远程数据通信及其应用要点课件

1、并行与串行通信计算机与外设或计算机之间的通信通常有两种方式：并行通信和串行通信。并行通信指数据的各位同时传送。并行方式传输数据速度快，但占用的通信线多，传输数据的可靠性随距离的增加而下降，只适用于近距离的数据传送。串行通信是指在单根数据线上将数据一位一位地依次传送。发送过程中，每发送完一个数据，再发送第二个，依此类推。接受数据时，每次从单根数据线上一位一位地依次接受，再把它们拼成一个完整的数据。在远距离数据通信中，一般采用串行通信方式，它具有占用通信线少、成本低等优点。常用并行总线单片机的三总线（8080总线、6800总线）ISA插槽是基于ISA总线（Industrial Standard A

2、rchitecture，工业标准结构总线）的扩展插槽，其工作频率为8MHz左右，为16位插槽，最大传输率16MB/secPCI (Peripheral Component Interconnect)传输带宽达到133MB/s(33MHz * 32bit/s)，或者266MB/s(66MHz * 32bit/s).PATA 硬盘并口接口规范串行替代并行早期微控制器系统由于主频不高，所以，在需要高速数据传输的时候，通常使用并行方式，在主频一定的情况下，通过位宽的扩展提高总的数据传输率。并行总线位宽的增加就以为着连接线的增加，在多个设备连接时PCB的设计将是巨大的挑战，所以很难扩展过多的设备。而且太

3、多的布线互相之间的干扰也制约着频率的提高。串行总线在全面替代并行总线串行替代并行PATA硬盘并口接口规范SATA串行高级技术附件 PCIPCIEUSB：英文Universal Serial BUS(通用串行总线)的缩写IEEE1394 PCI-Express是最新的总线和接口标准，主要优势就是数据传输速率高，目前最高的16X 2.0版本可达到10GB/s，而且还有相当大的发展潜力。 远程数据通信及其应用一、远程数据通信 远程数据通信分有线和无线两种。 有线方式主要有：RS232、RS485、RS422、电流环、CANBUS或其他数据总线、TCPIP网络通信，电力载波； 无线方式主要有：专用数传

4、电台、开放频段遥控模块和数传模块、公用GSM或CDMA网络。 异步串口目前 RS-232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。 RS-232 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。 RS-232 采取不平衡传输方式，即所谓单端通信。典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在 +5 +15V ，负电平在 -5 -15V 电平。当无数据传输时，线上为 TTL 电平，从开始传送数据到结束，线上电平从 TTL 电平到 RS-232 电平再返回 TTL 电平。接收器典型的工作电平在 +3 +12V 与 -3 -12V 。 RS-23

5、2 是为点 对点（即只用一对收、发设备 ）通信而设计的，其驱动器负载为 3 7k 。由于 RS-232 发送电平与接收电平的差仅为 2V 至 3 V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约 30 米，最高速率为 20kb/s 。异步串口RS-422 由 RS-232 发展而来。为改进 RS-232 通信距离短、速度低的缺点， RS-422 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到 10Mbit/s, 并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。 RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范。RS-422 的最大传输距离为 4000 英尺（约 1

6、200 米），最大传输速率为 10Mb/s 。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比 ，在 100kb/s 速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般 100 米长的双绞线上 所能获得的最大传输速率仅为 1Mb/s 。为扩展应用范围， EIA 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 收发器。RS-485 收发器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，因此具有抑制共模干扰的能

7、力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达 200mV 的电压，故数据传输可达千米以外。性能比较电流环通信 电流环是一种非正式的串行通信标准。它以电流流过通信环路表示数据信号的传递(逻辑1)，无电流为空号(逻辑0)，在接收端由光电耦合器件将电流还原为处理器可以读的电平信号。由于电流环方式是通过环路中电流的有无来表示逻辑值“1”和“0”，而不是用电平的高低表示逻辑值，加上在收发二端采用光电隔离技术，因此与电平方式相比，具有明显的优点：信号不易衰减、抗干扰能力强、传输速率高、传输距离最大可达几千米。A、CAN为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，不分主从。B、最

8、高传输速率可达1MBPS（此时通信距离40M）C、最远传输距离可达10KM（速率5KBPS）D、CAN节点最多可达110个。E、CAN上节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级最高的数据最多可在134uS内得到传输。F、CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点主动退出，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据。G、CAN上节点在错误严重情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响。H、CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤。I、CAN的缺点成本较高，一片CAN控制芯片如：SJA1000 约20元。现场总线现场总线的特点及优

