1、本科毕业设计（20届）基于ETHERNET寻址方式的多路激光器系统远程控制技术的研究所在学院专业班级电子信息科学与技术学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要【摘要】传统电信网的垄断地位在上世纪90年代初由互联网的普及而打破。互联网的迅速崛起使客户的消费方式、信息的交流方式、公司的组织与工作方式以及电信运营商的运作模式都发生了非常大的变化。目前,以太网是使用最广泛的局域网控制技术,通过以太网可以非常方便地组建局域网以及接上INTERNET。本论文详细介绍了基于ETHERNET寻址方式的多路激光器系统的远程控制技术的研究，通过ETHERNET通信方式对远程的传感器进行控制和通信。文章将从系统的
2、方案论述、硬件设计、软件设计等进行详细的阐述。此系统所用控制芯片为PIC单片机，它的性能稳定，和网络控制器的通信十分方便。并且网络控制芯片为一款高性能且内部集成硬件协议栈的网络控制芯片W5100，它具有控制方便，外围电路简单等特点。【关键词】ETHERNET；W5100网络控制器；PIC单片机；多路激光器IIABSTRACT【ABSTRACT】THEMONOPOLYOFTRADITIONALTELECOMMUNICATIONNETWORKSINTHEEARLY1990SBYTHESPREADOFTHEINTERNETANDBROKENTHERAPIDRISEOFTHEINTERNETMAKES
3、HUGECHANGESWITHCUSTOMERSCONSUMPTIONPATTERNS,INFORMATIONCOMMUNICATION,THEORGANIZATIONANDWORKINGWAYANDTELECOMOPERATORSOPERATIONMODEATPRESENT,ETHERNETISTHEMOSTWIDELYUSEDLANCONTROLTECHNOLOGY,THROUGHTHEETHERNETCANVERYEASILYCONNECTEDTOTHEINTERNETANDESTABLISHEDLANTHEREFORE,MULTICHANNELLASERSYSTEMREMOTECONT
4、ROLTECHNOLOGYBASEDONETHERNETADDRESSINGBYETHERNETCOMMUNICATIONCONTROLANDCOMMUNICATEWITHREMOTESENSORTHISARTICLEDISCUSSESTHESCHEMEFROMSYSTEM,HARDWAREDESIGN,SOFTWAREDESIGNOFDETAILTHISSYSTEMUSESCONTROLCHIPFORPICMICROCONTROLLERANDNETWORKCONTROLCHIPASASUPERHIGHPERFORMANCEANDTHEINSIDEINTEGRATEDHARDWAREPROTO
5、COLSTACKNETWORKCONTROLCHIPW5100,ITHASCONVENIENTCONTROL,PERIPHERALCIRCUITISSIMPLE,ETC【KEYWORD】ETHERNETW5100NETWORKCONTROLLERPICSINGLECHIPMULTICHANNELLASERIII目录1绪论111论文背景及研究意义112课题的应用场合及目的113同类产品市场应用现状与前景214主要设计内容及特点2141系统功能2142设计的难点2143设计任务315论文结构安排316本章小结42课题要求及系统实现方案521课题要求与任务522通信数据的传输格式定义523系统方案选
6、择53器件选择及概述831以太网控制芯片选择832单片机控制芯片选择833W5100简介9SW5100网络模块简介1034PIC16F726简介1335SPI接口介绍154系统硬件设计1841硬件实现方案1842上位机18421电源模块18422MCU模块18423网络模块19424RS485模块2043上位机总体原理图2044下位机2045硬件电路设计总结205系统软件设计2251上位机控制程序2252下位机控制程序246设计成果及分析2861本设计的完成情况287总结及展望31IV71设计工作总结3172进一步的研究方向31致谢错误未定义书签。参考文献32附录3311绪论11论文背景及研究
