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1 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器簡介 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點(diǎn)檢測發(fā)展;從被動檢測向主動進(jìn)行信息處理方向發(fā)展;從就地測量向遠(yuǎn)距離實(shí)時在線測控發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化使得傳感器可以就近接入網(wǎng)絡(luò)，傳感器與測控設(shè)備間再無需點(diǎn)對點(diǎn)連接，大大簡化了連接線路，易于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器一般由信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元組成。這3個單元可以是采用不同芯片構(gòu)成合成式的，也可以是單片式結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的核心便是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器具有體積小、功耗低、可靠性高、可抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)就是采用嵌入式微處理器作為核心，使用數(shù)字式的溫度傳感器作為采集單元。系統(tǒng)設(shè)計中采用的是信息技術(shù)領(lǐng)域最新的B/S(Brower/Server，瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)，用瀏覽器作為統(tǒng)一的客戶端，無需安裝軟件，使用起來更加方便。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2.1 總體框架 采用的嵌入式微處理器LPC2210是基于一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器。功耗極低，具有多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個外部中斷，特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng);由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟Modem以及其他類型的應(yīng)用。 該嵌入式Web智能溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計的總體框架如圖1所示。 2.2 電源模塊 LPC2200系列ARM7微控制器均要使用2組電源，I/O口供電電源為3.3 V，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1.8 V應(yīng)用系統(tǒng)。如圖2所示，首先由CZl電源接口輸入9 V直流電源，二極管D1防止電源反接，經(jīng)過C1和C2兩個電容進(jìn)行濾波;然后，通過LM7805將電源穩(wěn)壓至5 V，再使用LDO芯片(低壓差電源芯片)穩(wěn)壓輸出3.3 V及1.8 V電壓。 2.3 溫度傳感器 溫度傳感器采用單線數(shù)字溫度傳感器DSl8820，該傳感器是Maxim公司生產(chǎn)的、屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。測溫范圍較廣，為一55～+125℃，固有測溫分辨率為O.5℃。其支持“一線總線”接口，即從DSl8820讀出信息或向DSl8820寫入信息僅需要一根口線(單線接口)。溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DSl8820供電，而無需額外電源。DSl8820集溫度測量、A/D轉(zhuǎn)換于一體，可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。 DS18820與微處理器LPC2210的連接圖如圖3所示。注意，應(yīng)加入一個阻值為5.1 kΩ的上拉電阻。 2.4 網(wǎng)絡(luò)接口 網(wǎng)絡(luò)接口采用的是目前比較常用的lO Mbps嵌入式以太網(wǎng)控制芯片RTL8019。它是一種高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)部集成了DMA控制器、ISA總線控制器、16 KB SRAM和網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器。用戶可以通過DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)SRAM中，讓芯片自動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去;而芯片在接收到數(shù)據(jù)后，用戶也可以通過DMA方式將其讀出。 RTL8019AS與LPC2210一般通過外部總線進(jìn)行連接，其連接關(guān)系如表1所列。 由表1可知，RTL8019AS使用LPC2210外部存儲控制的Bank2部分，而RTL8019AS的I/O地址為0x00300～Ox0031F，所以RTL8019AS在SA8=l、SA5=O時選通，其數(shù)據(jù)地址為0x83400000～Ox83400001F。 NET_RST為LPC2210輸出引腳，RTL8019AS中斷信號為中斷輸入信號，且為外部中斷。RTL8019AS的SDO～SDl5串了一個470 Ω電阻連接到LPC2210的D0～D15。此外，該系統(tǒng)還加入了LCM接口，可以直接支持SMG240128A點(diǎn)陣圖形液晶模塊，便于通過液晶實(shí)時顯示傳感器所接收的溫度。 3 系統(tǒng)軟件分析 3.1 總體設(shè)計 系統(tǒng)開發(fā)采用的是ARM公司的ADS1.2作為開發(fā)編譯環(huán)境。移植了μC/OS—II操作系統(tǒng)，主要采用C語言編寫。將μC/OS—II移植到ARM處理器上，需要修改3個與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件：OS_CPU.H、0S_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。具體移植請參考相關(guān)書籍。 