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1、 密级： 无 硕 士 学 位 论 文 论文题目基于AVR单片机的网络智能家居系统作者姓名 王璋 指导教师 杨枨 副教授 学科(专业) 软件工程 所在学院 软件学院 提交日期 2008-05-20 A Dissertation Submitted to Zhejiang University for the Degree of Master of EngineeringTITLE: Net Smart Home System Based on MCU AVR Author: Wang ZhangSupervisor: Professor Yang ChengSubject: Software P
2、rojectCollege: College of Software TechnologySubmitted Date: May 20, 2008 摘要本课题来自本文作者为宁波某公司开发的智能门禁系统的改进版本。项目的原始要求是做一个普通的楼房门禁系统，用户可以通过该系统进行呼叫、接听、开门等操作。在项目开发后期，投资商提出为下一步开发作出研发性的要求。其具体要求为：在原来的基础上，对通讯方案和功能作出重大的改动。把原来的近距离通讯改为远程通讯；简单的呼叫功能改为智能远程控制；用户的界面采用最常用的PC机。这样就使得系统拥有了更高的科技性和实用性，并且具有挑战性，项目的可持续发展能力得到了显著
3、的提高。本课题的主要工作分以下三个部分：1) 下位机的功能模块：下位机采用AVR单片机作为核心部件，担当智能家居系统主控制器的中央处理部件。在本系统中采用28引脚的ATmega8L。它体积小，价格低，速度又和其它芯片一样快，非常适合做小型的开发。把网络通讯芯片连接到AVR单片机的SPI口上，通过高速的串行通讯来交换网络传输的数据。在本系统中使用新颖的ENC28J60芯片作为网络通讯器件，该器件功能全面，接口方便，有着先天的优势。用AVR的普通引脚模拟一个USB的通讯端口，作为从器件和PC机进行通讯，用来对智能家居系统主控制器的初始化配置。由于不使用额外的芯片，在功耗上、成本上、尺寸上，都可以进
4、行一定程度的压缩。2) 下位机和上位机的通讯模块：硬件上：使用ENC28J60快速以太网通讯芯片作为通讯模块的设备，连接到AVR单片机，通过SPI接口来进行通讯。软件上：ENC28J60芯片是一块底层的芯片，工作在链路层。所以，它的通讯最基本单位为MAC帧，用户需要自行编写驱动程序来对其进行控制。在封装好MAC帧以后，再进行ARP地址解析协议的编写，然后加入IP包、UDP包。总共进行三层驱动的封装。3) 上位机的功能模块：PC机上需要完成的工作须要和下位机的功能一一对应，主要制作的是串口和USB通讯两个模块。串口模块制作相对简单。USB模块需要编制Windows驱动程序，工作相当冗长，且没有太
5、多的扩展价值，所以使用国际通用的驱动程序。即使如此，USB驱动程序的理解和使用，仍然是需要展开研究的一个单独功能块。另外，在硬件驱动完备的情况下，还需要制作应用软件的开发。在制作成功的情况下，本系统被杭州环亚多媒体公司所采纳，将其应用到智能小区和博物馆建设中去，已经得到了用户的充分认可和接受，完全达到了用户预期的效果。在具体应用中，对智能化小区和博物馆管理，起到了高效、廉价的双重作用。我们会按用户的实际需求变更而开发更多、更具体的产品。本系统无论从理论上还是实际上，都满足了客户的研发和实际需要，从理论角度讲，本系统采用了一系列高效率、低成本的策略，使得系统的拥有很高的理论价值；从实际出发，该系
6、统只要进行包装整合，就可以成为一种产品，其低廉的价格，可以被广大群众所接受。关键词智能家居，JTAG，ISP，UDP数据报AbstractThe author of this topic from a company in Ningbo for the development of intelligent access control systems to improve the version. The original requirements of the project is to do an ordinary building access control systems, user
7、s can make calls through the system to receive, opened the door, and other operations. In the latter part of project development, investment made to develop a research and development for the next step of the request. Its specific requirements for: the original on the basis of the communications pro
8、grammes and functions to make significant changes. The original close-up communications to remote communications; simple call to function smart remote control, the user interface using the most commonly used PC. This makes the system has a higher technology and practicality, and challenging, the pro
9、jects capacity for sustainable development has been significantly improved. The main topic of this work points the following three parts: 1) The crew of the functional modules: The crew used AVR microcontroller as the core components, intelligent home systems play a main controller of the central pr
10、ocessing components. In the system used in 28-pin ATmega8L. Its small size, low prices, speed is as fast and other chips, is suitable for small-scale development. The network communications chip connected to the AVR microcontroller on the SPI mouth, through high-speed serial communication network to
