防系统等方面都有着广泛的应用。AVR单片机远程通信的多种原理、方式和方法进行研究的基础上对其进行了合理的分类，并着重研究了广泛应用于流体参数远程测量和智能住宅的单片机远程通信技术，且首创性的将现有的普通来电显示服务功能应用于基于AVR单片机远程通信技术的智能住宅安防系统中，显著提高了该系统的关键词：单片机，远程通信，AVR，通信协议36 / 38AbstractWith the rapid development of

3、 national economics, remote supervisory and control technology have made quiet great development and extensive usingin the industrial automation ,environmental monitoring ,smart-house and Security Automation System. If want to realize the remote supervisory and controlling in the systems that use th

4、e MCU as the terminal controller we must achieve the remote data exchange between the MCU and control terminal, i.e. we should achieved the remote communication of MCU. So, the researching of the remote communication of MCU is very important.There are many kind of achievement of the remote communica

5、tion MCU systems,and the communication protocols and networks are different in those systems. The remote communication AVR MCU systems are separated into private network communication system and existing system network communication by the networks whether need paved. The Internet system, power-line

6、 system and telephone system are belongs to existing network, the field-bus systems are belong to private network communication system. Bandwidth is also different in those communication systems, the bandwidth in internet and field-bus systems are wider then that in the power-line and telephone syst

7、ems. Today, in our country the telephone system are universally used in the narrow band environmental monitoring、smart-house and Security Automation System for its Low-cost.Rational categorized the philosophies and systems of the remote communication of AVR MCU based on analysis and studying, thorou

8、gh searched the remote communication of MCU based on technology, observably improved the response speed and character of service of Security Automation System based on DTMF technology in smart-house by first used the Call Identify-ration service in the system, Key words：AVR MCU Remote communication

9、Communication protocol 目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 国外研究现状11.2本文研究的背景和意义11.3单片机远程通信概述21.4本文研究的主要容：22系统平台介绍42.1 单片机概述42.2单片机的应用62.3AVR单片机选择73 单片机远程通信概述103.1 OSI结构概括103.2 单片机专用网络远程通信123.3单片机使用已有网络远程通信143.4 通信基本原理223.5电路接口设计223.6 MODEM实现远程通信233.7软件设计234 AVR单片机的RS485通信系统的设计与实现254.1 系统硬件组成254.2 信协议与数据传输过程254

10、.3 通信实现254.4ATmegal6 AVR单片机的通信程序28结论29致30参考文献31附录一32附录二351 绪 论1.1 国外研究现状1.1.1国外研究现状1971年美国仪器(TexaxInstrument)公司推出了第一款单片机TMS-1000(4位,无通信端口),它的出现无疑是近代计算机技术发展史上的重要事件，它的发展使嵌入式计算机系统实现了单片集成，并促进了通用微处理器(CPU)向嵌入式微处理器发展。如今，嵌入式微控制器与嵌入式微处理器作为嵌入式系统中两个重要组成部分、使现代电子技木进入到一个崭新的智能化时代，在这一发展过程中单片机的通信能力在不断提高,1978年各大单片机生产

11、厂商推出的8位单片提供了全双工串口,单片机开始具有了初步的通信能力.在这之后,为了提高单片机有限的通信能力,世界各大电子组织和厂商又先后制定了多种通信接口标准和通信协议.如采用串行通信方式的RS-232、RS485、SPI、I2C、USB等接接口标准和协议但随着分布式测控的发展，在单片机的实际应用中又提出了使其具有总线通信能力的新要求，为此各大电子组织和厂商又分别独立和联合推出了各种通信总线协议和接口，如广泛使用的CAN总线接口协议等。近年来随着计算机技术和信息技术的迅猛发展，Internet的使用越来越普与，具有网络通信能力就成为了单片机的一种新的发展方向，为此各大厂商也都推出了各自的实现方

