物联网毕业论文

基于单片机的嵌入式以太网控制终端设计摘要：基于单片机技术的以太网终端广泛应用在各个领域，本文基于建荣AX2005+PHY的解决方案，实现ARP请求，以及ping命令。同时，本文详细介绍以太网接口的硬件设计和通信电路的抗干扰设计。覆盖单片机技术，通信技术，计算机网络技术等多个知识领域。关键词：以太网协议；信道编码；TCP/IP协议；单片机；一，概述：随着单片机技术和嵌入式技术的广泛应用，以及通信技术的发展和计算机网络的普及，人们提出了对基于嵌入式系统的网络通信技术的应用需求。嵌入式网络通信系统将过去单一独立的嵌入式系统组成一个网络系统，使得嵌入式系统不再是一个独立的个体，而是一个整体信息化网络的一个部分。该技术广泛应用在智能设备，信息化家电，智能管理设备，安防监控设备等领域。嵌入式网络系统具有以下特点：1，基于单片机系统。2，系统之间存在数据通讯。在嵌入式网络系统的实现方案中，有基于RS232/RS485总线协议，CAN总线协议，以太网协议，USB总线协议等多种方式。其中基于以太网协议的实现方案中，具有成本低，安装方便，通讯距离远，兼容性好和平台移植方便等多种优势。该技术广泛应用在以下领域。1，实验室管理监控系统某生化实验室需要建立一个实时监控系统，检测实验室人员出入，实验结果数据，实验室温度湿度。该实验室的仪器设备都有RS232接口输出打印，可以输出到单片机。门禁和各种传感器也接入单片机系统。这时候单片机可以通过以太网把数据提交到实验室的服务器上，服务器通过处理提交的数据，将控制命令通过以太网发给单片机，单片机再进行相应的操作。2，智能家居系统现代家居系统中，由于需要宽带接入，基本上所有住户都有局域网接入。在住户内部搭建局域网也很方便。鉴于以上情况，利用以太网实现智能家居网络能够实现。住房内的家电和各种设施，可以接入内部以太网实现相互通信，或者与上位机实现通信。上位机可以被用户远程控制，对居室的家电和设施进行控制，达到对居室的温度，光亮的调节，同时可以利用下位机（单片机）将室内监控系统的状况传到上位机，上位机通过分析可以向主人或者相关部门报告火警或者匪警。3，信息化家电传统家电是一个独立存在的系统，电器与电器之间没有丝毫联系。在信息化家电系统中，所有信息化家电组成一个局域网络系统，家电属于该系统中一个部分。信息化家电系统中，比如电饭锅，可以通过网络远程控制。假如用户需要下班回家就能吃上饭，可以在下班前通过远程控制协议给电饭锅发出指令，保证下班回家时饭刚好煮好。二，实现方案理论设计1，网络协议简介四层以太网协议网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族，比如TCP/IP，是一组不同层次上的多个协议的组合。TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统，如图可以看出这个四层协议的构架。每一层负责不同的功能：应用层(Telnet、FTP和e-mail等)运输层(TCP和UDP)网络层(IP、ICMP和IGMP)链路层(设备驱动程序及接口卡)图1-1TCP/IP协议族的四个层次EngineeringSpecificationforAX2005v1.0.0Nov2007_____________________________________________________________________________________________©2007AppoTechLimited.AllrightsreservedDS2005v1002链路层：有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。网络层：有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在TCP/I协议族中，网络层协议包括I协议（网际协议），ICMP协议（Interne互联网控制报文协议），以及IGM协议（Internet组管理协议）。运输层：主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面，UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。这两种运输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途，这一点将在后面看到。应用层：负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的TCP/IP实现都会提供下面这些通用的应用程序：•Telnet远程登录。•FTP文件传输协议。•SMTP简单邮件传送协议。•SNMP简单网络管理协议。假设我们以FTP服务的工作为例，4层协议的工作原理如图图1-2OSI七层协议物理层：OSI模型的最低层或第一层，该层包括物理连网媒介，如电缆连线连接器。物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。在你的桌面PC上插入网络接口卡，你就建立了计算机连网的基础。换言之，你提供了一个物理层。尽管物理层不提供纠错服务，但它能够设定数据传输速率并监测数据出错率。网络物理问题，如电线断开，将影响物理层。数据链路层：OSI模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。它的主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。为了保证传输，从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始数据，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。数据链路层的功能独立于网络和它的节点和所采用EngineeringSpecificationforAX2005v1.0.0Nov2007_____________________________________________________________________________________________©2007AppoTechLimited.AllrightsreservedDS2005v1003的物理层类型，它也不关心是否正在运行Word、Excel或使用Internet。