嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)應(yīng)用

前言

　　現(xiàn)代世界是一個網(wǎng)絡(luò)覆蓋的信息流世界。無處不在的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅形式多樣，有/無線的，遠程的/短距離的，而且層層相扣、紛繁交織卻又自成體系、井然有序。通過這些網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用的各個嵌入式應(yīng)用體系實現(xiàn)著不同目的的數(shù)據(jù)傳輸，或者融合成不同網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，或者相互組合又構(gòu)筑起了新的網(wǎng)絡(luò)——嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)時而生、迅速發(fā)展，成了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵性技術(shù)?！　‰S著科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的迅猛發(fā)展和生產(chǎn)生活需求的日益強烈，嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信的需求更加廣大，應(yīng)用更加廣泛，可靠高效性要求越來越高，信息流量也越來越大。如何在保持嵌入式系統(tǒng)高度穩(wěn)定可靠和快速實時響應(yīng)的基礎(chǔ)上選擇或者構(gòu)建合適高性價比的通信網(wǎng)絡(luò)，以最小的系統(tǒng)資源占有量迅速開發(fā)出穩(wěn)定高效的通信體系，實現(xiàn)簡易方便、高性價比的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，展開及時可靠的數(shù)據(jù)信息交互，使嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)更好地融入有線、無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，本書對這些進行了全面的探索和綜合性的闡述?！　”緯灿?2章。第1章簡要介紹了一些嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信體系開發(fā)的硬件、軟件及其通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識，匯總了現(xiàn)在常見的有/無線通信形式及其實現(xiàn)，說明了嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信體系軟/硬件設(shè)計的核心思想。接下來的11章逐一闡述了常用有線網(wǎng)絡(luò)通信中的UART?485、CAN、EMAC、LonWorks等現(xiàn)場總線和無線網(wǎng)絡(luò)通信中的ZigBee、IrDA、衛(wèi)星信號、GSM/CDMA/3G移動通信、BlueTooth、WiFi、簡易無線通信等形式。從工程項目開發(fā)實踐的角度將描述每種網(wǎng)絡(luò)類型的“章”劃分為3個部分：網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)、軟/硬件體系設(shè)計和開發(fā)應(yīng)用實踐。在“網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)”中簡要歸納概括該網(wǎng)絡(luò)通信的基本特點、拓撲架構(gòu)和協(xié)議規(guī)約。在“軟/硬件體系設(shè)計”中，敘述軟/硬件設(shè)計實現(xiàn)的方法步驟，重點闡述了接口通信器件或模塊的選擇與使用、基本配置/數(shù)據(jù)收（讀）發(fā)（寫）/異常處理等底層驅(qū)動軟件的開發(fā)、通信協(xié)議的簡化與實現(xiàn)、應(yīng)用程序的驅(qū)動調(diào)用或嵌入式操作系統(tǒng)（如RTX、μC/OS?II、Windows CE/Mobile、ARM?Linux/μC?Linux、VxWorks等）下的通信“套接”操作，特別是印刷電路板PCB的布局/布線、軟/硬件的模擬仿真、驅(qū)動/應(yīng)用程序的設(shè)計與跟蹤調(diào)試/測試等重要環(huán)節(jié)。在“開發(fā)應(yīng)用實踐”中列舉大量的工程項目開發(fā)設(shè)計實例，其中大部分是本人親身實踐，以使理論密切聯(lián)系實踐應(yīng)用，做到淺顯易懂，突出應(yīng)用價值。內(nèi)容的安排上，精簡對“網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)”和“軟硬件體系設(shè)計”的闡述，突出“開發(fā)應(yīng)用實踐”的關(guān)鍵細節(jié)，使“開發(fā)應(yīng)用實踐”的描述占用的整“章”篇幅比例達到了2/3。更為實用的CAN、EMAC、LonWorks現(xiàn)場總線有線通信和2.4 GHz?ISM免費載波的ZigBee、BlueTooth、WiFi、簡易無線通信及其衛(wèi)星信號通信、GSM/CDMA/3G移動無線通信，是本書的重中之重。