12、式，在通信协议的使用中主要有以下几种；一、使用完整的TCP/IP协议，优点是功能强大，但对硬件要求高。二、采用精简过的TCP/IP协议即嵌入式ICP/IP协议。三、开发专用的通信协议如emNet和emGateway.现在国大多厂家使用的是前二者，自己开发专门用协议的很少。1同时，曾在程控系统和通信设备中广泛使用的DTMF(双音多频)技术由于信号抗干扰能力强,且适合于远距离通信,在单片机远程通信中也占有重要的地位，并在通信系统、家庭自动化、通过线远程控制，与安全系统中有着广泛的应用，总之单片机通信能力正在不断的扩展和提高之中1.1.2单片机远程通信中需要解决的问题现有单片机远程方式方法多种多样，

13、但没有相应的分类标准，不利于对其进行系统的研究和分析。单片机远程通信中的各种软件协议，尤其是网络通信中的各种通信协议较为复杂需要用一种共周期的标准进行比对分析。DTMF技术在单片机远程通信中占有重要地位需要深入研究。基于DTMF技术的普通安防系统，依赖振铃记数来决定是否自动摘机，既影响用户正常使用，又降低了安防系统的反应速度，需要一种可行的方法来解决这个问题。1.2本文研究的背景和意义目前，为了实现远程监测，监控设备就必须具有远程通信终端，而这种通信终端大多用单片机或数字信号处理器来实现。由于监控系统的分布性与工作环境的特殊性，具有远程通信能力的单片机终端已经成为一种普遍需要，而实现单片机远程

14、通信的方式方法也多种多样，为了在考虑成本的前提下提高单片机通信的质量，对单片机远程通信的接口和通信协议进行充分的研究就显得极为必要。本论文试图通过对单片机远程通信的各种实现方式的综合研究，对其进行科学合理的分类，并引入共同的通信协议分析对比模型，明析各种通信协议中不同模块的做用，同时试图通过对基于DTMF技术的家庭安防系统进行系统的分析，找出其存在问题利用现有技术和新技术对其性能进行提高。1.3单片机远程通信概述1.3.1单片机远程通信的概念单片机远程通信从其字面理解，远程是指非近距离的，通信则指的是信息交流，通信的双方或多方共同构成一个物理系统，如分布在因特网，网两端的两个或多个单片机终端就

15、可构成一个单片机远程通信系统。确切的理解，单片机远程通信是指本地单片机终端系统通过网络系统与远端的单片机或其他控制设备进行信息交流，如基于Internet的单片机远程通信系统是指以Internet作为通信平台的单片机远程信息交流系统。1.3.2单片机远程通信的模式单片机远程通信的模式一般是相距一定距离的单片机终端之间，或单片机终端与其它控制终端之间以共同的标准也就是通信协议，完成信息的交流。而通信协议中往往包括通信号的电气特性和信息的传输规则，其号的电气特性通常是由硬件电路来实现，而通信规则通常是由软件来实现的。单片机远程通信的过程通常是；信息的发送端按照通信协议将信息包装后发送到接口电路，再

16、由接口电路将其转换为符合通信协议电气规定的信号传输到通信网络中(如因特网，网)，接收端接收到通信网络中传来的信号后，再按通信协议中的规定将它还原成原来的信息。1.3.3单片机远程通信的分类按照通信用的通信网络是否需要铺设可将单片机分为两大类：单片机专用网络远程通信单片机专用网络通信是指在单片机远程通信中所使用的网络平台要专门铺其中主要包括各种现场总线技术：基金会现场总线FF(Foundation Field bus)、控制局域网络CAN(ControllerArea Network)、局部操作网络LonWorks(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS(

17、Process Field Bus)和HART协议(HighwayAddressable RemoteTransducer)等。单片机已有网络远程通信单片机已有网络远程通信是指在单片机远程通信中所使用的网络平台不需专门铺设，而是利用已有的网络作为通信平台，其中主要包括以下几种：因特网远程通信、电力线载波通信和网络通信，其中网通信又可细分为有线和无线两种。1.4本文研究的主要容：研究现有单片机远程通信的各种实现方法，依据其在通信使用网络的不同将其进行分类。引入通信技术中的OSI七层模型，并以此为基准对单片机远程通信中的使用的各种通信协议进行分析，明晳各种通信通信协议中各个模块的层次和具体作用。完

