Lei Feng Fab Academy 2025

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网络与通信技术 ​

课程概要 ​

本周课程讲解了网络通信的基础知识及其在制造项目中的应用。我们学习了各种有线通信协议(如串行通信、SPI、I2C等)和无线通信协议(如WiFi、蓝牙等)。课程强调了网络通信不仅用于远距离连接，还可以作为系统架构的重要组成部分，用于实现模块化、并行处理和干扰隔离。

详细的课程内容介绍 ​

1. 网络通信的基本概念与用途 ​

网络通信在项目中的作用不仅限于远距离连接设备，还有以下几个重要目的：

  • 位置连接：连接不同物理位置的设备
  • 并行处理：通过多处理器分担任务，每个处理器负责特定功能
  • 模块化设计：允许系统按模块分解，便于独立开发、测试和重新配置
  • 干扰隔离：将高电压/高电流部分与敏感电路分开，减少电气干扰

2. 有线通信技术 ​

2.1 异步串行通信 ​

异步串行通信是最基本的通信方式，通过高低电平变化传输数据。

常见标准：

  • RS-232、RS-422、RS-485等

三种常用的串行通信方法：

  1. 串行广播：
    • 使用一个主机和多个节点
    • 每个节点具有唯一地址
    • 主机向所有节点广播，节点识别自己的地址并响应
    • 代码实现：使用软件"bit-banging"可以在任何引脚上实现，不需要专用硬件
  2. 跳数计数法(Hop Count)：
    • 节点串联连接（输出连接到下一个节点的输入）
    • 消息经过每个节点时增加计数值
    • 末端节点自动识别并发送返回消息
    • 适用于像LED条这样的设备，不需要预设地址
  3. 广播跳数混合法(Broad Hop)：
    • 结合广播和跳数计数的优点
    • 发送时使用广播（快速到达所有节点）
    • 接收时使用跳数（识别节点位置）
    • 适合有一个主控设备的网络架构

2.2 同步串行通信 ​

同步串行通信使用单独的数据线和时钟线，时钟线指示何时读取数据，有更好的同步性能。

两种主要的同步串行协议：

  1. SPI (Serial Peripheral Interface)：
    • 使用四条线：数据输出、数据输入、片选、时钟
    • 主要用于处理器与外设（如存储卡）之间的通信
    • 实例应用：SD卡接口
      • 可以为项目添加GB级的非易失性存储
      • 使用FAT文件系统格式化
      • 通过库函数简化访问
  2. I2C (Inter-Integrated Circuit)：
    • 使用两条线：SCL（时钟）和SDA（数据）
    • 通过上拉电阻实现双向通信
    • 每个设备需要预设地址
    • 多用于连接传感器和显示器等外设

2.3 异步无时钟协议 ​

ATP (Asynchronous Token Protocol)：

  • 设计用于不需要共享时钟的通信
  • 使用令牌传递机制
  • 允许不同速度的处理器相互通信
  • 可以随时停止和恢复通信
  • 适用于实时系统和异构处理器

2.4 其他有线通信协议 ​

  • USB：通用串行总线，可以使用库实现各种USB配置文件（键盘、鼠标、MIDI设备等）
  • 以太网：高速网络通信
  • CAN、LIN、MODBUS、DMX：用于工业、汽车和灯光控制系统

3. 无线通信技术 ​

3.1 无线通信基础 ​

  • 无线电基本组件：振荡器、混频器、功率放大器、低噪声放大器、中频、I/Q、解调器、基带处理器、滤波器
  • 天线知识：谐振频率、天线增益、阻抗匹配
  • 单芯片无线电：集成了所有无线电功能的芯片，简化设计

3.2 WiFi和蓝牙通信 ​

ESP32系列：

  • ESP32-C3（5美元左右）：支持WiFi和蓝牙
  • 通过MicroPython可以轻松实现：
    • Web服务器功能
    • Web客户端功能
    • 蓝牙串口通信

实际应用示例：

  1. WiFi应用：
    • 将处理器设置为接入点
    • 通过Web浏览器控制LED开关
    • 使用按钮发送消息到浏览器
  2. 蓝牙应用：
    • 使用手机应用或支持Web蓝牙的浏览器连接
    • 实现无线控制和数据传输
    • 可用于远程控制和手机接口

3.3 其他无线技术 ​

  • RFID/NFC：使用MFRC522模块实现近场通信，可用于标签识别
  • ISM频段无线电：如nRF24L01+，适用于简单的点对点通信
  • LoRa：长距离低功耗通信，适用于城市规模的网络

4. 网络协议与结构 ​

  • OSI七层模型：从物理层到应用层的网络通信结构
  • 无线频率规范：不同地区有不同的频率分配和功率限制
  • 调制技术：PCM、FSK、PSK、QAM等不同的信号调制方式
  • 信道共享：TDMA、FDMA、CSMA等多址接入技术
  • Internet协议：IP、TCP/UDP、HTTP等标准互联网协议

作业要求 ​

个人作业： ​

设计、构建并连接有线或无线节点网络，要求：

  1. 节点具有网络或总线地址
  2. 节点具有本地输入和/或输出设备
  3. 实现节点间通信
  4. 可以将通信功能集成到最终项目中，作为模块化系统的一部分

小组作业： ​

在两个项目之间发送消息，实现跨项目通信。

学习资源 ​

有线通信资源 ​

  1. 串行通信：
  2. I2C和SPI：
  3. USB通信：

无线通信资源 ​

  1. WiFi和蓝牙：
  2. RFID和其他无线技术：
  3. 天线和无线电基础：

网络协议资源 ​

  1. Internet协议：
  2. Python网络编程：
  3. 网络分析工具：

通过掌握这些网络通信技术，你将能够设计更复杂、更模块化的项目，实现设备间的高效通信和协作。