內(nèi)容概要

本書首先簡要介紹了嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信體系開發(fā)的硬件、軟件及其通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識，匯總了常見的有線和無線通信形式及其實現(xiàn)，說明了嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信體系軟/硬件設(shè)計的核心思想。接著分章逐一闡述了常見有線網(wǎng)絡(luò)通信中的UART485、CAN、EMAC、LonWorks等現(xiàn)場總線和無線網(wǎng)絡(luò)通信中的ZigBee、IrDA、衛(wèi)星信號、GSM/CDMA/3G移動通信、BlueTooth、WiFi、簡易無線通信等形式；每章都說明了該網(wǎng)絡(luò)通信的基本特點、拓撲架構(gòu)和協(xié)議規(guī)約構(gòu)成，敘述了軟/硬件設(shè)計實現(xiàn)的方法步驟，重點闡述了通信接口器件或模塊的選擇與使用、基本配置/數(shù)據(jù)收(讀)發(fā)(寫)/異常處理等底層驅(qū)動軟件的開發(fā)、通信協(xié)議的簡化與實現(xiàn)、應(yīng)用程序的驅(qū)動調(diào)用或嵌入式操作系統(tǒng)下的通信套接操作，特別是網(wǎng)絡(luò)通信接口電路的設(shè)計、驅(qū)動/應(yīng)用程序的設(shè)計與跟蹤調(diào)試/測試等重要環(huán)節(jié)；每章2/3左右的篇幅都用于列舉大量的工程項目開發(fā)設(shè)計實例。    本書特別適合于從事嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的廣大技術(shù)人員，也是高校/職校嵌入式系統(tǒng)軟/硬件設(shè)計與機電一體化專業(yè)教育培訓(xùn)的參考書。

作者簡介

怯肇乾(1969-)，男，河南汝州人，電子與信息技術(shù)高級工程師，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師/培訓(xùn)師。怯公，多年從事軟硬件體系及其系統(tǒng)工程設(shè)計，熟知Widows、Linux等應(yīng)用程序設(shè)計，熟知、J2EE架構(gòu)及其跨平臺程序設(shè)計，熟知FPGA—SoPC軟硬件協(xié)同設(shè)計，特別是嵌入式系統(tǒng)及其μc/Os、μC/Linux、WinCE、VxWorks等下的軟件體系架構(gòu)和外設(shè)/接口的驅(qū)動程序設(shè)計。怯公，在國內(nèi)許多科技期刊上獨立發(fā)表過很多技術(shù)性文章，獨立編著有《嵌入式系統(tǒng)硬件體系設(shè)計》等技術(shù)書籍，多年來還不斷從事高校研究生、本科生的教學(xué)及專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)。