11、 exchange data transmission. In the system used in the new chip as the ENC28J60 network communications devices, the device features a comprehensive and convenient interface, has inherent advantages. AVR with a simulation of the ordinary pin USB communications ports, as from the device and PC communi
12、cations, intelligent home systems for the main controller of the initial configuration. As the non-use of additional chips, in power consumption, cost, size, can be a certain degree of compression. 2) The crew and the host computer communication modules: Hardware: the use of ENC28J60 Fast Ethernet c
13、ommunications chips as communications equipment modules, connected to the AVR microcontroller, through the SPI interface for communication. Software: ENC28J60 the bottom of the chip is a chip, working in the link layer. Therefore, its the most basic unit of communication MAC frame, users need to pre
14、pare drivers to gain control over it. MAC in the frame after a good package, and ARP ARP for the preparation, and then join the IP packet, UDP packets. A total of a three-tier driver package. 3) PC function modules: On a PC needs to be done to the crew and the function of one-to-one, is mainly produ
15、ced by the two serial and USB communications module. Serial production of relatively simple modules. USB module requires the preparation of Windows drivers, lengthy work, and do not have much of the expansion of value, so use international drivers. Even so, USB drivers understanding and use of resea
16、rch is still needed a separate function block. In addition, hardware drivers complete the circumstances, also need to produce application software development. In the production of successful cases, Hangzhou, round-the system was adopted by the multi-media companies, its application to the Intellige
17、nt Community and the building of the museum, the user has been fully recognized and accepted, the user fully met the desired results. In specific applications, the Intelligent Community and museum management, played a highly efficient, low-cost dual role. We will change the users actual needs and th
18、e development of more and more specific products. Whether the system in theory or in practice, to meet the clients R & D and actual needs, from the theoretical point of view, this system uses a series of high efficiency, low-cost strategy, making the system has a high theoretical value from the real
19、ity Starting the system for as long as the packaging integration, can become a product, its low price, can be accepted by the masses.Key words: Smart Home, JTAG, ISP, UDP diagram目录摘要iAbstractiii图目录IV第1章 绪论11.1 研究背景11.1.1 智能家居系统的国内外现状21.1.2 智能家居系统的一般解决方案31.1.3 基于网络的智能家居系统41.2 研究内容51.3 研究目标71.4 本文结构组织
20、71.5 本章小结8第2章 系统框架和AVR核心板开发92.1 系统总体框架和接口设计92.2 AVR单片机介绍102.3 选用AVR单片机的原因112.4 AVR调试工具ATmega16/32 核心板开发112.5 本章小结16第3章 基于ENC28J60的网络模块设计173.1 引言173.2 相关工作173.3 ENC28J60芯片介绍173.3.1 ENC28J60芯片概述173.3.2 ENC28J60外部连接方案203.4 网络模块开发方案253.5 底层驱动方案293.5.1 ENC28J60存储器构成293.5.2 ENC28J60控制寄存器303.5.3 以太网缓冲器313.