有一些连接设备，如交换机，由于它们要对帧解码并使用帧信息将数据发送到正确的接收方，所以它们是工作在数据链路层的。网络层：OSI模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点Ａ到另一个网络中节点Ｂ的最佳路径。由于网络层处理路由，而路由器因为即连接网络各段，并智能指导数据传送，属于网络层。在网络中，“路由”是基于编址方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。传输层：OSI模型中最重要的一层。传输协议同时进行流量控制或是基于接收方可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。除此之外，传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割。例如，以太网无法接收大于1500字节的数据包。发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片，同时对每一数据片安排一序列号，以便数据到达接收方节点的传输层时，能以正确的顺序重组。该过程即被称为排序。工作在传输层的一种服务是TCP/IP协议套中的TCP（传输控制协议），另一项传输层服务是IPX/SPX协议集的SPX（序列包交换）。会话层：负责在网络中的两节点之间建立和维持通信。会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。你可能常常听到有人把会话层称作网络通信的“交通警察”。当通过拨号向你的ISP（因特网服务提供商）请求连接到因特网时，ISP服务器上的会话层向你与你的PC客户机上的会话层进行协商连接。若你的电话线偶然从墙上插孔脱落时，你终端机上的会话层将检测到连接中断并重新发起连接。会话层通过决定节点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限表示层：应用程序和网络之间的翻译官，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理。例如：在Internet上查询你银行账户，使用的即是一种安全连接。你的账户数据在发送前被加密，在网络的另一端，表示层将对接收到的数据解密。除此之外，表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。应用层：负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特别应用程序，应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理。两种协议对应关系我们可以看到，以太网网协议属于OSI协议中的部分，其中OSI协议最重要的就是多了物理层，它是以太网设备通信的信道部分。链路层负责提供通信的时须，而以太网信号在信道中的传递全靠物理层。2，常用实现方案选型嵌入式以太网终端实现方案有多种，但其共同点都是单片机+网络芯片。主要是两种方案：单片机+MAC和单片机+PHY。MAC是MediaAccessControl的缩写，即媒体访问控制子层协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC层。以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。PHY是位于OSI七层协议中的物理层，PHY在发送数据的时候，收到MAC过来的数据（对PHY来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC），每4bit就增加1bit的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。EngineeringSpecificationforAX2005v1.0.0Nov2007_____________________________________________________________________________________________©2007AppoTechLimited.AllrightsreservedDS2005v1004单片机+MAC典型方案为单片机+RTL8019的方案。RTL8019AS是高度集成以太网控制器，它能够简单的解答即插即用NE2000兼容适配器，这种适配器具有二重和功率下降特性。通过三电平控制特性，RTL8019AS是已制的对网络设备GREENPC理想的选择。全二重功能能够模拟传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个特性不仅强带宽从10到20MBPS，而且避免了由于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取协议的问题。微软公司的即插即用功能能减轻用户较差的营业收入而注意适配器资源，如IRQ,输入输出，和存储器地址等等。然而，为了特殊的应用而得不到即插即用功能的兼容性，RTL8019AS支持JUMPER和JUMPERLESS选项。为了提供完全解决即插即用方案，RTL8019AS在集成10BASET收发器，BNC,和AUI接口之间的自动检测功能。此外，8条IRQ总线和16条基本地址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。RTL8019AS支持16k，32k，和64k字节BROM和闪存接口。它仍然提供页面模式功能，这种功能能支持在仅16k字节内存系统空间下的4M字节的BROM.此外，BROM的无用命令被用来释放BROM内存空间。RTL8019AS用16k字节SRAM设计在单片芯片上，它