18、成单片机使用DTMF技术实现远程通信的系统设计，其中包括具体电路的设计和软件编写，并对其抗干扰能力进行一定的分析。对基于单片机和DTMF技术的网家庭安防系统进行分析，着重解决由于依赖振铃记数来决定是否自动摘机而影响用户正常使用的问题，提高了安防系统的反应速度。2系统平台介绍2.1 单片机概述单片微型计算机（单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、机电设备过程控制、自

19、动检测、家用电器和数据处理等各个方面。2.1.1单片机的发展单片机诞生于20世纪70年代。最初的单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（Center Process Unit,也即简称CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器(ROM)与其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统。现代的单片机则增加了更多的片外设（比如定时器、计数器、串行口、中断、并行I/O口，甚至包括A/D转换器、脉宽调制器PWM等），使得单片机的功能越来越强大，应用领域越来越广泛。因为这样一块芯片就具有一台计算机的功能，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。由于单片机的硬件结构和指令系统都是按照工业控

20、制要求来设计的，常用在工业的检查、控制装置中，因而也被称为微控制器（Micro-Controller）。 单片机按照其用途可以划分为通用型和专用型两大类。通常所说的单片机是指通用型单片机。通用型单片机是把可开发资源（如ROM，RAM，I/O口）全部提供给使用者。专用型单片机的硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的，如：频率合成调谐器（DDS）、USB控制器、收音机机芯控制器、打印机控制器等。1单片机发展历史20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料、新工艺尚未成熟。单片机仍处在初级的发展阶段，元器件集成规模还比较小，功能相对比较简单，一般只集成了CPU

21、和RAM，有的还将一些简单的I/O口集成到芯片上，像Farichild公司的产品就属于这一类。这样的单片机通常还需要扩展其他外围处理电路才能构成完整的系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。1976年Intel公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小、功能全、价格低廉赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。 其后在MCS-48的鼓舞下，各半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，如Zilog公司的Z8系列。到了80年代初，单片机已经发展到了高性能阶段，如Intel公司的MCS-51系列，M

22、otorola公司的6801和6802系列Rokwell公司的6501与6502系列等，此外，日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。80年代，世界各大公司竞相研制出品种多、功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器。单片机的功能越来越强大，ROM和RAM的容量也越来越大，其发展到了一个全新的阶段，应用领域更加广泛，许多电子产品均走向利用单片机控制的智能化发展道路。在众多品种的单片机中，MCS-51系列是我国较早引进的Int

23、el公司的单片机产品。由于其性能优良，已经被国外用户广泛认可和采用，占据了重要的市场份额。单片机产品的性能在不断提高，技术在不断更新换代。近几年，一些公司面向市场推出以8051为核、独具特色、性能卓越的新型系列单片机，如ATMEL公司的AT89系列，Philips公司的80C51系列，ADI公司的ADuC系列，以与SIEMENS等公司也都在8051的基础上先后推出了新型兼容机。就通用单片机而言，世界上著名的计算机厂家投放市场的产品就有50多个系列，400多个品种。单片机产品已占整个微机产品的80%以上，其中8位单片机的产量又占整个单片机产量的60%以上，8位单片机在最近若干年将仍是工业检测，控

24、制应用的主角。1997年,由ATMEL公司挪威设计中心利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。 2.1.2 单片机的特征和应用单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉。一、简便易学，费用低廉首先，对于非专业人员来说，选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发