7、意义随着人们生活的不断改善，通信系统也发生着巨大的变化。在上世纪90年代初，传统电信网的垄断地位由互联网的普及而打破，互联网的迅速发展和崛起使用户的消费方式、信息的沟通形式、公司的组织工作方式以及电信运营商的运作模式都发生了翻天覆地的变化。目前,以太网是使用最广泛的局域网技术,通过以太网可以非常方便地组建局域网以及连上INTERNET。从而可实现上位机通过以太网对下位机器件进行的远程控制和通信。本系统的下位机主要是通过激光器来与传感器进行通信，也就是激光线览通信。采用激光线览通信不但可以提高通信的速率，而且还可大大提高通信的可靠性。随着光纤激光器应用能力的不断发展，它开始渗透到常规激光技术曾经
8、牢固占据的市场领域。如今，不管是在低功率打标应用中，还是在高功率机械与材料加工的应用中，光纤激光器都能以应用简便、精度高、稳定性好以及灵活性高等诸多特点，让用户从中受益，这也使光纤激光器的市场份额得到了快速增长。512课题的应用场合及目的由于当前通迅方式的发展和必要性，本课题的应用场合也相当广泛。基于ETHERNET的多路激光器的通迅系统主要应用在远程监控和通迅系统上，比如通过此系统我们可以在实验室里就能实现对一座大桥的远距离监测，通过安装在大桥上的一些传感器把测得的数据通过激光线览和ETHERNET传输的形式传到实验室，从而使我们工作人员能够更方便和更快速的了解到大桥的实际情况，受外部环境的
9、影响有多大等等，从而使大桥的维护人员能更加及时地去维护大桥，这样就能够使大桥使用期限更长，事故发生率更低。还有单频激光器的应用范围也很广泛，它是物联网传感器的网络的关键器件，也可应用于天然气，石油的检测和勘探，陆地、水下声波监测和管理，油井储量的检测，原油、油气传输管线监护与管理，国土安全监测，激光雷达的应用，科学研究精密测量，相干光通信，微波频率合成，它的主要产品有多种精密测量和通信用的激光器，工业加工和激光医疗用的激光器，激光投影用的小型化固体激光器，光纤放大器以及光纤传感器等。可调谐单频激光器具有保偏光纤输出，窄线宽，低幅度噪声，高稳定性，低幅度噪声，低频率噪声，震动不敏感，波长调谐范围
10、宽，可多路集成，功耗低，体积小等特点。12213同类产品市场应用现状与前景近20年来工业测控系统发展的趋势分为以下几个方面分散控制和集中管理、标准化和开放性。工业测控系统从传统集中的测量控制系统转向网络化集散的控制模式。随着网络控制技术的高速发展和标准化程度不断提高,以网络通信技术为基础的开放型集散测控系统以太网测控系统得到了广泛的应用。同时,以太网RS485的应用也迅速向工业测控系统发展,在工业自动化监控系统应用中异军突起。早在20世纪90年代初，随着俄罗斯其大功率半导体激光器件的研制成功，他们开始了激光大气通信系统技术的实用化研究。随后不久他们便陆续推出了10KM以内的半导体激光大气通信系
11、统并在瓦洛涅什、图拉、莫斯科等城市得以应用。在距瓦洛涅什城瓦涅什河两岸相距4KM的两个能源站（电力站）之间，有一个半导体激光大气通信系统在五年前被架设了，它可同时传输8路数字电话。五年来，尤其是近三年以来，该系统运行可靠稳定。在距离瓦洛涅什城约200千米以及在距莫斯科不远的地方，从此，半导体激光大气通信系统线路也被开通了。5这种发展趋势的出现与计算机技术、信息技术以及网络通信技术的高速发展有关。现代工业系统信息交换的需求也已从管理层的内部迅速覆盖到控制、现场设备等各个层次,其中有被工厂自动化系统中认为是关键通信设备之一连接上层网络和现场总线。以太网RS485通信模块,是一种直接连接以太网和RS
12、485总线的设备,它非常有效的解决了控制系统中现场总线和上层信息管理层的互联问题,使自动化系统中的信息交换可以更加深入的到现场设备一级，从而可以实现远距离的实时通信和控制。14主要设计内容及特点141系统功能本系统的主要有以下几个功能（1）、上位机能通过ETHERNET网线和下位机互传数据。（2）、系统具有组网功能。能够扩展多路的ETHERNET传输系统。（3）、上位机能够通过ETHERNET去控制下位机中的各个元件。142设计的难点本系统主要有以下几个设计难点（1）、通信方案的选择和应用。3（2）、ETHERNET和PIC单片机之间的通信控制。（3）、如何提高通信距离。143设计任务该系统主
13、要的设计任务有硬件电路的设计和软件的编写。1、硬件电路设计该硬件电路设计主要是网络控制模块和PIC单片机之间的通信设计，因为这个涉及到电路的稳定性和美观性问题，所以必须要很好的处理。网络控制模块的设计很关键，因为我选用的网络控制芯片为W5100，它共有80多个引脚，而且引脚排列都很密，所以在画PCB时要格外小心，一不当心就会使两个引脚短路。2、软件程序的编写在单片机和网络控制器中是用SPI方式进行通信的，所以必须先去了解下SPI的通信方式和通信原理等。上位机的数据发送和接收处理程序，也很重要。最关键的程序设计难点便是单片机如何控制W5100的正常工作，使它能和电脑通过ETHERNET正常通信。