21、5.4 PHY和MII寄存器323.5.5 SPI通讯接口323.5.6 ENC20J60底层驱动的编程接口333.6 UDP数据报封装353.6.1 TCP/IP协议简介353.6.2 网络接口层设计363.6.3互联网层设计403.6.4传输层设计443.7 本章小结46第4章 USB数据通讯方案474.1 引言474.2 相关工作474.3 USB的功能以及工作方式474.3.1 USB功能简介474.3.2 USB数据传输细节484.3.3 USB开发方案介绍494.4 下位机软硬件开发514.4.1 下位机硬件系统514.4.2 下位机软件系统534.5 上位机软件开发以及驱动应用5
22、54.5.1 上位机软件开发框架554.5.2 USB驱动程序应用554.5.3 USB应用程序开发574.7 本章小结58第5章 外部设备驱动方案595.1 引言595.2 相关工作595.3 外围设备的继电器驱动方案595.3.1 继电器简介595.3.2 继电器的单片机驱动方案605.4 红外数据收发方案605.5 本章小结61第6章 系统实现和测试626.1 引言626.2 相关工作626.3 AVR单片机核心板的测试636.4 ENC28J60网络通讯板的测试646.5 USB通讯模块的测试676.6 继电器和红外模块的测试686.7 本章小结69第7章 总结与展望707.1 本文完
23、成的主要研究工作707.2 本文的主要贡献以及创新点707.3 进一步的研究工作71参考文献72攻读硕士学位期间主要的研究成果75致谢76图目录图2.1 系统总体框架和接口设计图9图2.2 系统复位电路图12图2.3 晶振电路图13图2.4 JTAG仿真接口电路图14图2.5 基于AVR的ATmega32单片机核心板15图2.6 核心板对外接口15图3.1 ENC28J60芯片图18图3.2 典型的ENC28J60外部接口方案图20图3.3 外部晶振连接图21图3.4 磁性元件、端接元件和其它外部元件图22图3.5 I/O电平转换图23图3.6 LED工作方式配置图24图3.7 LED工作方式
24、配置图25图3.8 网络模块的外部接口以及电源部分26图3.9 网络变压模块27图3.10 完整的网络模块解决方案28图3.11 ENC28J60存储器构成29图3.12 ENC28J60控制寄存器30图3.13 以太网缓冲器31图3.14 SPI通讯指令图32图3.15 TCP/IP协议层次图35图3.16 ENC28J60的MAC帧规范图37图4.1 AVR USB硬件原理图51图4.2 AVR USB硬件PCB图52图4.3 PROG_ISP烧写软件界面53图5.1 继电器驱动连接图60图5.2 红外载波发射图61图6.1 AVR单片机核心板测试图63图6.2 ENC28J60网络通讯板
25、图64图6.3同网段的UDP数据报收发测试图65图6.4不同网段的UDP数据报收发测试图66图6.5 USB通讯模块图67图6.6 USB通讯模块数据收发测试图68图6.7 红外数据收发测试图69第1章 绪论1.1 研究背景智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电和自动化设备，是集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利和环保的居住环境。它不仅具有传统意义上的居住功能，为人们提供安全舒适的家庭生活空间，而且可以通过高科技把智能引进您的家庭，为您提供全方位的信息交换功能，使家庭与外部保持信息交流畅通，为人们更有效合理的安排时间，增强家居生活的安全性，以及节约能源和资金。提
26、到智能化家居，人们立刻会联想到网络。冰箱上网、洗衣机上网、电视机上网、微波炉上网。开发者高举智能家居大旗，使网络家电可以使生活达到全数字化，让人们感到轻松方便。智能家居当然不止是这些。具体到一个智能家居的住宅里，它包括了家中的安防系统，智能照明系统，家庭智能化集成系统，家庭自动化控制系统和家庭多媒体娱乐系统等等。这些智能的功能不是您家中的电器有多豪华、有多昂贵就可以实现的，而是在于您家中的这些装置是否具有真正的智能。在国内外市场中广泛地存在着各种智能家居系统的雏形，例如：小区门禁系统、小区智能停车系统、家庭防盗系统等。但是，目前存在的智能家居系统存在着一系列的问题：1) 两极分化严重：智能家居