25、AVR单片机系列中的各种封装的器件。AVR单片机因此在业界号称“一线打天下”。其次，AVR单片机便于升级。AVR程序写入是直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作，这样便于产品升级。再次，AVR单片机费用低廉。学习AVR单片机可使用ISP在线下载编程方式(即把PC机上编译好的程序写到单片机的程序存储器中)，不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，即可进行所有AVR单片机的开发应用，这可节省很多开发费用。程序存储器擦写可达10000次以上，不会产生报废品。二、高速、低耗、首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机：1、AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指

26、令可以在一个时钟周期执行。2、多累加器型，数据处理速度快。AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。3、中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。其次，AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8 V即可工作。再次，AVR单片机性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，位单元深藏于芯片部，无法用电子显微镜看到。三、I/O口功能强,具有A/D转换等电路1. AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。工业级产品，具有大电流

27、(灌电流)1040 mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器，节省了外围驱动器件。2. AVR单片机带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。3. 部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。4. AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱(飞),提高了产品的抗干扰能力。四、有功能强大的定时器/计数器与通讯接口定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些

28、型号的AVR单片机有34个PWM，是作电机无级调速的理想器件。AVR单片机有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下,而波特率可达576K。 2.2单片机的应用单片机以其卓越的性能、小巧的体积、极高的性价比，在国民经济的各个域中得到了广泛的应用。但是由于单片机自身的一些特点，在实际应用中又有着自己的应用特性和应用围。1应用特点(1)小巧灵活 由于单片机部包含了计算机的基本功能部件，能满足很多应用领域对硬件功能的基本要求，因此能方便地组装成各种智能式测控设备与各种智能仪器仪表。(2)可靠性高 单片机CPU访问存储器和各种外设的接

29、口的总线大多数在芯片部，因此不易受到外界环境的干扰；同时由于体积小，在很多恶劣的环境下，容易采取对系统进行电磁屏蔽等措施。(3)使用方便，容易扩展 系统扩展方便，简化了硬件设计，同时市场上提供了各种成熟的开发工具，具有很强的软硬件调试功能和辅助设计手段。 (4)性价比高，容易产品化 单片机市场需求量大，厂商一次可以进行大量的生产，同时很多厂商竞争，单片机的价格一直很具有优势。很多特性缩短了单片机应用系统从样机到正式产品的过渡过程，缩短了研制周期，可使成果迅速转换成生产力。2应用领域智能化管理与过程控制等领域，大致可分如下几个方面。(1)在智能仪器仪表上的应用单片机广泛应用于仪器仪表中，结合不同

30、类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素和压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化和微型化，且功能比起采用分立器件或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计、示波器和各种分析仪)。(2)在工业控制中的应用单片机可以构成形式多样的控制系统和数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制和各种报警系统、与计算机联网构成二级控制系统等。(3)在家用电器中的应用现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电和其他音响视频器材，再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。家用电器涉与到千家万

31、户，需求非常大，配上单片机后的家用电器在功能上更加智能化，深得用户的欢迎。廉价的单片微机在家用电器上的应用前途十分广阔。 (4)在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信。2.3AVR单片机选择2.3.1 AVR单片机的型号标识解析在现代化工业生产和高精度测试中，我们需要相当精确的信号来帮助判断设备性能指标。采用压控振荡器得到的频率不够精确。Mega系列单片机是Atmel公司于2002年起陆续推出的。这款AVR增强型单片机具有速度快，抗干扰能力强，价格低廉等诸多好处。为了加快AVR单片机的软件编制，Atmel与第三方提供的研发工具多种多样，程式

32、研发方便有效。该单片机部FLASH结构功能灵活，加锁后非常难解密，能最大限度地保护知识产权。AVR单片机能广泛应用于通信、野外测试、汽车电子、医疗器械等领域，并且适用于各种低电压、低功耗的场合。1.型号紧跟的字母，表示电压工作围。带“V”：1.8-5.5V；若缺省，不带“V”：2.7-5.5V。例：ATmega48-20AU，不带“V”表示工作电压为2.7-5.5V。2. 后缀的数字部分，表示支持的最高系统时钟。例：ATmega48-20AU，“20”表示可支持最高为20MHZ的系统时钟。3. 后缀第一（第二）个字母，表示封装。“P”：DIP封装，“A”：TQFP封装，“M”：MLF封装。例：