14、还有就是下位机的控制程序，下位机要和上位机通信采用的是RS485通信方式。这种方式使整个系统的稳定性和通信距离都有了一个很大的提高，而且采用485通信方式可使系统的扩展更加方便，RS485通信最多能扩展128路下位机电路，所以对于本系统来说已足够使用。15论文结构安排第二章概述了课题要求，并对本系统的实现的实现方案进行了一个对比和选择，最终确定本系统的实现方案，并对其进行详细阐述。第三章先对本系统所选用的器件进行一个比较，然后对本系统所用器件进行概述。第四章详细说明本系统的硬件设计方案，先对系统的各模块硬件进行介绍，然后对系统总体硬件说明及详细阐述。第五章主要对系统的软件设计进行说明，主要是程
15、序流程图和各模块程序介绍。第六章总结了我所做的工作，以及在设计过程中遇到的技术难题，并对下一步的研究方向发表了意见。416本章小结通过向老师求教，并且自己阅读了大量文献资料的情况下，我的设计工作也马上开始了，并且迅速地明白了设计思路。本章首先介绍了网络通信的背景和激光线缆通信的重要性以及它们的研究意义。接下来举例说明了本系统的应用场合和适用范围，以及本系统的应用目的，还有激光器产品的应用范围和应用优势等。然后列举了国内外的应用实例和他们的技术发展水平。下面又介绍了我的设计任务和工作情况，分别说明了系统功能、设计难点以及设计的任务内容。最后明确自己需要研究和解决的内容，并确定大致工作任务，为之后
16、的实践动手操作方向奠定了坚实的基础。52课题要求及系统实现方案21课题要求与任务建立一种高效的微机与多路激光器交互式的实时通讯方式，完成对多路激光器的远程智能控制。熟悉PIC单片机的原理与控制，设计一种基于ETHERNET寻址的微机与多路单片机的交互式通信方式，完成相关软件的编写和硬件的设计与调试，并实现对多路激光器的远程控制。具体控制方式如下首先由PC机发送下位机地址命令，以选中具体的下位机模块，此时下位机模块会返回一个信号到PC机软件，进行显示，表示该路已受控。然后PC机软件再发送控制命令信号，要求下位机实现具体操作或功能。当然下位机也可发送数据到PC机上显示，该系统是采用半双工通信方式的
17、，故下位机也能向上位机传输数据。22通信数据的传输格式定义该系统的通信数据格式如图20所示图20系统通信数据格式通信数据为命令数据的格式，该格式是最简单的通信数据格式，该数据格式和51单片机的汇编指令格式是一样的，故具有很强的通用性。采用这种通信数据格式可以有效减少数据在传送过程中的误码率，因为数据很简单，所以误码率也会相应减少。然后这种格式可以以后的扩展也变的很方便，如果下位机增多了，只要稍微增加几个地址码就行了，很方便。23系统方案选择本系统需通过ETHERNET通信方式对远程激光器进行实行控制，即通过上位机软件对下位机进行远程控制，中间的通信介质为ETHERNET网络连接线。故在设计本系
18、统之前，我们拟定以下两种方式实现该系统的设计。命令数据6方案1、ETHERNET连接方式即每个激光控制器中嵌入一个ETHERNET通信模块，然后PC机网线接出来后接入到路由器，再由路由器分流到各个ETHERNET模块，从而实现激光器的远程控制。此方案有以下劣势（1）、成本太高，每个以太网模块都需5060元，这样不利于大批量生产。（2）、传输距离受限。其原理框图如图21所示方案2、ETHERNET转RS485方式该方案首先是PC机通过ETHERNET把数据传至上位机，再由上位机控制器即PIC单片机对PC机所传数据进行处理，并把这些数据通过RS485方式传至下位机模块，下位机根据不同的数据信号和地
19、址信号对各路激光器进行实时控制。此方案能节省硬件成本，而且又增加了RS485的传输距离，使通信距离大大增强。其原理框图如图22所示通过以上分析，我们决定采用方案2，即可以节省成本，又增加了传输距离，而且对以后的扩展也很方便。PC机网线路由器网络模块1网络模块2网络模块3LASER1LASER2LASER3图21ETHERNET连接控制方式7PC机MAX232ISO3082485主控单片机（上位机）1单片机（下位机）ISO30824852单片机（下位机）ISO3082485ISO3082485N单片机（下位机）RS485总线1激光器（LASER）2激光器（LASER）N激光器（LASER）ETH