書籍目錄

第1章 嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信綜述1  1.1 嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)1    1.1.1 網(wǎng)絡(luò)通信的簡要介紹1    1.1.2 網(wǎng)絡(luò)通信的硬件基礎(chǔ)2    1.1.3 網(wǎng)絡(luò)通信的軟件基礎(chǔ)5    1.1.4 網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)10  1.2 常見嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信12    1.2.1 常見有/無線網(wǎng)絡(luò)通信形式12    1.2.2 常用嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)14第2章 嵌入式UART485網(wǎng)絡(luò)通信18  2.1 UART485網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)18    2.1.1 RS485總線及其網(wǎng)絡(luò)通信18    2.1.2 UART與RS232-C通信20  2.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計22    2.2.1 接口器件及選擇使用22    2.2.2 硬件接口電路的設(shè)計23    2.2.3 特定通信協(xié)約的制定26    2.2.4 網(wǎng)絡(luò)通信軟件的編制28  2.3 UART485網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)實例33    2.3.1 生產(chǎn)線產(chǎn)品的動態(tài)統(tǒng)計分析33    2.3.2 公共事務(wù)排隊控制系統(tǒng)構(gòu)建47第3章 嵌入式CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信53  3.1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)53    3.1.1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)及其特征53    3.1.2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議54  3.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計56    3.3.1 CAN總線接口器件及其選擇56    3.2.2 CAN總線通信的軟硬件設(shè)計57    3.2.3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信運行分析58  3.3 CAN接口驅(qū)動及網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)實例60    3.3.1 CAN總線接口硬件電路設(shè)計60    3.3.2 EPP主/備CAN監(jiān)視節(jié)點設(shè)計62    3.3.3 道岔運行狀況監(jiān)控終端設(shè)計69    3.3.4 地下電纜溝道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計82第4章 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信87  4.1 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)87    4.1.1 以太網(wǎng)及其網(wǎng)絡(luò)特征87    4.1.2 EMAC網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議88    4.1.3 雙絞線介質(zhì)及其連接90    4.1.4 工業(yè)以太網(wǎng)及其特點90  4.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計93    4.2.1 以太網(wǎng)接口器件及其特征93    4.2.2 嵌入式以太網(wǎng)通信的硬件實現(xiàn)96    4.2.3 嵌入式以太網(wǎng)通信的軟件編制96    4.2.4 嵌入式TCP/IP協(xié)議棧概述98  4.3 網(wǎng)口驅(qū)動及其應(yīng)用實例101    4.3.1 網(wǎng)口驅(qū)動及其直接通信應(yīng)用101    4.3.2 嵌入式TCP/IP協(xié)調(diào)棧移植104    4.3.3 μC/Linux下的網(wǎng)口驅(qū)動設(shè)計108    4.3.4 BSD Socket套接字通信實現(xiàn)117第5章 嵌入式LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信120  5.1 LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)120    5.1.1 LonWorks總線及其技術(shù)概述120    5.1.2 LonWorks網(wǎng)絡(luò)通信體系框架121  5.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計124    5.2.1 節(jié)點器件及其系統(tǒng)連接124    5.2.2 LonWorks總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造127    5.2.3 LonWorks通信軟件設(shè)計127  5.3 LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點/適配器設(shè)計實例130    5.3.1 基于神經(jīng)元的節(jié)點設(shè)計130    5.3.2 基于微處理器的節(jié)點設(shè)計138    5.3.3 PCI/ISA網(wǎng)絡(luò)適配卡設(shè)計144    5.3.4 LonWorks電能檢測系統(tǒng)設(shè)計149第6章 嵌入式ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信154  6.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)154    6.1.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信概述154    6.1.2 通信協(xié)議框架及其實現(xiàn)157    6.1.3 網(wǎng)絡(luò)組織與數(shù)據(jù)幀159  6.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計163    6.2.1 ZigBee技術(shù)的通信部件163    6.2.2 ZigBee無線通信實現(xiàn)分析165    6.2.3 ZigBee通信的軟/硬件設(shè)計166  6.3 生產(chǎn)生活的簡易監(jiān)控實例169    6.3.1 無線收發(fā)電路設(shè)計實例169    6.3.2 簡易語音通信設(shè)計實例173    6.3.3 火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計實例177    6.3.4 無線片上系統(tǒng)設(shè)計實例181第7章 嵌入式IrDA無線遙控通信191  7.1 IrDA無線遙控通信基礎(chǔ)191  7.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計192    7.2.1 IrDA器件及其使用192    7.2.2 常見IrDA電路設(shè)計195    7.2.3 IrDA通信的軟件設(shè)計198  7.3 IrDA無線遙控應(yīng)用實例199    7.3.1 邏輯電路實現(xiàn)紅外遙控解碼實例199    7.3.2 LED顯示屏的簡易IrDA遙控實例202    7.3.3 空調(diào)生產(chǎn)線的紅外多機檢測實例215    7.3.4 ARM Linux IrDA軟件實現(xiàn)實例217第8章 嵌入式信號衛(wèi)星通信221  8.1 信號衛(wèi)星通信基礎(chǔ)221    8.1.1 衛(wèi)星定位授時同步概述221    8.1.2 衛(wèi)星定位授時同步原理222  8.2 基本軟/硬件體系設(shè)計224    8.2.1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航的接收端設(shè)計224    8.2.2 衛(wèi)星定位授時同步應(yīng)用設(shè)計227    8.2.3 通信協(xié)議與測試軟件工具應(yīng)用230  8.3 衛(wèi)星定位授時應(yīng)用實例233    8.3.1 鐵路路況GPS巡檢實例233    8.3.2 北頭衛(wèi)星授時應(yīng)用實例250第9章 嵌入式GPRS/CDMA/3G移動通信255  9.1 無線移動通信應(yīng)用基礎(chǔ)255    9.1.1 常見移動網(wǎng)絡(luò)通信概述255    9.1.2 移動通信技術(shù)的總體特征257    9.1.3 嵌入式移動通信體系框架258    9.1.4 AT監(jiān)控指令及其應(yīng)用簡述260  9.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計263    9.2.1 移動通信部件263    9.2.2 硬件體系設(shè)計265    9.2.3 軟件體系實現(xiàn)266    9.2.4 設(shè)計注意事項266  9.3 移動通信開發(fā)應(yīng)用實例268    9.3.1 無線公共電話的開發(fā)設(shè)計實例268    9.3.2 短信息形式的無線傳輸實例292    9.3.3 內(nèi)置TCP/IP的無線傳輸實例298    9.3.4 移植TCP/IP的無線傳輸實例306第10章 嵌入式BlueTooth無線網(wǎng)絡(luò)通信310  10.1 BlueTooth網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)310    10.1.1 BlueTooth通信網(wǎng)絡(luò)及其特征310    10.1.2 BlueTooth網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及拓撲構(gòu)成311    10.1.3 BlueTooth功能單元與協(xié)議體系312    10.1.4 BlueTooth的節(jié)點匹配及其應(yīng)用317  10.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計317    10.2.1 BlueTooth協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)體系分析317    10.2.2 BlueTooth技術(shù)的軟/硬件實現(xiàn)分析319    10.2.3 BlueTooth無線通信部件及其構(gòu)造321    10.2.4 BlueTooth技術(shù)的軟/硬件實現(xiàn)形式325  10.3 BlueTooth無線通信應(yīng)用328    10.3.1 芯片組BlueTooth無線通信設(shè)計328    10.3.2 單芯片BlueTooth無線通信設(shè)計333    10.3.3 E-Linux BlueTooth無線通信實現(xiàn)335    10.3.4 Windows CE BlueTooth驅(qū)動與通信實現(xiàn)342第11章 嵌入式WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信350  11.1 WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)350    11.1.1 WiFi通信網(wǎng)絡(luò)及其特征350    11.1.2 WiFi網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其拓撲352    11.1.3 WiFi網(wǎng)絡(luò)通信及其實現(xiàn)354  11.2 基本的軟/硬件體系設(shè)計358    11.2.1 WiFi部件及其選擇358    11.2.2 WiFi硬件體系設(shè)計360    11.2.3 WiFi軟件體系設(shè)計361  11.3 WiFi網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)應(yīng)用實則362    11.3.1 ARMLinux-ARM9-88W8686體系實則362    11.3.2 μCLinux-ARM7-BWG200體系實例365    11.3.3 μC/OS-ARM7-NC5004體系實例368    11.3.4 NEOS-ARM7-CG-1000體系實例372    11.3.5 WinCE-ARM9-VNUWCL5體系實例382第12章 嵌入式簡易無線網(wǎng)絡(luò)通信388  12.1 簡易無線網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)388    12.1.1 簡易無線網(wǎng)絡(luò)通信綜述388    12.1.2 基本通信功能及其實現(xiàn)389  12.2 基本的軟硬/件體系設(shè)計390    12.2.1 簡易無線通信部件及其選擇390    12.2.2 簡易無線通信硬件體系設(shè)計396    12.2.3 簡易無線通信軟件體系設(shè)計399  12.3 簡易無線網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)實例400    12.3.1 MICRF005射頻接收電路設(shè)計實例400    12.3.2 IA4220/4320防丟-尋找器設(shè)計實例402    12.3.3 RF24L01模塊的驅(qū)動程序設(shè)計實例404    12.3.4 Zi2121-USB無線鼠標對實現(xiàn)實例410參考文獻429

