基于单片机的光纤通信接口设计
基于单片机的光纤通信接口设计[20200410140658]
摘 要
由于近年来，信息化技术的迅猛发展，人们对于图像、语音、数据等数码通信的需求也越来越高。而现阶段的以太网已经不能满足人们的需求，而光纤通信具有传输距离长、保密性好、信息容量大等优点，因此，光纤通信的信息建设具有十分重要的意义。
本次的毕业设计的主控制器用STC12C5A单片机来实现，HFBR-1414光纤模块为数据传输协议，显示器采用具有I2C接口的显示器，系统的设计过程之中先利用Protel来设计系统的原理图，再制作PCB版图，硬件电路板制作好以后再利用keil-C编写单片机控制程序，实现光纤数据的传输与显示；系统最终实现了通过按键控制OLED显示不同方案的控制。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机；光纤通信；OLEDMCU-basedfiber-opticcommunicationinterfacedesign
目 录
1 引言 2
1.1 研究背景 2
1.2 研究目的 2
2 设计方案 4
2.1 设计要求 4
2.2 设计方案 4
2.3 器件选型 4
2.3.1 控制器选型 4
2.3.2 显示器选型 5
2.4 软件工具 6
3 硬件设计 7
3.1 单片机介绍 7
3.1.1 STC12C5A单片机 7
3.1.2 单片机的晶振复位电路 8
3.2 光纤电路设计 9
3.2.1 HFBR-1414发射器简介 9
3.2.2 HFBR-1414的驱动电路设计 10
3.3 LED驱动电路 11
3.4 电源电路 11
3.5 硬件电路图设计 12
4 软件设计 15
4.1 软件设计思路 15
4.2 软件总设计 15
4.3 光纤通信模块程序设计 16
4.4 OLED显示模块程序设计 19
5 硬件模型的制作和调试 23
5.1 硬件制作 23
5.2 电路板的调试 23
5.3 系统实现功能 24
总结与展望 25
参考文献 26
致谢 27
附录 I 原理图 28
附录II 部分程序 30
引言
1.1 研究背景
由于科学的进步和信息化水平的提高，人类的生产和生活的要求越来越高，信号传输率的实际需要增强。电力通信系统的通信速率通常提高增加电路的复杂性，易于受到外部的电磁干扰影响。从电磁干扰和带宽的激光，保密性好，提高光学元件的制造技术，使其在短距离高速通信领域日益显示出其独特的魅力。
光纤通发展迅猛是因为它有很多优点:1)信息的传输容量比较大、距离比较远; 2）信号的串扰，安全性能好； 3)材料来源丰富,对于环境保护起到积极作用;4)没有辐射,保密性好;5)光缆的使用范围和寿命优秀。
1.2 研究目的
本论文主要是设计一个基于单片机的简单的光纤通信系统，该系统的主要光发射模块，光接收模块，液晶显示模块。HFBR-1414将电信号转换成光信号，HFBR-2412将接收到的光信号转换成电信号。信号传输是通过单片机的双机通信来实现的。为完成上述目的本次设计需要从以下四个方面进行研究：
1，51单片机外围电路和软件的设计方法研究，单片机的程序；
2、学习光纤通信的基本原理，设计光纤通信的硬件电路图；
3、学习原理图绘制软件Altium Designer，绘制系统的硬件原理图；
4、完成系统的硬件和软件设计，并进行系统调试，实现两个模块之间的数据通信；
完成上述功能之后，需要对其原理进行简单的介绍，本论文主要从以下几章进行介绍；
第一章：引言，主要介绍该课题的研究背景以及研究意义；
第二章：总结了设计中，主要介绍了系统的总体设计思想，硬件设计和软件，有一个全面、系统的了解；
第三章：硬件设计，主要介绍系统的硬件电路设计，分别从芯片功能、芯片功能以及应用电路等三部分进行阐述；
第四章：软件设计，主要描述系统的软件设计方法，并给出系统整体设计流程图以及各模块设计的流程图；