20、ERNET网络通信模块DDDDTXDRXD图22ETHERNETRS485连接控制方式83器件选择及概述31以太网控制芯片选择伴随着以太网在不同领域的广泛应用和发展,各种以太网控制芯片层出不穷。其中有目前全球封装最小的以太网控制芯片ENC28J60，由于它是采用SPI串行接口方式，简化了设计，使应用更加方便和广泛。还有CS8900A也是其中性能非常优良的一款。它主要为嵌入式应用系统、便携式产品与某些适配卡等提供一种切实可行的以太网解决方案。大量实践证明,该芯片可靠易用,是实现以太网的良好选择。但是CS8900A芯片因为占用MCU的口线较多，在实际应用时会受到一定的限制。在后来的研究中，我又发现
21、了一款新的以太网控制芯片，它是一款高性能且内部集成硬件协议栈的网络控制芯片W5100，具有控制方便，外围电路简单等特点。可以大大简化本系统的设计难度和设计周期。所以在本系统中，我选用W5100作为网络控制芯片。632单片机控制芯片选择目前，单片机生产厂家众多，各种新型的单片机也随即而生。不同的单片机应用范围不同，各有优劣。现如今国内外的单片机生产厂家更是多如牛毛，国内电子行业比较发达的台湾，有义隆单片机，华邦16位单片机，凌阳科技生产的8位单片机，松翰科技生产的单片机，十速科技的低价位单片机。台湾的这些单片机生产厂家都是各有优势和劣势，根据不同的应用场合加以选择。还有国外也有许多知名的单片机生
22、产厂商，有MICROCHIP开发的高稳定性和高性价比的PIC单片机，ATMEL的MCS51型单片机，TI公司生产的DSP处理品，FREECALE生产的单片机，三星单片机，NXP单片机，SI实验室开发的单片机，ZILOG生产的单片机，HOLTEK公司生产的单片机，意法半导体生产的单片机，MAXIN公司的单片机，CYPRESS公司生产的片上可编程处理芯片，INFINEN公司生产的单片机，瑞萨科技生产的单片机，贝岭矽创微电子单片机，UBICON生产的单片机，NEC单片机，富士通单片机，爱普生单片机，NEC日立电子单片机，东芝单片机。8现在我们常用的MCS51型单片机由于其指令执行速度较低，而且电源电
23、压只能采用5V左右。而PIC单片机以它的可选型号较多，供电电压为33V左右。而网络控制芯片W5100也是使用33V供电，故两个芯片能很好的匹配。故最终我选用PIC系列中的PIC16F726芯片作为主控芯片。933W5100简介W5100是一款功能较多的单片网络接口芯片，内部集成了10/100M以太网控制器，主要应用在高集成度、高稳定性、高性能和低成本的嵌入式的系统中。使用W5100可以实现无任何操作系统的INTERNET连接。内部集成了全硬件的W5100，且经过十多年市场验证过的TCP/IP协议栈，以太网的介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。硬件TCP/IP协议栈支持TCP，PPPOE，U
24、DP，IPV4，ICMP，ARP和IGMP这些协议已经在很多领域中经过了多年的验证。W5100内部还集成有16KB存储器用于数据传输。使用W5100无需考虑以太网的控制方式，只要进行简单的（SOCKET）端口编程即可。W5100提供3种接口间接并行总线、直接并行总线和SPI总线。W5100与MCU接口非常简单，就像访问外部存储器一样。它的特点及优势如表31所示表31W5100的特点和优势序号特点1支持硬件化TCP/IP协议TCP，UDP，ICMP，IPV4，ARP，IGMP，PPPOE，以太网2支持SPI接口（SPI模式0、3）333V工作电压，I/O口可承受5V电压4内嵌10BASET/10
25、0BASETX以太网物理层5支持自动通信握手（全双工和半双工）680脚LQFP小型封装7内部16KB存储器用于数据发送/接收缓存8不支持IP的分片处理9多功能LED信号输出（TX、RX、全双工/半双工、地址冲突、连接、速度等）10支持自动MDI/MDIX，自动校正信号极性11环保无铅封装12支持ADSL连接（支持PPPOE协议中的PAP/CHAP认证模式）13支持4个独立端口同时运行14018UMCMOS工艺10其结构图如图31所示APPLICATIONDRIVERPROGRAMMCUINTERFACEHARDWARETCP/IPCOREICMPIGMPTCPUDPIPARPPPPOE8023
