【《基于Arduino的互联网信号传输系统的整体设计案例》3100字】

基于Arduino的互联网信号传输系统的整体设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u10622基于Arduino的互联网信号传输系统的整体设计案例 1148891.1系统设计的总体要求 18671.3SPI协议 1177181.4以太网协议 41.1系统设计的总体要求本设计是基于Arduino的互联网信号传输系统，通过电位器来产生模拟信号，然后利用ADC模块使输入的模拟信号变成数字信号，将产生的数字信号通过Arduino设备以及以太网扩控制器后，利用百兆网交换机搭建的模拟互联网传输到另一个Arduino开发板，用PWM脉宽调制将接收的数字信号变成一系列幅值相等的脉冲[4]，从而使接收端的蜂鸣器产生声音。本设计致力于实现无源蜂鸣器根据输入端模拟值的大小来改变声音的强弱程度。W5100与ArduinoUNO之间是用SPI协议来实现通信的，以太网是采用UDP协议来实现的。1.2系统流程图图SEQ图\*ARABIC2系统流程图1.3SPI协议SPI也即是串行外围设备接口[5]，是一种全双工、高速的、同步通信协议。其通信简单而且传输数据快，也是由于它非常容易使用的原因，现在很多单片机开发板中都有这样的通信规则。SPI的数据交换过程也十分的简单，它有主从的方式，即一个主机能与多个从机进行数据交换。在W5100以太网扩展板中，引脚SPI_EN的作用是对SPI进行操作。微控制单元与W5100通过SPI通信协议的连接如图3所示。图SEQ图\*ARABIC3MCU与W5100的连接W5100被一系列的指令所控制，这些指令由主机控制端发送，通常被称为SPI主机，SPI通信是由SPI总线实现的，SPI总线有四根，分别是SCLK,CS,SDI,SDO，其中CS是低电平有效。SPI协议有四种工作方式，分别是方式0、方式1、方式2和方式3，如果SCLK相位和极性不一样的话，那么每种模式作用也不同，也即可以确定极性是怎么样控制SPI总线的数据流，如图4所示是其工作方式。图SEQ图\*ARABIC4SPI四种工作方式W5100操作当作为一种从机设备时，兼容方式0和方式3这两种操作方式。在SPI通信协议中，方式0与方式3之间的不同点是SCLK在不活跃状态时的极性，在方式0和方式3的情况下，当SCLK处在上升沿时，数据才能被锁存，在下降沿时才能被输出。如图5所示是其数据传输过程。图SEQ图\*ARABIC5数据传输过程SPI指令是通过SPI协议，用SPI协议进行通信，设备间仅仅有两根线被使用，因此这需要对它进行操作码的定义，而W5100只有写操作码和读操作码，除此之外，W5100将会被忽视或者不做任何操作将会被开始。SPI中32位是由1字节操作码、2字节地址段和1字节数据段组成。W5100中SPI的数据格式如图6所示。图SEQ图\*ARABIC6SPI数据格式SPI很适用于距离比较近、速度低的芯片之间，并且有很好的扩展性，比较适合数据流应用。SPI可以和外部的MCU（微控制单元）连接。主机设备和从机设备利用SPI协议对数据进行传输的原理图如图7所示。图SEQ图\*ARABIC7数据传输原理图1.4以太网协议目前，使用规模最大、应用领域最广泛的一种局域网就是以太网技术，因为以太网技术简单、可延展性强、费用低、能够实现与IP网络相结合等优点，所以对其的研究和应用正在进一步扩大，已经从企业内部网络向公共网络转变。以太网可以很好地和其它的设备结合，也可以在五类、六类等通信电缆上进行信息交换。把综合布线系统与以太网技术连接起来的方式就是以太网接入网络的原理，现在以太网偏向于公用的网络，能够为用户提供各种各样的网络数据传送的通道。在无线的通信环境下，发展成无线局域网技术。如图8所示是以太网发送数据框图，图9是以太网接收数据框图。图SEQ图\*ARABIC8发送数据图SEQ图\*ARABIC9接收数据TCP/IP协议是现在使用范围最大的以太网通信协议，它比ISO模型采用了更加开放性的形式，并且在工程和生活中被普遍的使用。然而TCP/IP协议并不像OSI那样采用了七层参考模型，在OSI中，每一层参考模型都会实现一种特定的功能，此协议是让不同的硬件能够在同一个层次上完成数据交换。