基于avr单片机的通信系统设计

基于avr单片机的通信系统设计内容摘要：

系统硬件设计 对于一个通信系统来说，除了要有上层的通信协议与软件的支持外，还要有硬件 作为 信号的传输介质，完成有线通信任务，该系统采用已有的硬件模块完成单片机与 PC机之间系统任务，该系统的硬件部分主要包括 ATMEGA8 单片机、 MAX232 芯片、 DB9MALE接口、 ISP 接口。 用直流电压模拟该系统的输入信号，由于 ATMEGA8 单片机内部集成了ADC 转换器所以不用再外接模数转换器， ATMEGA8 读取 ADC 转换器的转换结果，然后根据数字信 号与模拟信号的关系求出实际的模拟电压值，再用 BCD 编码规则进行编码，将 辽宁科技大学信息技术学院 8 8 编码后的结果通过异步数据传输方式上传给上位机。 MAX232 芯片在整个系统中完成 TTL 电平与 PC机电平的转换工作，芯片外接有泵升电容和稳压电容，保证电平信号转换的可靠性。 DB9MALE 接口是负责信号传输的 9 针接口芯片，遵守 RS232 标准， DB9 接口有 MALE与 FEMALE之分，在单片机上主要采用 DB9MALE接口，而且在本系统只使用了第二管脚 (接收数据引脚 )与第三管脚 (发送数据管脚 )。 对于其它管脚主要是用于握手信号，由于该系统要求不高， 所以不需要使用。 ISP 接口： AVR 单片机支持 ISP 程序下载方式，根据接口管脚的定义，将 ATMEGA8单片机与 ISP接口相连，实现 ISP 下载。 ISP 接口管脚定义主要有： MISO、 VCC、 SCK、MOSI、 RESET、 GND，将 ATMEGA8 单片机上的对应管脚与之相连。 硬件设计上的总体思路是：单片机初始化所用到的外部芯片和内部芯片的功能，然后等待上位机命令，接收到开始采集的命令后，执行信号采集工作，采集工作完成后，将采集信号经过数据信号处理得到实际的模拟信号值，然后 BCD编码后上传给上位机，之后继续采集信号 ，一直到接收到停止采集命令。 系统软件设计 对于一个通信系统来说，为了达到精确控制的目的，通信的接收与发送双方在数据传输上保持协调，必须采用软件技术来保证，对于采用同步通信的双方来说，时钟信号必须保持一致，要求精度很高，对于异步操作来说，只要保证数据格式正确既可，在该系统中采用精度要求低的异步通信方式。 该系统软件主要有单片机内部的程序和上位机软件两部分组成。 单片机内部的程序用 C语言编写，面向底层，直接读写单片机内部的控制字和各芯片的控制字，首先初始化各芯片的内部控制字，然后在系统的运行过程中， 通过读取内部状态控制字的内容确定系统的运行状态和发出什么控制信号，最终实现单片机与各芯片、上位机的协调运行。 上位机采用 C++语言，使用了 MFC 的封装库，整个界面框架是由 VC++的辅助程序建立，在这个框架下，再由我们自己添加控件和代码，在功能上主要完成了数据的收发、数据的保存、传送数据的帧结构设置和串行端口的选择。 整个通信功能的实现都是调用了微软公司提供的 MSCOMM 控件来完成，该控件满足了该系统的所有功能实现要求。 上位机设计思路：打开通信串口端，向单片机发送采集命令，用消息响应机制接从收单片机上传到 PC 机的数据信号，在接收数据时，遵守上位机与单片机程序约定好的 辽宁科技大学信息技术学院 9 9 数据格式约定。 可行性分析 在两台设备的通信过程中，只要保证数据接收和发送双方线路的正常连接，按照规定的数据格式和传送方式传送数据，就可以正确的传输数据，所以只要按照我们上述的思路完成了硬件上和软件上的工作，该系统就可以正常的工作。 本次设计的系统属于数字通信系统，数据的收发双方是 PC 机和单片机，通信方式是异步串行通信，编码和解码的过程由上位机和单片机内部的程序来解决，而整个系统除了外界信号采集时采集模拟信号外，其它任何时候都是数字信号，而采 集的模拟信号经过 AD转换器也变成了数字信号，所以对于通信过程来说不涉及调制 /解调的过程，因此整个系统满足了一个数字通信所要求的基本组成部分，是一个可执行性设计方案。 能够达到我们的要求。 辽宁科技大学信息技术学院 10 10 第二章 系统使用的通信方式及协议介绍 通信方式 串行通信与并行通信 随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重要。 计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。 通信有并行通信和串行通信两种方式。 在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。 并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，如图 21所示。 在时间上各位是同时发送的只是传输线路不同而以，并行通信控制简单、传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时 ， 成本高且接收方的各位同时接收存在困难。 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，时间上不同步。 如图 21所示。 串行通信的主要特点是传输线少，长距离传送时，成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。 图 21 串行和并行通信方 式 图 22 异步通信方式 同步通信与异步通信 设备A 设备A 起始位 数据位 较验位 停止位 停止位 较验位 数据位 起始位 异步方式 设备A 设备B N 条数据线 应答信号 并行通信 设 备 A 设 备 B 一条数据线 应答信号 串行通信 辽宁科技大学信息技术学院 11 11 异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。 为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。 异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加 2～ 3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。 图 23 异步通信数据格式 同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟 的直接控制，使双方达到完全同步。 此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。 