9、点(1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性 网络通信利用电话线、同轴电缆、网线以及光纤等介质实现基于TCP/IP协议的网络通信TCP/IP协议目前覆盖最广、使用人数最多、接入设备最多、协议标准化最好、应用层开放网络通信必须使用协议栈，实现从物理层到应用层之前的协议TCP/IP 协议实现了五层协议。（1）物理层：对应 OSI 的物理层。（2）网络接口层：类似于 OSI的数据链路层。（3）Internet 层：OSI 模型在 Internet 网使用前提出，未考虑网间连接。（4）传

10、输层：对应 OSI 的传输层。（5）应用层：对应 OSI 的表示层和应用层。TCPIP协议栈uIP是专门为8位和16位控制器设计的一个非常小的TCP/IP栈。完全用C编写，因此可移植到各种不同的结构和操作系统上，一个编译过的栈可以在几KBROM或几百字节RAM中运行。uIP中还包括一个HTTP服务器作为服务内容。LwIP是瑞士计算机科学院开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP的含义是Light Weight(轻型)IP协议，相对于uip。LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下独立运行。LwIP TCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上

11、减少对RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。LwIP的特性如下：支持多网络接口下的IP转发，支持ICMP协议，包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议），包括阻塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP（传输控制协议），提供专门的内部回调接口（Raw API）用于提高应用程序性能，并提供了可选择的Berkeley接口API。TCPIP协议栈uC/IP是由Guy Lancaster编写的一套基于uC/OS且开放源码的TCP/IP协议栈，亦可移植到其它操作系统，是一套完全免费的、可供研究的TCP/IP协议栈，uC/

12、IP大部分源码是从公开源码BSD发布站点和KA9Q（一个基于DOS单任务环境运行的TCP/IP协议栈）移植过来。uC/IP具有如下一些特点：带身份验证和报头压缩支持的PPP协议，优化的单一请求/回复交互过程，支持IP/TCP/UDP协议，可实现的网络功能较为强大，并可裁减。 UCIP协议栈被设计为一个带最小化用户接口及可应用串行链路网络模块。根据采用CPU、编译器和系统所需实现协议的多少，协议栈需要的代码容量空间在30-60KB之间。BSD栈历史上是其他商业栈的起点，大多数专业TCP/IP栈（VxWorks内嵌的TCP/IP栈）是BSD栈派生的。这是因为BSD栈在BSD许可协议下提供了这些专业

13、栈的雏形，BSD许用证允许BSD栈以修改或未修改的形式结合这些专业栈的代码而无须向创建者付版税。同时， BSD也是许多TCP/IP协议中的创新（如广域网中饿拥塞控制和避免）的开始点。电力线载波通信PLC（Powerline Communications)是以电力网为通信信道，实现数据传递和信息交换。与其它通信方式相比，可大大节省通信网建设费用。扩频通信是信息时代的三大高技术通信手段之一，具有窄带通信所不具备的优良性能，如抗干扰性强，误码率低等优点，目前载波通信的缺点是跨越电力变压器比较困难。PLC通信频段为：3KHz-9KHz - 电力公司专用频段9KHz-95KHz - 电力公司和经电力公司

14、许可的用户使用的频段95KHz-148.5KHz - 其它用户使用的频段 载波通信的传输速率是自动抄表系统的一项重要技术指标，也是载波通信技术水平的一项重要标志。通信速率（波特率）和误码率是一对矛盾，波特率越高，误码率就越高，通信成功率就越低。因此波特率的设计至关重要，实用速率为几KB。电力猫专用数传电台利用无线数传电台进行通信是目前常用的无线通信方式。无线电台常采用频率:315MHz、433MHz、826MHz进行通信，通信速率一般为1.2K19.2Kbps，电台天线架在离地面约30米以上时通信可覆盖可传输20-50公里范围，否则需通信中继，这种通信方式受周围环境建筑的影响极大。数传电台又分

15、模拟电台和数字电台。系统造价较高，日常维护工作量较大。无线遥控可以分为两种类型：红外遥控和无线电遥控。红外遥控器（IR Remote Control）是利用波长为0.761.5m之间的近红外线来传送控制信号的遥控设备。无线遥控是无线电遥控（RF Remote Control），它是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机械或者电子设备，去完成各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机，之后再由这些机械进行需要的操作。无线电遥控常用的载波频率为315mHz或者433mHz，遥控器使用的是国家规定的开放频段，在这一频段内，发射功