26、ETHERNETMACTX/RXBUFFERETHERNETPHYW5100TRANSFOMERRJ45SOKETAPIMCUBUSI/FSPIBUSI/F图31W5100芯片结构图11SW5100网络模块简介在系统设计过程中，我最先采用的是网上买的一个网络模块进行调试，这样可以有效减少因硬件设计问题而引起的开发过程的延长，所以在此有必要将此模块进行一个简单的介绍。WIZNET公司最新推出的SW5100是以固件网络芯片W5100为核心的网络模块，W5100是在W3150A版本的基础上，集成以太网物理层RTL8201CP核，因此W5100集成了TCP/IP协议栈，还有以太网MAC和PHY为一体。
27、W5100支持IGMP,TCP,PPPOE，ICMP,UDP,ARP,IPV4,ETHERNET等网络协议；支持4个独立的SOCKET通信协议，内部的16K字节的发送/接收缓冲区可快速实现数据交换，最高通信速率能达到25MBPS；提供多种总线（两种并行总线和SPI总线）接口方式，可以非常方便地和各种单片机芯片连接。SW5100采用SPI通信模式。11它有以下几个特性表32SW5100的特点和优势序号特点180脚LQFP小型封装2018UMCMOS工艺3SPI总线接口4支持硬件化TCP/IP协议TCP，UDP，ICMP，IPV4，ARP，IGMP，PPPOE，以太网5内部16KB存储器用于数据发
28、送/接收缓存6支持ADSL连接（支持PPPOE协议中的PAP/CHAP认证模式）7支持自动MDI/MDIX，自动校正信号极性8支持4个独立端口同时运行9内嵌10BASET/100BASETX以太网物理层10多功能LED信号输出（TX、RX、全双工/半双工、地址冲突、连接、速度等）1133V工作电压，I/O口可承受5V电压功能单片机能通过SPI接口对W5100网络控制器进行控制，并且实现W5100所支持的通信协议的控制。单片机的和W5100的SPI接口方式框图如图32所示。12/SCSSCLKMOSIMISOMCUSPIMASTERSCSSCLKMOSIMISOW5100SPISLAVESENV
29、CC图32MCU与W5100SPI接口连接图SPI时序图W5100只支持SPI模式0与模式3，其时序图如图33所示图33SPI时序图1334PIC16F726简介PIC16F726单片机具有许多别的单片机没有的优势，比如他的抗干扰性能很强，然后他的内存空间也较大，不必担心程序放不下去，因为最开始我选用的是PIC16F722单片机，他的内存空间太小，这个网络控制程序已经放不下去了，所以后来经过筛选，我又选择了PIC16F726单片机。然后还有一点，就是这款单片机是用3V电源供电的，可以和W5100很好的匹配。以下几个表都是PIC16F726的特点。7表33PIC单片机的高性能RISCCPU特性序
30、号特点1仅需学习35条汇编指令2几乎所有指令都是单周期的，除了跳转指令以外3工作速度20MHZ振荡器，200NS指令周期4最大化68字节的数据存储器（RAM）5中断能力最多有8层深硬件堆栈6直接、间接和相对寻址模式7处理器对程序存储器的读访问8引脚排列与其他28/40脚PIC16C和PIC16F单片机兼容表34PIC单片机的特性序号特点1高精度内部振荡器16MHZ或500KHZ工作频率，出厂时精度已校准到1，典型值可用软件调整可用软件选择/1、/2、/4、或/8分频比2节能休眠模式3工业级和扩展级温度范围4上电复位（POWERONRESET，POR）5上电延时定时器（POWERUPTIMER,
31、PWRT）和振荡器起振定时器（OSCILLATORSTARTUPTIMER，OST）146欠压复位（BROWNOUTRESET,BOR）可在两个跳变点之间选择在休眠模式下禁止选项7带上拉的主复位引脚，与输入功能复用8引脚排列与其他28/40脚PIC16C和PIC16F单片机兼容9可编程代码保护10高耐久性的闪存单元闪存耐写次数1000次（典型值）11闪存数据保存时间40年12宽工作电压范围18V55V（PIC1F72X）18V36V（PIC16LF72X）13低功耗特性待机电流20V时典型值为60NA工作电流32KHZ、20V时典型值为70UA1MHZ、20V时典型值为110UA14低功耗看门