27、系统的定位问题十分突出，很多高端的产品并不能被绝大多数的普通用户接受；而低端的产品使用的技术陈旧、功能单一，不能够满足许多场合的要求。2) 系统资源存在着极大的浪费：许多高端产品盲目追求先进的技术，使用了很多最新的设备，而这些新的设备具有的强大功能却往往会产生资源浪费和不稳定性。如何寻找最物美价廉的解决方案是必须的。3) 高性能处理器的降价：随着ARM系列处理器不断推出新产品，老的芯片价格不断下跌，但是高昂的成本使得ARM处理器和单片机的价格仍然存在着非常大的差距。许多外围器件的选用也可以使开发难度和开发成本产生显著的变化。4) 选用合适的芯片：由ATMEL公司生产的AVR单片机拥有高性能的R
28、ISC核心，完全可以符合大部分的场合。而Microchip公司生产的新型ENC28J60芯片则比传统的网络通讯芯片有着开发难度和价格上的优势。因此，基于网络的智能家居系统解决方案，是可行的。本课题来自本文作者为宁波某公司开发的智能门禁系统的改进版本。项目的原始要求是做一个普通的楼房门禁系统，用户可以通过该系统进行呼叫、接听、开门等操作。在项目开发后期，投资商提出为下一步开发作出研发性的要求。其具体要求为：在原来的基础上，对通讯方案和功能作出重大的改动。把原来的近距离通讯改为远程通讯；简单的呼叫功能改为智能远程控制；用户的界面采用最常用的PC机。这样就使得系统拥有了更高的科技性和实用性，并且具有
29、挑战性，项目的可持续发展能力得到了显著的提高。1.1.1 智能家居系统的国内外现状由于中国的居住模式和文化与发达国家有很大的区别，所以智能家居在中国的发展也体现出其独具的特色。中国人口众多，城市住宅建设也多选择密集型的住宅小区方式，因此很多房地产商会站在整个小区智能化的角度来看待家居的智能化，也就出现了目前一统天下、无所不包的“智能小区”的模式。而欧美由于独体别墅的居住模式流行，因此住宅多散布城镇周边，没有一个很集中的规模，类似国内的“住宅小区”这样规模的居住区较少，因此，国外的住宅多与市政系统直接相同。这一点也可解释为什么美国仍盛行ADSL、Cable Modem等宽带接入方式，而国内光纤以
30、太网到小区、到楼的发展已经如火如荼。因此欧美的智能家居多独立安装，自成体系，比如美国的X10，欧洲的EIB协议（包括澳洲的C-BUS）等都是以独立的家庭为目标设计的。而国内习惯上将智能家居当作智能小区的一个子系统来考虑，这种做法在智能家居概念初始引进阶段应该说还是可行的，但随着智能家居的推广与需求的不断深入，人们开始“拷问”智能家居的真正意义与价值时，才发现“人性化“与“个性化”是智能家居的意义所在。因此，智能家居势将从现在的“千家一面”的一统模式中独立出来，成为一个可完全由业主自行选配的个性张扬空间。目前国内的智能家居产品应用技术基本上都是从先进发达国家引进，由国内自主开发的技术不多，由于昂
31、贵的技术专利费等因素，导致生产成本较高。而且高端的智能家居产品厂家基本以国外厂商为主，国产的智能家居产品贵几倍甚至几十倍，更使普通大众的智能家居产品购买力望尘莫及。以美国ABB、德国莫顿，美国GE、美国HONEYWELL、奥洲奇胜等为代表，一般别墅配置价基本最少10万元，舒适型一般都需要几十万元，这些产品目前主要为顶级富翁服务。自1998年，国内开始提出“智能家居”这个概念，同时通过社会的热炒，人们已对智能家居有了一定的认识，但由于没有真正适合市场的产品，所以真正的应用并没有太大的突破，倒是智能家居里最重要的组成部分家居安防及小区安防得到了迅猛的发展，而且技术上明显表现为以智能防范小区嵌套智能
32、防范家居的特点，这种技术特点目前已广泛地被市场接受，同时亦显现出其无比的竞争优越性。随着近年网络技术的日趋成熟和发展，更高层次的基于TCP/IP协议的数字社区及所捆绑的智能家居结构特点的应用，正浮出水面，并迅速被市场所接受，可以说，真正意义的智能家居，正迎来市场的大发展阶段。1.1.2 智能家居系统的一般解决方案1) 采用电话线路：该方案利用原有的电话线路，通过固定电话或者手机拨打家里的电话来进行远程控制智能家居系统。其优势是造价便宜，使用方便。但是需要对原有的电话线路进行改装，在使用上造成了许多不便。所以，一般家庭对其的接受程度大打折扣，实际使用非常少。2) 采用无线传输：采用无线传输的方案
33、有着其先天的优势，由于采用高频传输模块，传输距离和速度存在着一定的优越性。但是由于造价过高，并且高频难免带来一些辐射和额外功耗，另外还有一些兼容性的问题，使得系统的推广也变得非常困难。在实际应用中，这种方案也并不多见，常会被用于工业，而无法在普通家庭中进行广泛的推广。3) 采用网络传输：虽然网络传输本身需要大量的交换设备来进行一种广域网的维护和传播。但是我们可以使用原来就已经存在的家庭网络来进行这种特殊数据的传输，所以可以长期地把我们需要的智能家居设备连接在已有的网络上。在设备硬件的选择上，可以使用价格低廉的单片机和网络芯片组成一种极低功耗和成本的应用系统。在这一点上基于RISC构架的高性能单