16、率小于10mW、覆盖范围小于100m。无线电遥控器与红外遥控器的区别：红外遥控和无线遥控是对不同的载波来说的，红外遥控器是用红外线来传送控制信号的，它的特点是有方向性、不能有阻挡、距离一般不超过7米、不受电磁干扰，电视机遥控器就是红外遥控器；无线电遥控器是用无线电波来传送控制信号的，它的特点是无方向性、可以不“面对面”控制、距离远（可达数十米，甚至数公里）、容易受电磁干扰。无线数传模块 nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 m

17、A;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便 CC2500工作频率可达2.4GHz。在空旷传输距离大于50米。自带PCB天线，无需再配天线！低电流损耗，发射电流11mA到21mA软件可调，接收电流15mA.休眠电流小于20uA.带无线唤醒（WOR）功能,可以通过无线方式唤醒您的单片机！ CC1101是一款低于1GHz高性能射频收发器，设计旨在用于极低功耗RF应用。其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、链路质

18、量指示以及无线唤醒(WOR)的广泛硬件支持。CC1101在代码、封装和外引脚方面均与CC1100兼容，可用于全球最为常用的开放式低于1GHz频率的RF设计。 采用Silicon Labs EZRadioPRO系列ISM频段无线芯片SI4432,在240-960 MHZ频段下最大输出功率可以达到+20DBm。通信距离可达1000m 。ZigbeeZigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决

19、方案。GSM(CDMA)公用网络 GSM(Global System for Mobile Communication)系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。目前已建成的覆盖全国的GSM通信网，是公众移动通信网的主要方式。由于GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用。GSM无线通信是双向通信，而且性能稳定。现阶段利用GSM网络的最主要有两种数据通信方式：SMS和GPRS。 短消息业务(Short Message Service)是通过GSM网的控制信道

20、传输用户分组信息的一种增值服务，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每个短消息最大为140个字节。 通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)是一种基于分组交换传输数据的高效率无线传输平台。GPRS最显著的优点就是数据速率最高可达170kb/s，对于GSM网现有电路交换数据业务(CSD)和短消息业务(SMS)来说，GPRS是一种补充而不是替代。GPRS可以根据用户需要灵活地动态分配无线资源，从而实现多用户共享信道，提高频率利用率以及时时在线等，同时计费也将由传统的按时方式改为根据用户数据的传输量来计费（3分/KB）或包月。 GPRS目前还大量用于电力负

21、荷控制或远程抄表系统中。通信协议的设计(1) 在PC读数据时 遵循 读命令 等数据 报告 即PC下达一命令 等待接收数据 再据所接收数据的正误向应用程序报告此命令的执行情况 (2) 在PC写数据时 遵循 写命令 等回应 报告 即PC下达一写命令 此时所要写的数据含于此命令中 等待单片机发来的 已正确接收 的回应信号 并向应用程序报告此命令执行完毕 (3) 如果在转输过程中 其间PC或MCU所接收任何一帧信号出现错误时 均会向对方发送重发此帧信号的请求 如果连续三次转输失败 则退出通信 并向应用程序报告 信号帧分类(1) 读命令帧 当PC读数据时 PC向MCU发送的命令信号 (2) 写命令帧 当

22、PC写数据时 PC向MCU发送的命令信号内含所要写的数据 (3) 数据帧 当PC读数据时 MCU向PC发送的内含数据信息的信号 (4) 正回应帧 当PC写数据时 MCU向PC报告数据已正确接收的信号 (5) 重发命令帧 当PC读/写数据时MCU所接收的信号帧读/写命令帧 有误时 向PC发出的请求重发信号 (6) 放弃命令帧 当PC读/写数据时 出现了使程序无法正常执行时 PC或MCU向对方发出的退出通信的通知信号 信号帧格式帧头标志(1 Byte) 表示此数据包属于本串口通信协议 并为是否接收此包数据的标志 帧类型 1Byte 所用信号帧的识别标志 即1.2.1 信号帧分类 中的各类型信号的标