33、ATmega48-20AU，“A”表示TQFP封装。4. 后缀最后一个字母，表示应用级别。“C”：商业级，“I”：工业级（有铅）、“U”工业级（无铅）。例：ATmega48-20AU，“U”表示无铅工业级。ATmega48-20AI，“I”表示有铅工业级。 2.3.2 AVR 8-Bit MCU的最大特点与其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特点是： 哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力； 超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象； 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化

34、了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发； 作输出时与PIC的HI/LOW一样，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力； 片集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； 大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等； 大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序。2.3.3 AVR单片机的应用区域目前，

35、AVR已被广泛用于：空调控制板、打印机控制板、智能电表、智能手电、LED控制屏、医疗设备、GPS。2.3.4键盘输入设备和相应软件本设计采用了44键盘作为频率输入设备。由于按键个数少，只有16个，需要表示从1Hz10MHz的广泛频率，故在软件设计中采用了AVR单片机扫描方式。将端口A的8根I/O引脚全部作为扫描键盘使用。键盘定义除了0?9共10个数字之外，还定义了“退格”键、“全删”键、“输入”键、“+1Hz”键和“-1Hz”键，这样就能极方便用户随时修改频率和微调频率。读入用户输入的频率值时，采用了延时防抖抗干扰的软件程式。扫描变量的初始值设置为0xFE，以低电平0依次变化实现扫描。为了方便

36、现代化工业生产和精确的频率测试，我们设计了基于AVR单片机的高精度频率调节器。在本设计中，能使用小键盘上的“+1Hz”键和“-1Hz”键，方便地进行频率精确到1Hz的调节。此频率调节器体积小而功能强，由Atmel公司的AVR单片机Atmega16L作控制核心，用户可随时调整系统输出频率。采用了44键盘输入用户设定的频率值，占位小而效率高，编制程式让AVR单片机扫描即可得到频率，省去了专用键盘接口芯片8279。液晶显示模块可实时显示当前频率，显示界面友好，操作可控性强。本系统能产生方波和正弦波。 2.3.5液晶显示模块 用户在多次进行输入频率与“+1Hz”和“-1Hz”微调后，专注于观察信号输出

37、对下一级电路的影响，往往忘了目前系统的输出频率。这样导致在精确测试中需求微调时也不知该向高调整还是向低调整。为了告知用户系统所处的当前频率，我们扩展了液晶显示模块，实现了当前频率在液晶显示模块上实时显示。液晶显示模块占用了单片机Atmega16L的PD0-PD7作为数据接口，采用了单片机的PB0-PB4作为控制端口。PB0引脚选择液晶显示模块的数据存储器或指令存贮器，PB1引脚表明此次操作是读液晶显示模块还是写液晶显示模块，PB2则构成上升沿和下降沿完成读写时序。PB3负责选中液晶显示模块的左半部分，PB4负责选中右半部分，通常PB3和PB4都置为1。需要注意的是，在数据或指令准备好了之后，再

38、让PB2进行电平变化，否则读写会出错。 本设计的硬件在工业生产和测试使用表明，本设计简化了频率调节过程，用户使用方便，具有节电、低成本、抗干扰能力强、频率控制精度高速度快的特点。3单片机远程通信概述3.1 OSI结构概括为了研究单片机远程通信中的各种通信协议本文引入了OSI七层模型作为参考模型，OST模型是国际标准化组织(International Organization forStandardization)于20世纪80年代初制定的“开放系统互联参考模型”(Open SystemInterconnection Reference Mode)，该模型在规计算机网络体系结构方面起到了不可替代