34、片机AVR拥有着相当的优势。4) 其它方案：使用其它线路，例如有线电视、电力线路等等。可以从下述两个方面来看技术层面的发展趋势：1) 传输介质和通讯协议电缆，无线，电力线。更高的传输速度、更高质量的视听效果，更可靠的质量，更便宜的价格。由于历史的原因和各种传输介质自身的不同优势，这些介质将在智能家居系统中综合并存且有长期共存的趋势。2) 体系结构专用系统的简单叠加（目前多数系统采用的方案体系）统一总线的集成控制系统（目前少数系统采用）电话、Internet网络、有线电视和无线广播等融合的系统关于智能家居的标准问题，在国际上也没有统一和规范，目前也只是在局部的或者领域方面有些规范。例如CEB是消
35、费电子产品的行业标准、lonwork的工业标准和EIB的低压电气的安装标准等。1.1.3 基于网络的智能家居系统局域网络(TCP/IP)和IPv6是未来的智能家居主要的通讯协议，与常规的网络标准基本统一。以TCP/IP网络结构的数字社区,局域网的传输速度目前能做到百兆到桌面，若采用光纤到桌面的话还能达到千兆带宽。TCP/IP联网协议在智能小区方面的应用是整个智能小区技术的一次革命，它将声音、数据及图像统统进行数字化技术处理。因此整个小区的设备都是数字化产品。由于系统采用标准的TCP/IP通讯协议，处在网络上的每个设备都有一个固定的IP地址，其强大的数据处理能力能够实时地检测网上设备的在线状况。
36、现有的互联网是在I P v 4 协议的基础上运行。IPv6是下一版本的互联网协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将影响互联网的进一步发展。IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在20052010年间将被分配完毕，而IPv6采用128位地址空间，几乎可以不受限制地提供地址。IPv6的主要优势体现在以下几方面：扩大地址空间、提高网络的整体吞吐量、改善服务质量(QoS)、安全性有更好的保证、支持即插即用和移动性和更好实现多播功能。前期的“宣传”已经达到目的，完成了历史使命；“开发引进”是终端产品企业和公司当前的任务；“试点
37、和运行”是当前政府和集成商当前面临的任务；“普及和管理”是已经凸现问题而急待解决的事情。目前，智能家居已是商品房建设中一项非常热门的产品，它已被越来越多的中高档楼盘和别墅豪宅等所使用，我们认为，目前智能家居系列产品按市场需求热度排列，依次为：可视对讲、智能家居报警系统、信息发布及社区服务系统、智能灯光控制系统、网络远程监控系统、智能遮阳系统、远程家电控制与空调控制系统等。这些智能系统的使用使人们真正地体验到生活在时代最前端的快乐与便捷。管理和运行已经成为智能家居当前和未来的主要问题。1.2 研究内容本课题的主要研究内容全部由作者独立开发完成，包括所有功能模块的线路图设计、电路板制作、单片机以及
38、PC机程序设计。研究历时将近一年，经过反复调试验证，可以确保其可靠性、独创性。本课题的主要工作分以下三个部分：1) 下位机的功能模块：下位机采用AVR单片机作为核心部件，担当智能家居系统主控制器的中央处理部件。在本系统中采用28引脚的ATmega8L。它体积小，价格低，速度又和其它芯片一样快，非常适合做小型的开发。把网络通讯芯片连接到AVR单片机的SPI口上，通过高速的串行通讯来交换网络传输的数据。在本系统中使用新颖的ENC28J60芯片作为网络通讯器件，该器件功能全面，接口方便，有着先天的优势。连接一个LCD液晶模块到AVR单片机的普通引脚上，作为显示终端，以提供用户的可视化界面。在本系统中
39、采用串行通讯的Nokia5110液晶，该液晶具有体积小、速度快、价格低的优势，并且引脚数量少，可以大大节省单片机的引脚资源。用AVR的普通引脚模拟一个USB的通讯端口，作为从器件和PC机进行通讯，用来对智能家居系统主控制器的初始化配置。由于不使用额外的芯片，在功耗上、成本上、尺寸上，都可以进行一定程度的压缩。使用AVR的USART制作一个RS232的串口，作为备用通讯端口，当PC的USB口不能使用时，可以用串口进行通讯。制作单片机的外围设备驱动器，通过多种方式和家电进行通讯，可以：直接使用继电器进行电力驱动、采用红外线进行复杂的数据传递、使用GSM模块进行远程控制、使用蓝牙进行近距离高速的数据
40、通讯。2) 下位机和上位机的通讯模块：硬件上：使用ENC28J60快速以太网通讯芯片作为通讯模块的设备，连接到AVR单片机，通过SPI接口来进行通讯。软件上：ENC28J60芯片是一块底层的芯片，工作在链路层。所以，它的通讯最基本单位为MAC帧，用户需要自行编写驱动程序来对其进行控制。在封装好MAC帧以后，再进行ARP地址解析协议的编写，然后加入IP包、UDP包。总共进行三层驱动的封装。在本系统中，独立开发了UDP包的收发程序，历经三层数据交换；软硬件相结合。3) 上位机的功能模块：PC机上需要完成的工作须要和下位机的功能一一对应，主要制作的是串口和USB通讯两个模块。串口模块制作相对简单。U