第五章：系统调试，主要介绍在在设计过程当中遇到的一些困难以及调试方法等；
第六章：总结与展望，主要是介绍本系统实现的功能以及从在的不足之处；
2 设计方案
2.1 设计要求
设计一简易光纤通信系统。通过HFBR-1414将电信号转换成光信号发送出去，再由HFBR-2412将光信号转换成电信号接收。通过单片机实现通信信号传输。
2.2 设计方案
本设计由单片机的晶振电路、复位电路、电源电路以及光纤模块组成，单片机和光纤模块之间的通信方式为串行通信，此次设计中以单片机STC12C5A单片机为主控制器，两个单片机直接通过光纤模块进行数据通信，通过对不同数据的传输实现对LED的控制。系统组成结构如图 2 1所示。
图 2 1 硬件总体设计框图
2.3 器件选型
2.3.1 控制器选型
依据设计任务，控制器的作用主要是用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲，并对电机当前速度采集及处理，算出当前所需输出的占空比脉冲。在控制器的选择两种方案。
方案一：STM32单片机是ARM公司为有高性能、比较低的成本和低功耗要求的嵌入式应用而专门设计的32位Cortex-M3内核。其性能特点有：最高时钟频率达到72MHz；内置64K或128K的字节的闪存程序存储器和高达20K字节的SRAM；有7个DMA控制器，支持定时器、ADC、SPI和USART等多种外设；多达9个通信接口，包括2个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口、1个CAN接口和1个USB2.0全速接口；多达7个定时器、80个快速I/O端口；具有串行单线调试（SWD）和JTAG接口；有睡眠，停止和备用的三种模式；低功耗，功能齐全的图书馆。单片机性能比较高。
方案二：51系列单片机是8位单片机，目前应用也是比较广泛的一种，它广泛的应用在工业测控系统中。其主要的功能包括：8位的CPU；4K的程序存储器（ROM），256字节数据存储器；32条I/O口线，21个专用的寄存器；2个可编程定时/计数器；5个中断源，2个优先级；一个全双工串行通信口；外部数据存储器寻址空间为64KB，有逻辑操作位寻址功能；单一+5V电源供电。然而，因为它的片上资源比较少，不适合做低功耗设备控制器。
以上两种方案相比较，STM32单片机虽然具有丰富的外设接口，在处理能力和驱动能力两方面都明显高于51单片机，但是由于本次设计需求的外设接口很少，且价格方面51单片机又占很大的优势，所以从多方面考虑还是选择51单片机作为主控制器。
2.3.2 显示器选型
方案一：LED数码管显示
LED数码管是由多个与“8”型器件的发光二极管封装，铅已经在内部完成，只需要了解各种手势，一个共同的电极。LED数码管常用的数字7段与一个小数点。七段数码管的软件设计部分非常简单，显示亮度高。七段数码管分为共阴和阳两个，必须用一个限流电阻限流[ 4 ]。
方案二：LCD液晶显示
低功耗，小尺寸液晶显示是液晶显示屏具有的特点，显示的内容丰富，轻薄等。低功耗应用系统，液晶显示器的使用越来越得到普及。字符型的液晶显示屏，是用5*7点阵图形显示字符的液晶显示器，按显示容量分为1行16个字、2行16个字以及2行20个字等。液晶显示器具有节省空间，无辐射，机身薄，省电，不产生高温等优点。
上述比较，数码管体积大，耗电也比较大，占用单片机I/O口多；但液晶显示器的功耗小，单片机I/O端口占用少。因此选择方案二，本次系统选用的具有I2C接口的OLED显示器。
2.4 软件工具
基于单片机的每个端口设置系统，并选择串行工作方式和定时器，并对串行口和定时器进行初始化来实现对各个功能模块芯片和单片机之间通讯和联络的设定。在主程序模块我们关键是使单芯片的初始化，以及在每个变量替换程序的地址空间的分配。其中最关键的是各功能模块子程序。
