基于SOPC的嵌入式串口-网络协议转换器的设计和实现-物理电子学专业论文.docxVIP

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基于SOPC的嵌入式串口-网络协议转换器的设计和实现-物理电子学专业论文

1 概论 1.1 研究背景和意义 随着现代科学技术的迅猛发展,特别是微电子技术以及电子计算机技术的迅猛发 展,机械工业与电子信息技术融合的机电一体化技术正在发生广泛而深刻的变化。而 单片机,微处理器作为其中的一个分支,也在进行日新月异的更新和进步,并在各个 领域得到广泛的应用。小到我们日常生活中的手机、电视、冰箱、手表等通讯产品和 家用电器,大到汽车、医疗器械、导弹等大型工业军事系统设备,都离不开微处理器。 可以说,它就像人的大脑,精确地指挥着系统运行的每一步。 微处理器之所以能发挥如此巨大的作用,就在于它能够接受外部的指令数据,经 过内部计算之后,再将结果输出至外部。进行数据交互通过各种接口进行,包括各种 I/O 口,串口,并口,网口,USB 等。而在这当中,串口因其实现简单,易于维护,具 备稳定的传输性能得到广泛的应用。 串行通信是指数据按位顺序传送的通信,有异步通信和同步通信两种,单片机及 各种处理器里的串口采用的主要是异步通信方式,所以串口又称通用异步接收/发送器 (简称 UART)。标准的 RS232 串口采用的是 25 芯插头座,具有 22 根信号线,包括一个 接收缓冲寄存器和一个发送缓冲寄存器。在计算机内部,数据传输采用并行方式,不 能和直接串行设备进行通信,必须经过 UART 转换成串行数据之后才能进行异步传输。 同样,从计算机外部来的串行数据也要通过 UART 转换成并行数据之后,才能被计算 机内部使用。在 UART 出现之前,计算机与外界的通讯是通过 I/O 进行的。异步串行 I/O 通信时通过从硬件锁存器写入或读出一个字节的每一位进行的,原理虽然简单,然 后却因为错综复杂的数据和帧位串的同步关系难以实现。而当 UART 出现以后,所有 的问题都迎刃而解。由于字节重组和装配的工作都可以由 UART 的缓冲电路自动完成, 程序员编写程序时就不用再考虑复杂的中断方式及这些中断给多任务机制的影响,而 只需简单的将数据写入或读出而已。同时,UART 还可以用来扩展并行 I/O 口,或作串 并转换,驱动键盘显示器等等,大大减轻了处理器的负担。 串口通信因其实现简单,易于维护及性能稳定的优点得到了广泛的应用,成为目 前应用最普遍的通信方式之一,然而,由于串口通信本身技术上的原因,使得它不可 避免的存在一些局限性。 一是传输距离短。微处理器的串口输出为 TTL 电平,由于 TTL 电平极易受噪声干 扰,若直连的话传输距离不超过 2 米,因此一般是将 TTL 电平转换为 RS232 电平。RS232 采用负逻辑,逻辑 1 为-5V~-15V,逻辑 0 为+5V~+15V,由于发送器和接收器之间有公 共信号线,不可能使用双端信号,容易耦合共模噪声,再加上双绞线上的分布电容, 其传送距离最大不超过 15 米。 二是传输速率低。串口的传输速率与传输距离和内部时钟频率有关,一般来说, 距离越短,传输速率越高,反之则越低。当传输距离为 2 米时,,传输速率最大可达 115200b/s,而距离到了 15 米时,,速率就只有 20Kb/s 了。另外,波特率为内部时钟频 率的 l/32 或 l/64,而通常采用的晶振为 11.0592MHz,所以通常理论上的最高数据传输 速率约为 385Kb/s 左右,而实际传输中加上损耗等等因素,这个数值约为 115.2kb/s 综上分析,串口只适用于距离较近的本地设备之间且传输速率要求不高的通信, 如 PC 机之间的通讯,PC 机与单片机的短程通讯,单片机与单片机之间的短程通讯。 为了提高数据传送速率和通信距离,EIA(美国电子工业协会)又推出了 RS-422 标准, 该标准采用了接收器高输入阻抗和基于平衡电压的电气特性,发送器的驱动比 RS232 更强,理论上最远可传 1219 米,速率最高为 10Mb/s。然而传输距离与传输速率成反比, 最大传输距离 1219 下的速率只有 100kb/s,10Mb/s 最大传输速率下能传的距离又很短。 一般 1Mb/s 的传输速率下最远可传 100 米。但尽管如此,也无法满足远距离串口数据 传输的需求。那么,如何在不改变串口特性的前提下,提高串口设备的数据传输率与 传输距离? 网络的出现提出了一个解决方案。20 世纪 90 年代以来,以因特网为代表的计算机 网络得到了飞速的发展,网络现在已经成为了信息社会的命脉,对社会经济的发展和 人们的生活产生了深远的不可逆转的影响,同时,计算机网络也为数据通讯起到了强 大的推进作用。在网络体系之下,位于世界上任何地方的任何系统之间都可以进行数 据通信和资源共享,广域网,城域网,局域网的不断延伸拓展,将分布的计算机个体 连成了一个统一的网络。同时,其数据传输速率之高也以超乎人们想象的速度发展, 据美国电气电子工程师学会(IE

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