32、狗定时器电流18V时典型值为05UA15外设特性最多35个I/O引脚和蔼个仅输入引脚高灌/拉电流能力，可直接驱动LED引脚电平变化中断可单独编程的弱上拉16通过两个引脚进行在线串行编程（INCIRCUITSERIALPRGRAMMING,ICSP）17A/D转换器8位分辨率和最多14路通道能在休眠模式下工作可选择的1024/2048/4096V参考电压18TIMER0带有8位可编程预分频器的8位定时器/计数器19增强型TIMER1专用的低功耗32KHZ振荡器带有预分频器的16位定时器/计数器15带翻转的外部门控输入模式和单次触发模式门控事件结束中断20TIMER2带有8位周期寄存器、预分频器和
33、后分频器的8位定时器/计数器两个捕捉/比较/PWM模块16位捕捉/，最大分辨率为125NS16位比较，最大分辨率为200NS10位PWM，最大频率20KHZ21可寻址的通用同步/异步收发器（ADDRESSABLEUNIVERSALSYNCHRONOUSASYNCHRONOUSRECEIVERTRANSMITTER，AUSART）同步串行口（SYNCHRONOUSSERIALPORT，SSP）SPI（主/从模式）带地址屏蔽的I2C总线（从模式）片上32V稳压器（PIC16F72X器件）22电容传感器模块（MTOUCH触摸传感解决方案）35SPI接口介绍在本系统中，网络控制芯片W5100和单片机的
34、接口为SPI接口方式，所以在此也介绍下SPI接口的定义和应用范围。SPI接口的全称为“SERIALPERIPHERALINTERFACE”，其意思为串行外围接口，SPI接口是首先被MOTOROLA公司在MC68HCXX系列的处理器芯片上所应用。SPI接口的应用范围很广泛，主要在FLASH，EEPROM，实时时钟芯片所应用，还有A/D转换器和MCU的通信，然后数字信号处理芯片以和数字信号解码器之间也用到SPI接口。SPI接口的数据传输速率比I2C总线要快，它的传输速率可达几MBPS。SPI接口应用在CPU和外围低速器件之间的同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲的驱动下，数据按位进行传输，传输数据
35、时高位在前，低位在后，SPI接口是全双工数据通信的。所以说SPI的总体优势还是比较明显的。SPI接口主要包括以下四种信号，它是以主从方式进行工作的，这种模式通常有一个主器件与一个或多个从器件组成。其通信连接示意图如图34所示。16（1）、SCLK时钟信号，由主器件产生（2）、/SS从器件使能信号，由主器件控制（3）、MOSI主器件数据输出，从器件数据输入（4）、MISO主器件数据输入，从器件数据输出在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从器件系统中，每个器件需要有一个独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一点。原理图如图35所示。SSSCLK
36、MOSIMISOSPISLAVE1SSSCLKMOSIMISOSPISLAVE2SSSCLKMOSIMISOSPISLAVE3SS1SCLKMOSIMISOSPIMASTERSS2SS3图35SPI一主机和多从机通信模式原理图SPI接口在内部硬件实际上只是两个非常简单的移位寄存器，传输的数据为8位，从器件在主器件产生的稳住脉冲作用下，按位传输，高位在前，低位在后。如图36所示，在SCLK的下降沿上MASTERSLAVESCLK/SSMOSIOMISO图34SPI通信连接示意图17数据被改变，同时一位数据被存入移位寄存器中。图36SPI通信的数据格式SPI接口内部硬件图如图37所示8BITSHI
37、FTREGISTERSPICLOCKGENERATER8BITSHIFTREGISTERMASTERSLAVEMISOMOSISCLKSCLK图37SPI内部硬件图最后，指出SPI接口的一个缺点SPI接口没有指定的流控制，没有任何应答机制确认是否接收到数据。这样就会造成数据的丢失和无法确认数据是否接收到。184系统硬件设计41硬件实现方案该系统主要分上位机模块和下位机模块，其中上位机模块又分电源模块、MCU模块、网络模块、RS485模块等。下位机主要分为MCU模块、RS485模块。下面对其分别予以详细介绍。42上位机上位机主要是PIC16F726单片机对网络模块的读写操作，以及读出里面的数据，