摘 要
由于近年来，信息化技术的迅猛发展，人们对于图像、语音、数据等数码通信的需求也越来越高。而现阶段的以太网已经不能满足人们的需求，而光纤通信具有传输距离长、保密性好、信息容量大等优点，因此，光纤通信的信息建设具有十分重要的意义。
本次的毕业设计的主控制器用STC12C5A单片机来实现，HFBR-1414光纤模块为数据传输协议，显示器采用具有I2C接口的显示器，系统的设计过程之中先利用Protel来设计系统的原理图，再制作PCB版图，硬件电路板制作好以后再利用keil-C编写单片机控制程序，实现光纤数据的传输与显示；系统最终实现了通过按键控制OLED显示不同方案的控制。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:单片机；光纤通信；OLEDMCU-basedfiber-opticcommunicationinterfacedesign
目 录
1 引言 2
1.1 研究背景 2
1.2 研究目的 2
2 设计方案 4
2.1 设计要求 4
2.2 设计方案 4
2.3 器件选型 4
2.3.1 控制器选型 4
2.3.2 显示器选型 5
2.4 软件工具 6
3 硬件设计 7
3.1 单片机介绍 7
3.1.1 STC12C5A单片机 7
3.1.2 单片机的晶振复位电路 8
3.2 光纤电路设计 9
3.2.1 HFBR-1414发射器简介 9
3.2.2 HFBR-1414的驱动电路设计 10
3.3 LED驱动电路 11
3.4 电源电路 11
3.5 硬件电路图设计 12
4 软件设计 15
4.1 软件设计思路 15
4.2 软件总设计 15
4.3 光纤通信模块程序设计 16
4.4 OLED显示模块程序设计 19
5 硬件模型的制作和调试 23
5.1 硬件制作 23
5.2 电路板的调试 23
5.3 系统实现功能 24
总结与展望 25
参考文献 26
致谢 27
附录 I 原理图 28
附录II 部分程序 30
引言
1.1 研究背景
由于科学的进步和信息化水平的提高，人类的生产和生活的要求越来越高，信号传输率的实际需要增强。电力通信系统的通信速率通常提高增加电路的复杂性，易于受到外部的电磁干扰影响。从电磁干扰和带宽的激光，保密性好，提高光学元件的制造技术，使其在短距离高速通信领域日益显示出其独特的魅力。
光纤通发展迅猛是因为它有很多优点:1)信息的传输容量比较大、距离比较远; 2）信号的串扰，安全性能好； 3)材料来源丰富,对于环境保护起到积极作用;4)没有辐射,保密性好;5)光缆的使用范围和寿命优秀。
1.2 研究目的
本论文主要是设计一个基于单片机的简单的光纤通信系统，该系统的主要光发射模块，光接收模块，液晶显示模块。HFBR-1414将电信号转换成光信号，HFBR-2412将接收到的光信号转换成电信号。信号传输是通过单片机的双机通信来实现的。为完成上述目的本次设计需要从以下四个方面进行研究：
1，51单片机外围电路和软件的设计方法研究，单片机的程序；
2、学习光纤通信的基本原理，设计光纤通信的硬件电路图；
3、学习原理图绘制软件Altium Designer，绘制系统的硬件原理图；
4、完成系统的硬件和软件设计，并进行系统调试，实现两个模块之间的数据通信；
完成上述功能之后，需要对其原理进行简单的介绍，本论文主要从以下几章进行介绍；
第一章：引言，主要介绍该课题的研究背景以及研究意义；
第二章：总结了设计中，主要介绍了系统的总体设计思想，硬件设计和软件，有一个全面、系统的了解；
第三章：硬件设计，主要介绍系统的硬件电路设计，分别从芯片功能、芯片功能以及应用电路等三部分进行阐述；
第四章：软件设计，主要描述系统的软件设计方法，并给出系统整体设计流程图以及各模块设计的流程图；