而TCP/IP协议只采用了四层参考模型，传输效率非常高，每层都利用下一层的帮助和协作来完成这一层的功能。TCP/IP协议在各种底层协议和信道中都适用是其为什么被普遍利用的原因，更加确切的说，TCP/IP协议中有很多内容，包括UDP协议、TCP协议、IP协议、ICMP协议和其它的一些协议组成的协议簇等[6]。下面就来重点介绍一下TCP协议与UDP协议，以及它们的区别，如表2所示。TCP是面向对象的协议，当主机和从机进行数据交换时，双方必须建立牢靠的连接，主从设备通过TCP协议建立一次连接需要对方互相通话三次，即首先主机给从机发送数据，接着从机会给主机发送一个确认包，然后主机再给从机发送消息，通知从机接下来要发送数据了，这时三次通话才完成，之后就是真正的发送有用的信息了，如图10所示。TCP具有排除重复数据、超过一定的时间数据重新发送等功能，使数据能够完整地、有顺序的从主机（从机）传送到从机（主机），但是实现这种功能对机器资源设备要求非常高，所以不适合实时通信。图SEQ图\*ARABIC10TCP三次握手UDP是基于无连接的数据传输协议[7]，它是在OSI系统的传输层工作的。它不能对数据分组和打包之后再排序传输，也不像TCP协议那样有重传机制功能，所以对机器资源设备要求低，而且结构比较简单，传输数据快，对实时系统要求不高，但是数据会在交换的过程中丢失或乱序，保证不了数据的完整性。UDP协议支持许多计算机上的网络应用协议，比如网络视频会议系统等，虽然近几年出现了很多和UDP相似的协议，但是它仍然是用的最广泛的网络协议之一，在我们的日常生活中就有很多，例如我们社交用的QQ就是使用UDP协议来传输信息的，由于UDP协议对可靠性的要求相对低，所以有的时候我们在QQ上会收不到信息，但是不影响我们正常的交流，而且速度是非常快的。UDP的作用是让主机能够区分多个地址，很多应用可以在这个主机上同时运行和发送数据包。UDP协议有校验值，首先发送端通过计算得出一个校验值，通过UDP协议发送数据后，在接收端再通过计算得出另一个校验值，最后这两个校验值通过对比，看看是否相等，若相等，则证明数据发送没有出错，反之，则发送出错。虽然UDP协议具有检错能力，但是其不具有纠错的能力，发生错误之后就会把这段错误的信息丢掉，所以这就是为什么UDP可靠性低的原因。但是通常情况下，UDP协议是很少发生错误的，只有在网络拥挤的时候才可能出现数据丢失或乱序的现象。如图11所示是UDP数据传输过程。图SEQ图\*ARABIC11UDP传输协议发送数据过程通过以上对比，很明显，当数据交换要求可靠性、准确性时，TCP是最佳的选择。但当系统数据传输要求速度快，而不要求可靠性、顺序性时，那么UDP是最佳的选择，比如音频、视频等都是使用的UDP协议。在选用网络协议的时候，我们一定要注意系统实现的功能和目的是什么，这样才能正确做出选择。表SEQ表\*ARABIC2TCP与UDP的区别由于本设计是把电位器产生的模拟值变成数字信号后，通过局域网传输到从机，不需要保证数据的顺序性，而是要求速度快，所以本设计采用的是UDP网络通信协议，对系统要求比较低，降低了难度，节约了成本。在本次设计中，数据传送的原理是交换机经过交换数据来完成的。数据传输通俗的理解就是数据从一端传输到另一端，并且遵循某种通信协议，使发送端和接收端可以更好的协作。说到这里，我们自然就想到了OSI模型的七层网络协议，分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层[8]，而且规定了每一层的功能及相应的接口。它们之间的关系及遵循的准则如图12所示。数据传输可以一对一，也可以一对多或者多对多，若想要实现多对多，就需要用到路由器或交换机，在局域网中是使用交换机，在广域网中利用路由器来实现。在数据传输时，交换机在其内部会构成一张MAC地址表格，这样就可以记录下来每个端口的地址，方便下次使用和查找[9]，交换机只把帧数据传到相应的端口，集线器则是把数据发到所有的端口上，相比而言，交换机更加节约时间，大大的提高了数据交换速度。图SEQ图\*ARABIC12七层协议说到集线器，这里就简单介绍一下，