39、的作用。OSI七层模型是指从物理层到应用层这七层，如图3.1它不涉与通信的物理介质。随着网络技术的发展，特别是局域网的发展，后来对OSI七层模型进行了改进。修订之一就是非正式地增加了一些子层和新层，如增加了第0层，使之覆盖了像电缆连接器和光纤这样的硬件细节。物理层物理层是OSI模型的最低层，它建立在物理通信介质的基础上，规定了机械的、电气的功能；该层负责建立、保持和拆除物理链路；规定如何在此链路上传送原始比特流；比特如何编码，使用的电平，极性，连接插头插座的插脚如何分配等。所以在物理层数据的传送单位是比特(bit)。数据链路层它把相邻两个节点间不可靠的物理链路变成可靠的无差错的逻辑链路，包括把

40、原始比特流分帧(frame)、顺序、排序、设置检错、确认、重发、流控等功能；数据链路层传动信息的单位是frame，每帧(frame)包括一定数量的数据和一些必要的控制信息，在每帧(frame)的控制信息中，包括同步信息、地址信息、流量信息等；同物理层相似，数据链路层负责建立、维护和释放数据链路。网络层它连接网络中任何两个计算机点，从一个节点上接收数据，正确的传送到另一个节点；在网络层，传送的信息单位是分组或包(packet)。网络层的主要任务是要选择合适的路由和交换节点，透明地向目的站交付发送站所发的分组或包，这里的透明表示收发两端好象是直接连通的，另外网络层还要解决网络互连、拥挤控制和记帐等

41、问题。上述三层组成了所谓的通信子网，用户计算机连接到此子网上。通信子网负责把一个地方的数据可靠地传送到另一个地方，但并未实现两个地方主机上进行进程之间的通信，通信子网的主要功能是面向通信的。传输层真正地实现了端端间通信，把数据可靠地从一方的用户进程或程序送到另一方的用户进程或程序。这一层的控制通常由通信两端的计算机完成。中间节点一般不提供这一层的服务，这一层的通信与通信子网无关。从这一层开始的以上各层全部是针对通信的最终的源端目的端计算机的进程之间的。传输层传送的信息单位是报文(message)。传输层向上一层提供一个可靠的端端服务，使上一层看不见下面几层的通信细节。正因为如此，传输层成为网络

42、体系结构中最关键的一层，对于传输层的功能，主要在主机实现。而对于物理层、数据链路层以与网络层的功能均能在报文接口机中实现。对于传输层以上的各个层次的功能通常在主机中实现。会话层又称对话层会话层允许两个计算机上的用户进程建立对话连接，双方相互确认身份，协商对话连接的细节；它可管理对话是双向同时进行的，还是任何时刻只能一个方向进行。在后一种情况下，对话层控制哪一方有权发送数据；对话层还提供同步机制，在数据流中插入同步点机制，在每次网络出现故障后可以仅重传最近一个同步点以后的数据，而不必从头开始。以上两层为两个计算机上的用户进程或程序之间提供了正确传送数据的手段。表示层主要解决用户信息的语法表示问题

43、。表示层将数据从适合于某一系统的语法转变为适合于OST系统部使用的语法。具体地讲，表示层对传送的用户数据进行翻译、编码和变换，使得不同类型的机器对数据信息的不同表示方法可以相互理解，另外，数据加密解密信息压缩等都是本层的典型功能。应用层主要处理资源可用性和安全问题，它包含了大量人们普遍需要的协议，如FTP、TELNET、 、SMTP等。最近几年，应用层协议发展很快，出现了很多新的应用，如ICQ、Multimedia stream等。OSI模型的各层的工作模式一般为：发送时接收上层的数据，将其分割打包，然后交给下层；接收时接收下层的数据包，将其拆包重组，然后交给上层。这样，一个包的传输过程是：发