第五章：系统调试，主要介绍在在设计过程当中遇到的一些困难以及调试方法等；
第六章：总结与展望，主要是介绍本系统实现的功能以及从在的不足之处；
2 设计方案
2.1 设计要求
设计一简易光纤通信系统。通过HFBR-1414将电信号转换成光信号发送出去，再由HFBR-2412将光信号转换成电信号接收。通过单片机实现通信信号传输。
2.2 设计方案
本设计由单片机的晶振电路、复位电路、电源电路以及光纤模块组成，单片机和光纤模块之间的通信方式为串行通信，此次设计中以单片机STC12C5A单片机为主控制器，两个单片机直接通过光纤模块进行数据通信，通过对不同数据的传输实现对LED的控制。系统组成结构如图 2 1所示。
图 2 1 硬件总体设计框图
2.3 器件选型
2.3.1 控制器选型
依据设计任务，控制器的作用主要是用于产生占空比受数字PID算法控制的PWM脉冲，并对电机当前速度采集及处理，算出当前所需输出的占空比脉冲。在控制器的选择两种方案。
方案一：STM32单片机是ARM公司为有高性能、比较低的成本和低功耗要求的嵌入式应用而专门设计的32位Cortex-M3内核。其性能特点有：最高时钟频率达到72MHz；内置64K或128K的字节的闪存程序存储器和高达20K字节的SRAM；有7个DMA控制器，支持定时器、ADC、SPI和USART等多种外设；多达9个通信接口，包括2个I2C接口、3个USART接口、2个SPI接口、1个CAN接口和1个USB2.0全速接口；多达7个定时器、80个快速I/O端口；具有串行单线调试（SWD）和JTAG接口；有睡眠，停止和备用的三种模式；低功耗，功能齐全的图书馆。单片机性能比较高。
方案二：51系列单片机是8位单片机，目前应用也是比较广泛的一种，它广泛的应用在工业测控系统中。其主要的功能包括：8位的CPU；4K的程序存储器（ROM），256字节数据存储器；32条I/O口线，21个专用的寄存器；2个可编程定时/计数器；5个中断源，2个优先级；一个全双工串行通信口；外部数据存储器寻址空间为64KB，有逻辑操作位寻址功能；单一+5V电源供电。然而，因为它的片上资源比较少，不适合做低功耗设备控制器。
以上两种方案相比较，STM32单片机虽然具有丰富的外设接口，在处理能力和驱动能力两方面都明显高于51单片机，但是由于本次设计需求的外设接口很少，且价格方面51单片机又占很大的优势，所以从多方面考虑还是选择51单片机作为主控制器。
2.3.2 显示器选型
方案一：LED数码管显示
LED数码管是由多个与“8”型器件的发光二极管封装，铅已经在内部完成，只需要了解各种手势，一个共同的电极。LED数码管常用的数字7段与一个小数点。七段数码管的软件设计部分非常简单，显示亮度高。七段数码管分为共阴和阳两个，必须用一个限流电阻限流[ 4 ]。
方案二：LCD液晶显示
低功耗，小尺寸液晶显示是液晶显示屏具有的特点，显示的内容丰富，轻薄等。低功耗应用系统，液晶显示器的使用越来越得到普及。字符型的液晶显示屏，是用5*7点阵图形显示字符的液晶显示器，按显示容量分为1行16个字、2行16个字以及2行20个字等。液晶显示器具有节省空间，无辐射，机身薄，省电，不产生高温等优点。
上述比较，数码管体积大，耗电也比较大，占用单片机I/O口多；但液晶显示器的功耗小，单片机I/O端口占用少。因此选择方案二，本次系统选用的具有I2C接口的OLED显示器。
2.4 软件工具
基于单片机的每个端口设置系统，并选择串行工作方式和定时器，并对串行口和定时器进行初始化来实现对各个功能模块芯片和单片机之间通讯和联络的设定。在主程序模块我们关键是使单芯片的初始化，以及在每个变量替换程序的地址空间的分配。其中最关键的是各功能模块子程序。
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