38、由PC机软件把数据发给上位机，再由W5100进行处理，并经过PIC单片机的控制后再发给下位机，以下是对该模块的详细介绍。421电源模块电源模块如图41所示，该电源主要分为稳压模块，电源滤波模块等。外部5V电压进入该系统后经过稳压后供给系统33V电压，使系统能正常工作。C610UFC701UFC801UFL1100UH,140MA,4R6GNDVCC33AVCC18AVCC18VCC33VCC5VOUT1SEN/ADJ2GND13BYP4SDN5GND26GND37IN8U23LT1763CS833PBFC8010U,10V,TAC81103,50VC8210U,10V,TAGNDVCC33AV
39、CC33C1201UFC1310UFGNDC1401UFC910UFC1001UFC11L2100UH,140MA,4R6GNDC7001UF422MCU模块如图42所示，该模块主要是PIC16F726单片机的最小系统，及PIC编程端口的设计，经过实际检验，该模块能正常工作。图41电源模块19MCUMODULEVPP/MCLR/RE31VCAP/SS/AN0/RA02AN1/RA13AN2/RA24VREF/AN3/RA35T0CKI/CPS6/RA46VCAP/SS/CPS7/AN4/RA57VSS8CLKIN/OSC1/RA79VCAP/CLKOUT/OSC2/RA610T1CKI/T1O
40、SO/RC011CCP2/T1OSI/RC112CCP1/RC213SCL/SCK/RC314RC4/SDI/SDA15RC5/SDO16RC6/TX/CK17RC7/RX/DT18VSS19VDD20RB0/AN12/CPS0/INT21RB1/AN10/CPS122RB2/AN8/CPS223RB3/AN9/CPS3/CCP224RB4/AN11/CPS425RB5/AN13/CPS5/T1G26RB6/ICSPCLK27RB7/ICSPDAT28U3PIC16F726I/SOVCC33GND12Y249152MC1522PFC1622PFGNDR1310KVPP12345P1HEADER
41、5VPPVCC33GNDDATCLKCLKDATRESETSCSSCLKMOSIMISOTXDRXDDR12P2HEADER2HVCC5VGND图42PIC16F726最小系统423网络模块如图43所示，该网络模块主要由网络控制芯片W5100和RJ45网络接口组成。RESET_BG1VCC3V3A2NC3GNDA4RXIP5RXIN6VCC1V8A7TXOP8TXON9GNDA101V8OUT11VCC3V3D12GNDD13GNDD14VCC1V8D15VCC1V8D16GNDD17VCC3V3D18DATA719DATA620DATA521DATA422DATA323DATA224DATA
42、125DATA026MISO27MOSI28SCS29SCLK30SEN31GNDD32VCC1V8D33TEST_MODE334TEST_MODE235TEST_MODE136TEST_MODE037ADDR1438ADDR1339ADDR1240ADDR1141ADDR1042GNDD43VCC3V3D44ADDR945ADDR846ADDR747ADDR648ADDR549ADDR450ADDR351ADDR252ADDR153ADDR054CS55INT56WR57RD58RESET59NC60NC61NC62OPMODE063OPMODE164OPMODE265LINKLED66SP
43、DLED67GNDD68VCC1V8D69FDXLED70GOLLED71RXLED72TXLED73VCC1V8A74XTLN75XTLP76GNDA77NC78NC79NC80U1W5100R31M12Y125MC122PC222PGNDGNDGNDVCC33VCC18R112KR2300GNDGNDRXIPRXINTXOPTXONVCC33GNDVCC18ATXLEDRXLEDVCC18GNDLINKLEDRESETVCC18AVCC18SCLKSCSMOSIMISOR4300ACTLEDTD1TD2TCT3NC4NC5RCT6RD7RD8GRN9GRN10YEL11YEL12SHIEL
44、D13SHIELD14RJ4513F60FGYDPNW2R551R751C301UFGNDR851R651C401UFGNDTXONTXOPRXINRXIPLINKLEDACTLEDVCC33R11200R12200VCC33C501UFGNDETHERNETMODULEGNDR1747KVCC33TXLEDRXLED321D1BAW56VCC33VCC33A图43网络模块20424RS485模块该模块主要由RS485芯片SN65HVD12D和一些外围器件组成，主要实现上位机和下位机之间的通信。RO1RE2DE3DI4GND5B7A6VCC8U2SN65HVD12DVCC33GNDR920KR