41、SB模块需要编制Windows驱动程序，工作相当冗长，且没有太多的扩展价值，所以使用国际通用的驱动程序。即使如此，USB驱动程序的理解和使用，仍然是需要展开研究的一个单独功能块。另外，在硬件驱动完备的情况下，还需要制作应用软件的开发。1.3 研究目标本课题的研究目标为：使用AVR单片机作为主控芯片，ENC28J60为网络通讯芯片，配合外围电路和其它设备，搭建基于网络UDP数据报的智能家居系统，实现家电控制、智能安防、远程控制等功能，并完成智能家居主控制器的操作系统平台。1.4 本文结构组织根据上述研究内容和研究目标，文章其余部分内容组织如下：第二章：阐述本系统的基本需求和AVR单片机核心板设计
42、。首先，介绍系统的整体组成框架，包括系统的文字阐述和结构图。主要包括核心板和网络模块、USB模块、外设模块等的连接方案和协议构成。第三章：研究本系统的核心部件ENC28J60芯片的开发方案，包括ENC28J60硬件规格、外部连接、接口方案、布线规则等。还包括ENC28J60的底层软件驱动程序开发。在完成硬件方案的情况下，还须要调用ENC28J60的底层驱动程序，封装网络协议，直至可以方便地调用UDP数据报协议来进行局域网内和广域网上的数据通讯。第四章：本章研究了本系统的USB数据通讯方案。包括USB的下位机，即AVR单片机的实现方案。还包括USB的上位机开发，即USB的Windows驱动程序开
43、发，以及如何来Windows应用程序中调用驱动程序的接口。另外还须要包括上位机和下位机的通讯方案和接口规范。整个方案使用AVR单片机软件模拟的方式，避免额外芯片的开销。第五章：本章研究本系统中的几种典型外设通讯接口。直接连接：直接和外设电器的电源相连接，使用继电器的方式来对外设进行电源的驱动。红外连接：模拟电器的红外线遥控器的协议，进行对外设的驱动，要求比较严格。第六章：本章对全文内容进行了总括，回顾了本文的主要研究内容，归纳了本文的主要贡献以及创新点，并指出进一步可以进行研究的内容，作为下个阶段研究的重点。1.5 本章小结在本章中，我们首先介绍了国内外智能家居系统发展的国内外现状，使得系统的
44、开发方向和目标有明确的要求。然后，对智能家居的类型进行了初步的探讨，选定一种物美价廉的方案来进行针对性的开发。在确定了开发目标以后，就可以深入地进行解决方案的展开讨论。第2章 系统框架和AVR核心板开发本系统是基于AVR单片机的网络智能家居系统，主要分为：AVR单片机核心板、网络模块、USB通讯模块、外设驱动模块等。作为所有媒体的载体，AVR核心板是首当其冲的中心运算组件，在本章中将讨论系统框架和核心板的制作。2.1 系统总体框架和接口设计本系统的需求结构图如下：AVR单片机ATmega32核心板软件模拟USB接口PC上位机ENC28J60网络芯片Windows USB驱动RJ45网络变压器L
45、AN或WAN各类外设接口电路外部电器或遥控器串口和其它备用接口Windows应用程序备用上位机接口远程控制终端图2.1 系统总体框架和接口设计图在本系统中，采用先进的核心板功能模块开发方式。由于ATmega8没有调试功能，核心板在调试阶段使用具有JTAG在线单步仿真功能的ATmega32芯片作为开发工具，当整个项目完工以后直接移植到ATmega8芯片上去。2.2 AVR单片机介绍AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器
46、仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR的主要特性：高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位,一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做
47、法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。综上所述，AVR单片机博采众长，又具独特技术，不愧为8位机中的佼佼者。由于开发需要，单片机的开发必须拥有良好的调试平台，在本系统的AVR单片机使用集成开发平台AVR Studio 4.0进行开发，由于ATEML的官方平台AVR Studio只有汇编功能，所以加载了第三方工具WinAVR进行C语言的开发。在硬件上，使用JTAG下载功能的芯片ATmega32来进行芯片内容的写入，关于JTAG接口的具体连接下载方案在下面会展开描述。对于