44、送主机的应用程序将数据传递给网络协议栈实现(网络通信程序)，网络协议栈实现将数据层层打包，最后交由物理层在数据链路上发送；接收主机收到数据后，逐层拆包向上传递，直到最后达到应用层，应用程序得到对等方的数据。图3.1 ISO/OSI七层参考模型3.2 单片机专用网络远程通信3.2.1现场总线的概念现场总线兴起于上世纪90年，目前还没有统一的国际标准，但一般认为现场总线就是集控制、计算机、通信技术为一体的互连通信网络，可用于各种生产自动化现场智能仪表仪器、控制器、执行机构间数字化、串行、双向、多点的相互连接，被看作是一个由数字通讯设备和监控设备组成的用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放的、全

45、数字化、双向、多站的通信系统。美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准以来陆续形成了多种现场总线，其中主要的有：基金会现场总线FF(Foundation Field bus)、控制局域网络CAN(ControllerArea Network)、局部操作网络LonWorks(Local OperatingNetwork)、过程现场总线PROFIBUS(Process FieldBus)和HART协议(HighwayAddressable Remote Transducer)等。3.2.2主要的现场总线与其通信能力比较FF总线基金会现场总线,即FoundationFieldbus,简

46、称FF。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础,取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次,并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为3125kbps,通信距离可达1900m(可加中继器延长),可支持总线供电,支持本质安全防爆环境。H2的传输速率为1Mbps和25Mbps两种,其通信距离为750m和500。FF可采用总线型、树型、菊花链等网络拓扑结构，网络中的设备数量取决于总线带宽、通信段数、供电能力和通信介质的规格等因素。FF的物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射,协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯

47、特编码,每位发送数据的中心位置或是正跳变,或是负跳变。正跳变代表0,负跳变代表1,从而使串行数据位流中具有足够的定位信息,以保持发送双方的时间同步。PROFIBusPROFIBus(Process Field Bus)，过程现场总线，有三种系列：Profibus-FMS(Fieldbus Message Specification)、Profibus-PA(ProcessAutomation)和Profibus-DP(Distributive Peripheral)。其中Profibus-DP应用于现场级，实现分散的外围设备之间的高速数据传输，它采用了RS-485传输；Profibus-PA专

48、为过程自动化设计，它采用了IECII58-2标准，可用于有爆炸危险的环境中；Profibus-FMS用于车间级，要求面向对象，提供较大数据量的通信服务，它有被ETHERNET取代的趋势，它也采用了RS-485传输。使用PROFIBus技术的核心公司有Siemens、E+H、Sanson和Softing等。HART总线HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号

49、传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品。CANBusCAN总线最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规已被ISO国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN支持四类报文帧(数据帧、远程帧、出错帧、超载帧)，CAN总线采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，传输时间短，受干扰的概率低。当节点出错时，

50、能够自动切断与总线的联系，使总线上其它节点不受影响。CAN是所有总线中最为可靠的。LONWORKSLonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的LonWorks的LONTALK上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一层和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理

51、等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活。LonWorks应用围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。3.2.3单片机利用现场总路线通信的实现方式硬件部分图3.2接口电路原理图单片机采用现场总线技术进行通信时通常要设计相应的接口电路来实现总路线协议中的低层电气性能要求，并实现与总线的物理联接。软件部分软件部分的主要功能是实现各种总线通信协议，保证数据的传输以总路线协议规定的方式和格式进行，最终完成通信的功能。3.3单片机使用已有网络远程通信单片机远程通信使用的已有网络主要有因特网、电力网和网

52、。单片机因特网通信概述随着信息技术的发展，互联网越来越深入到人们的日常工作和生活中，各种控制系统和家用电器逐渐趋于网络化。以TCPIP协议或其它针对单片机网络通信的专用协议为核心，以太网接口作为一种较为通用的网络连接方式广泛应用于各领域，嵌入式系统如何实现以太网互联成为近些年来较热门的研究课题。以高性能单片机为核心，外接以太网控制芯片，然后嵌入到其它产品中成为一种有效的联网方式，在工业上和日常生活中有着广泛的应用前景。TCP/IP协议概述1984年，国际标准化组织ISO(International Standard Organization)发布了计算机互联通信的基本体系结构模型开放系统互联O