45、1020KDRTXDRXDRS485MODULER19120RS485_ARS485_BVCC33GNDRS485_ARS485_B1234P3HEADER4HGNDVCC3343上位机总体原理图如图45所示，为上位机的总体原理图44下位机下位机主要由PIC控制芯片和RS485通信模块组成，通过上位机发送过来的消息传送给下位机后，下位机再执行相应的控制程序。其原理图如图46所示。45硬件电路设计总结在设计该硬件电路时，碰到的最大的问题就是单片机的选择，刚开始我选择的是MCS51型单片机，后来发现该单片机只支持5V电压，并且买过来的封装也不太好，经过种种考虑，我们后来又换成了PIC单片机，因为它
46、能跟网络控制模块很好的匹配，这是一个很大的优势。接下来在设计电路PCB时也遇到很多问题，因为以前我画的PCB都是不太正规的，现在这个是公司的产品，所以必须要很正规的画图，这代表的是公司的一个形象。图44RS485模块21RESET_BG1VCC3V3A2NC3GNDA4RXIP5RXIN6VCC1V8A7TXOP8TXON9GNDA101V8OUT11VCC3V3D12GNDD13GNDD14VCC1V8D15VCC1V8D16GNDD17VCC3V3D18DATA719DATA620DATA521DATA422DATA323DATA224DATA125DATA026MISO27MOSI28S
47、CS29SCLK30SEN31GNDD32VCC1V8D33TEST_MODE334TEST_MODE235TEST_MODE136TEST_MODE037ADDR1438ADDR1339ADDR1240ADDR1141ADDR1042GNDD43VCC3V3D44ADDR945ADDR846ADDR747ADDR648ADDR549ADDR450ADDR351ADDR252ADDR153ADDR054CS55INT56WR57RD58RESET59NC60NC61NC62OPMODE063OPMODE164OPMODE265LINKLED66SPDLED67GNDD68VCC1V8D69FD
48、XLED70GOLLED71RXLED72TXLED73VCC1V8A74XTLN75XTLP76GNDA77NC78NC79NC80U1W5100R31M12Y125MC122PC222PGNDGNDGNDVCC33VCC18R112KR2300GNDGNDRXIPRXINTXOPTXONVCC33GNDVCC18ATXLEDRXLEDVCC18GNDLINKLEDRESETVCC18AVCC18SCLKSCSMOSIMISOR4300ACTLEDTD1TD2TCT3NC4NC5RCT6RD7RD8GRN9GRN10YEL11YEL12SHIELD13SHIELD14RJ4513F60FGY
49、DPNW2R551R751C301UFGNDR851R651C401UFGNDTXONTXOPRXINRXIPLINKLEDACTLEDVCC33R11200R12200VCC33C501UFGNDC610UFC701UFC801UFL1100UH,140MA,4R6GNDVCC33AVCC18AVCC18VCC33VCC5VRO1RE2DE3DI4GND5B7A6VCC8U2SN65HVD12DVCC33GNDR920KR1020KDRTXDRXDETHERNETMODULERS485MODULEMCUMODULEGNDR1747KVCC33R19120OUT1SEN/ADJ2GND13BYP4SDN5GND26GND37IN8U23LT1763CS833PBFC8010U,10V,TAC81103,50VC8210U,10V,TAGNDVCC33AVPP/MCLR/RE31VCAP/SS/AN0/RA02AN1/RA13AN2/RA24VREF/AN3/RA35T0CKI/CPS6/RA46VCAP/SS/CPS7/AN4/RA57VSS8CLKIN/OSC1/RA79VCAP/CLKOUT/OSC2/RA610T1CKI/T1OSO/RC011CCP2/T1OSI/RC112CCP1/RC213SCL/SCK/RC314RC4/SDI/SDA15RC5/SDO16R