发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现。 图 24 同步通信方式 SYN SYN SOH STX ETB / ETX 块校验标题 数据块 图 25面向字符的同步格式 面向字符的同步格式 如图 25 所示，此时，传送的数据和控制信息都必须由规定的字符集（如 ASCII 码）中的字符所组成。 图中帧头为 1 个或 2个同步字符 SYN（ ASCII码为 16H）。 SOH 为序始字符（ ASCII 码为 01H），表示标题的开始，标题中包含源地址、目标地址和路由指示等信息。 STX 为文始字符（ ASCII 码为 02H），表示传送的数据块开始。 数据块是传送的正文内容，由多个字符组成。 数据块后面是组终字符 ETB（ ASCII码为 17H）或文终字符 ETX（ ASCII 码为 03H）。 然后是校验码。 典型的面向字符的同步停止位数 据 位校验位起始位L S B M S B空闲下 一 字 符起 始 位空闲一 个 字 符 帧异步数据格式 计算机乙计算机甲0 1 1 0 1数 据时 钟计算机乙计算机甲0 1 1 0 1数 据时 钟数 据 + 时 钟同步方式 辽宁科技大学信息技术学院 12 12 规程如 IBM 的二进制同步规程 BSC。 8 位 8 位 8 位 8 位16 位≥ 0 位01111110 01111110校验场信息场控制场地址场图 26 面向位的同步格式 面向位的同步格式如图 26所示， 此时，将数据块看作数据流，并用序列 01111110作为开始和结束标志。 为了避免在数据流中出现序列 01111110 时引起的混乱，发送方总是在其发送的数据流中每出现 5个连续的 1就插入一个附加的 0；接收方则每检测到5个连续的 1并且其后有一个 0时，就删除该 0。 典型的面向位的同步协议如 ISO 的高级数据链路控制规程 HDLC 和 IBM 的同步数据链路控制规程 SDLC。 同步通信的特点是以特定的位组合“ 01111110”作为帧的开始和结束标志，所传输的一帧数据可以是任意位。 所以传输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。 RS232 协议介绍 概述 RS232C 标准（协议）的全称是 EIARS232C 标准，其中 EIA（ Electronic Industry Association）代表美国电子工业协会， RS（ remeded standard）代表推荐标准， 232是标识号， C 代表 RS232 的最新一次修改（ 1969），在这之前，有 RS232B、 RS232A。 它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。 常用物理标准还有有 EIA RS422A、 EIA RS423A、 EIA RS485。 这里只介绍 EIA RS232C（简称 232， RS232）。 例如，目前在 IBM PC 机上的 COM COM2 接口，就是 RS232C 接口。 电气特性 EIARS232C 对电器特性、 逻辑电平 和各种信号线功能都作了规定。 在 TxD 和 RxD上：逻辑 1(MARK)=3V～ 15V，逻辑 0(SPACE)=+3～ +15V，在 RTS、 CTS、 DSR、 DTR 和 DCD等控制线上：信号有效（接通， ON 状态，正电压）＝ +3V～ +15V，信号无效（断开， OFF状态，负电压 )=3V～ 15V。 以上规定说明了 RS323C 标准对逻辑电平的定义。 对于数据（信息码）：逻辑“ 1”（传号）的电平低于 3V，逻辑“ 0”（空号）的电平高于 +3V；对于控制信号；接通状态（ ON）即信号有效的电平高于 +3V，断开状态 (OFF)即信号无效的电平低于 3V，也就是当传输电平的绝对值大于 3V 时，电路可以有效地检查出来，介于 3～ +3V 之间的电压无 辽宁科技大学信息技术学院 13 13 意义，低于 15V 或高于 +15V 的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在177。 (3～ 15)V 之间。 EIA RS232C 与 TTL 转换： EIA RS232C 是用正负电压来表示逻辑状态，与 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。 因此，为了能够同计算机接口或终端的 TTL 器件连接，必须在 EIA RS232C 与 TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。 实现这种变换的方法可用分立元 件，也可用集成电路芯片。 目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC148 SN75150 芯片可完成 TTL 电平到 EIA 电平的转换，而 MC148 SN75154 可实现EIA电平到 TTL 电平的转换。 MAX232 芯片可完成 TTL←→ EIA 双向电平转换。 RS232C 的接口信号 RS232C 的功能特性定义了 25芯标准连接器中的 20根信号线，其中 2条地线、 4条数据线、 11条控制线、 3条定时信号线，剩下的 5根线作备用或未定义。 常用的只有 10根，它们是： ⑴、联络控制信号线 数据发送准备好（ Data set readyDSR)—— 有效时（ ON）状态，表明 MODEM 处于可以使用的状态。 数据终端准备好 (Data terminal readyDTR)—— 有效时（ ON）状态，表明数据终端可以使用。 这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。 这两个设备状态信号有效，只表示设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行通信了，能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。 请求发送 (Request to sendRTS)—— 用来表示 DTE 请求 DCE 发送数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效（ ON 状态），向 MODEM 请求发送。 它用来控制 MODEM 是否要进入发送状态。 允许发送（ Clear to sendCTS） —— 用来表示 DCE 准备好接收 DTE 发来的数据，是对请求发送信号 RTS的响应信号。 当 MODEM 已准备好接收终端传来的数据，并。