53、SI(Open systemInterconnection)七层模型；而TCP/IP体系结构是当前流行Internet网络所使用的体系结构，尽管它不是国际标准，但在计算机网络体系结构中占有非常重要的地位。TCP/IP协议是一个应用于Internet的非常重要的协议簇，它包括IP(InternetProtocol)协议、TCP(Transfer Control Protocol)协议、UDP(User Datagram Protocol)协议、ICMP(Internet Control Messages Protocol)协议等，其核心是IP协议和TCP协议。TCP/IP协议是一个四层协议系统，

54、包括应用层、传输层、网络层和链路层。网络通讯发生在两个协议系统之间。进行网络通讯之前，本地用户的应用请求发生在本地协议系统的最高层，即应用层。应用请求要传给异地用户，则本地高层协议，先要和本地TCP层进行通讯，这通过本地高层的一套独立原语机制Socket来实现，通过Socket机制，高层协议可以完全不管底层的网络和计算机体系结构，所有的工作交给TCP/IP协议来处理就可以了。在传输层主要为两个协议系统上的应用程序提供端到端通信服务。而在网络层处理分组在网络中的活动，两个协议系统之间真正发生作用是在链路层。通过链路层本地用户的要求就传到了异地协议系统的链路层，然后通过异地协议系统的网络层、传输层

55、，通过异地的Socket机制，连接到异地的高层，这样就完成了网络通讯。TCP/IP协议的体系结构TCP/IP协议是当今异种机互联的工业标准，它支持不同厂家、不同操作系统的计算机之间的通信.TCP/IP协议的第一实现方式出现在1983年。UNIX BSD提供了一种应用程序访问通信协议的系统调用接口Socket，后来称为Berkeley Socket，以表明它和Berkeley版UNIX的渊源。需要说明的是，TCP/IP协议不是单个协议，而是一组协议，它们用分层的方式开发，以协作方式完成在具体物理介质上的通信功能。在众多协议中，以TCP(Transmission ControlProtocol，传

56、输控制协议)和IP(Internet Protocol，网际协议)最为著名。TCP/IP协议体系在和OSI的竞争中取得了决定性的胜利，得到了广泛的认可，成为了事实上的网络协议体系标准。TCP/IP协议体系和OSI参考模型一样，也是一种分层结构。它是由基于硬件层次上的四个概念性层次构成，即网络接口层、互联网层、传输层和应用层。，还包括OSI会话层的部分功能。但是，这样的对应关系并不是绝对的，它只有参考意义，因为TCP/IP各层功能和OSI模型的对应层还是有一些区别的。应用层应用层TELNETFTP SMTPSMTPTIMEDNSSNMP TFTPUDP表示层会话层传输层传输层网络层互联网层IP

57、ICMP数据链路层网络接口层Ethern etToken ringtpppOther Media物理层硬件Hardware表3.1 TCP/IP协议体系与其与OSI模型的对应关系TCP/IP协议集主要包括下列协议：TCP：传送控制协议(Transmission Control Protocol)这是一种提供给用户进程的可靠的全双工字节流面向连接的协议。它要为用户进程提供虚电路服务，并为数据可靠传输建立检查。(注：大多数网络用户程序使用TCP)TCP协议可以使用IPv4或IPv6。UDP：用户数据报协议(User Datagram Protocol)这是提供给用户进程的无连接协议，用于传送数据而不执行正确性检查。不能保证每个UDP数据报可以到达目的地。协议可以使用IPv4或IPv6。IP：网间协议(Internet Protocol)分为IPv4(版本4)IPv6(版本6)。IPv4自80年代早期以来一直是TCP/IP协议族中的主要协议。它使用32位的地址。IPv4协议为TCP，UDP、ICMP、IGMP协议提供传送分组的服务。IPv6在90年代中期设计出来，用以替代IPv4，主要变化是使用128位的址以处理90年代Internet网络爆发性的增长。IPv6协议为TCP、UDP和ICMP6协议提供传送分组的服务。ICMP：I