章節(jié)摘錄

　?。?）輪詢訪問協(xié)議　　輪詢訪問協(xié)議因其簡單方便、實時性能可確定等特點而成為嵌入式網(wǎng)絡(luò)常用協(xié)議之一。采用輪詢訪問協(xié)議，需要指定一個主節(jié)點作為中心主機來定期輪詢各個從屬節(jié)點，以顯式分配從屬節(jié)點訪問共享介質(zhì)的權(quán)力。這類協(xié)議的缺點也是明顯的：輪詢過程占用了寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)；風(fēng)險完全集中在主機節(jié)點上，為了避免因主節(jié)點失效而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況，有時須設(shè)置多個主節(jié)點來提高系統(tǒng)的健壯性（如ProFiBus現(xiàn)場總線）?！　。?）帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議　　帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問（2SMA／CD（Carrier Sense Multiple Access／（20nfliet De-tection）協(xié)議有許多不同的實現(xiàn)版本，核心思想是：一個節(jié)點只有確認網(wǎng)絡(luò)空閑之后才能發(fā)送信息。如果多個節(jié)點幾乎同時檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑并發(fā)送信息，則產(chǎn)生沖突。檢測到?jīng)_突的發(fā)送信息節(jié)點必須采用某種算法（如回溯算法）來確定延時長短，延時結(jié)束后重復(fù)上述過程再試圖發(fā)送。CSMA／CD的優(yōu)點是理論上能支持任意多的節(jié)點，且不需要預(yù)先分配節(jié)點位置，因此在辦公環(huán)境中幾乎占有絕對優(yōu)勢。但是CSMA／CD沖突產(chǎn)生具有很大的隨機性，在最壞情況下的響應(yīng)延時不可確定，無法滿足嵌入式網(wǎng)絡(luò)最基本的實時性要求?！　。?）令牌環(huán)協(xié)議　　在令牌環(huán)網(wǎng)中，節(jié)點之間使用端到端的連接，所有節(jié)點在物理上組成一個環(huán)型結(jié)構(gòu)。一組特殊的脈沖編碼序列，即令牌，沿著環(huán)從一個節(jié)點向其物理鄰居節(jié)點傳遞。一個節(jié)點獲得令牌后，如無信息要發(fā)送，則將令牌繼續(xù)傳遞給下一個鄰居；否則，首先停止令牌循環(huán)，然后沿著環(huán)發(fā)送它的信息，最后繼續(xù)令牌傳遞。令牌環(huán)網(wǎng)的優(yōu)點是：實時性可確定，因為容易計算出最壞情況下節(jié)點等待令牌的時間；令牌傳遞占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬極小，帶寬利用率很高，具有強大的吞吐能力。但這種協(xié)議在具體實現(xiàn)時為確保可靠性必須付出較大的代價：為避免因電纜斷裂和節(jié)點失效導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，常采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)和失效節(jié)點自動旁路措施，導(dǎo)致實施成本增加；為立即檢測到令牌是否意外丟失，不得不增加該協(xié)議實施的復(fù)雜性。

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