23、志字节 器件地址 1Byte PC所要访问的外部器件的地址 即是哪一个外部器件 起始地址 2Byte PC所要访问的器件的存贮器起始地址 长度 1Byte 一次命令所转输的数据长度 校验和 1Byte 此帧信号的校验字节 为异或校验 帧尾标志 1Byte 此帧信号的结束标志 其他指令帧00H 执行PC命令 发放弃帧回应 被动退出通讯 01H MCU方写入芯片发生错误 主动通知PC退出通讯 二、水质实时远程遥测1、项目设计要求现场水质变送器和控制室无线通信距离：20km；无光照时，后备电池持续工作时间：100h；温度检测范围：-5-+45 精度1%；PH值检测范围：0-14.0 PH 精度2%；

24、溶氧值检测范围：0-25.0 mg/l 精度2%；电导值检测范围：0-2000S/cm 精度2%；可由键盘任意设定水质参数上、下限值，越限报警；各网箱内水质参数实时连续显示；可任意设定水质参数采样周期及无线通信周期；水质参数时、日、周、月变化曲线和报表自动生成，并可由PC机显示和打印；2、系统结构A、通过PC机，完成系统控制参数的设定。B、向各个现场RTU发送开、关水质传感器控制命令，另一方面接收各个现场RTU上传的数据状态信息。C、接收现场RTU的各种报警信息，并提醒用户。D、水质参数时、日、周、月变化曲线和报表自动生成，并可由PC机显示和打印。3、监控中心任务A、通过人机交互设备，完成RT

25、U现场参数（RTU地址，水质参数采集间隔时间等）的设置，并且动态显示RTU现场的各种信息。B、完成RTU现场数据（温度、电导、溶氧、PH值等）的采集、分析、处理，并通过GPRS定时向监控中心上传数据。C、接收来自监控中心的操作命令，完成开关水质传感器控制，并且上传警告信息。4、现场RTU任务现场RTU结构图A、SIM100 是SIMCOM 公司生产 的GSM/GPRS双频模块，该模块主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口，应用领域如移动电话、PDA、无线抄表系统；B、发射功率：Class 4 (2W)/(EGSM), Class 1(1W)/(1800MHz)；C、正常工作电压范围为 +

26、3.3V +4.6V 直流，待机电流为 4 mA； D、工作温度：-35+75。4.1 GSM模块介绍SIM100模块接口4.2 MCU选择考虑到传感器数据采集和GSM模块数据需要两个UART口故选用ATMEL公司MEGA64单片机。 水质传感器的性能对整个系统的性能指标起到决定性的作用，因此需要根据不同的水体、测量的水体深度、工作环境的温度以及可测量参数的数量和精度等要求选择合适的水质传感器； 系统采用美国金泉(YSI)公司生产的YSI 600R型集成探头水质传感器，600R型是一个用于地表水和地下水水质测试的小巧配置，可同时测试8个参数。该集成探头可以直接输出模拟电压信号，也可以输出数字信

27、号，通过RS-232接口或SDI-12接口和主机通信，使用相当的方便。4.3 水质传感器600R型集成探头水质传感器主要技术参数：A、水温（-5+70 0.15）B、溶氧（050mg/l 2%）C、电导率（0100ms/cm 0.5%）D、酸碱度（014 0.2）E、氨氮值（0200mg/l 10%）F、透明度（01000NTU 2%）等。 水质传感器和单片机通讯的接口电路 水质传感器采用标准 RS-232 EIA电平（12V），而MCU为5VTTL电平，因此用泵电容完成电平转换。4.4 太阳能直流供电系统 考虑到现场检测站点处在近海、湖泊等野外水体中，架设有线电源不太方便并且成本较高，因此采

28、用太阳能供电系统是较合理的选择。 太阳能电板电压经过DC/DC转换电路，产生标准、稳定的RTU供电电源，同时给锂离子充电电池充电备用。 系统采用+4.2V和+12.0V混合供电。太阳能供电系统结构DC/DC 变换器及锂电池充电电路(主要为MCU)4.2/12V升压电路(主要为水质传感器提供12V电源)5、通信协议设计5.1 基于GPRS的无线通信协议作用 初始化GPRS 模块，使之附着在GPRS网上，获得网络运营商动态分配的IP地址，并与中央控制中心的终端或服务器建立连接；向GPRS终端发送用户制定的数据包或接收来自GPRS终端的数据包；当GPRS终端空闲的时候，现场RTU终端按照一定的时间间隔发送命令数据包以保持网路连通；(3分钟内必须发一次)按照用户制定的数据包格式，将现场RTU终端采集到的各参数打包处理以备传输。5.2 通信协议软件流程图 5.3 通信协议介绍1.数据帧格式： 2.数据帧各段代码介绍如下： 认证码A