程序首先調(diào)用OSinit()初始化μC/OS—II，完成對操作系統(tǒng)內(nèi)部一些變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏定義的初始化。在開始多任務(wù)之前，還需建立一個名為Task0()的任務(wù)，這一點(diǎn)是非常重要的，否則用戶的應(yīng)用程序就會崩潰。主任務(wù)中首先調(diào)用TargeTInit()函數(shù)將目標(biāo)板初始化，模板中包含這個初始化函數(shù)，它完成對板上硬件的一些初始化工作。之后啟動多任務(wù)環(huán)境，創(chuàng)建3個任務(wù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最終的目標(biāo)。這3個任務(wù)包括：傳感器對溫度的采集和處理;溫度比較與液晶顯示;建立Web服務(wù)器。下面對設(shè)計過程中比較關(guān)鍵問題進(jìn)行詳細(xì)的闡述。 3.2 軟件設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題 3.2.1 傳感器的溫度采集 在對傳感器數(shù)據(jù)采集的軟件編程中，采用的是單線總線協(xié)議。通過單線總線訪問DSl8820的協(xié)議包括：初始化DSl8820、ROM操作命令、存儲器操作命令和讀數(shù)據(jù)/處理數(shù)據(jù)。 根據(jù)DSl8820的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫3個子程序：Init_DSl8820為初始化子程序;WriteOneChar為寫(命令或數(shù)據(jù))子程序;ReadOneChar為讀數(shù)據(jù)子程序。所有的數(shù)據(jù)讀/寫均由最低位開始。 該系統(tǒng)的讀字節(jié)子程序的流程如圖4所示。 溫度傳感器采集的關(guān)鍵任務(wù)程序代碼如下： 3.2.2 Web服務(wù)器的建立 要在微處理器中建立Web服務(wù)器，主要需要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的移植。設(shè)計中主要采用ZLG/IP軟件包，它是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的TCP/IP協(xié)議棧，是ZLG系列中間件的重要成員之一。ZLG/IP提供實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)上IP接點(diǎn)的功能，是一種高性能的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧軟件。它使用μC/OS—II實(shí)時操作系統(tǒng)的信號機(jī)制來實(shí)現(xiàn)一個多任務(wù)并行、可重入的協(xié)議棧，完全使用ANSI C編寫，可以像μC/OS—II那樣支持多種CPU。ZLG/IP還具有層次清晰、易于升級和修改等特點(diǎn)。該ZLG/IP軟件包具體可見參考文獻(xiàn)。 ZLG/IP采用模塊化層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。 圖5中，TCP/IP應(yīng)用程序是用戶自己編寫的μC/OS—II任務(wù)，是ZLG/IP的使用者，位于整個程序的最高層。TCP/IP應(yīng)用程序調(diào)用ZLG/IP提供的Socket API接口函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的操作。Socket API接口位于TCP/IP協(xié)議與應(yīng)用程序之間，是用戶操作協(xié)議棧程序的工具，在應(yīng)用程序中通過調(diào)用Socket API接口函數(shù)來對協(xié)議棧軟件進(jìn)行操作。TCP、UDP處理模塊是協(xié)議棧程序中處理傳輸層協(xié)議的模塊，負(fù)責(zé)對傳輸層的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和解拆，保存?zhèn)鬏攲舆B接狀態(tài)。點(diǎn)劃線內(nèi)部就是接收處理，包括IP報、ARP報、ICMP報的處理，及以太網(wǎng)層的數(shù)據(jù)接收驅(qū)動。接收驅(qū)動模塊在接收到數(shù)據(jù)后先進(jìn)行分類，若是IP報就由IP處理模塊處理，若是ARP報就進(jìn)行ARP協(xié)議處理。ARP請求報調(diào)用以太網(wǎng)發(fā)送模塊發(fā)送ARP應(yīng)答報。IP處理模塊把數(shù)據(jù)分類，TCP或UDP報則轉(zhuǎn)由上層的傳輸層模塊處理，而ICMP協(xié)議處理模塊負(fù)責(zé)對IC—MP協(xié)議進(jìn)行處理。IP發(fā)送模塊負(fù)責(zé)封裝IP報，并把封裝好的IP報傳送到下層發(fā)送模塊。IP發(fā)送模塊有4個上層模塊調(diào)用：分別是Socket API接口、UDP處理、TCP處理和ICMP處理。它們把相應(yīng)的參數(shù)傳送給IP發(fā)送模塊，由IP發(fā)送模塊來封裝。Ethernet發(fā)送驅(qū)動模塊是屬于以太網(wǎng)層的處理模塊，負(fù)責(zé)封裝以太網(wǎng)報和數(shù)據(jù)的發(fā)送，調(diào)用它的模塊有ARP處理模塊和IP發(fā)送模塊。 由于使用的是B/S結(jié)構(gòu)，則編程是采用的是TCP通信的Socket API。編寫TCP通信的任務(wù)時分為服務(wù)器方式和客戶機(jī)方式兩種。服務(wù)器方式是需要*連接，只有在與客戶機(jī)建立連接后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。客戶機(jī)方式是主動連接服務(wù)器，也是在連接成功后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖6是TCP通信時服務(wù)器端和客戶機(jī)端通信的函數(shù)應(yīng)用圖。 在編程時溫度傳感器有其唯一的一個IP地址，即192.168.O.174。子網(wǎng)掩碼是255.255.255.0，網(wǎng)關(guān)地址與IP地址相同。Web服務(wù)器建立在微處理器中，個人PC機(jī)為客戶端，當(dāng)個人需要查詢溫度傳感器的值時，通過HTTP協(xié)議在瀏覽器中輸入該傳感器的IP地址(即ht—tp：//192.168.O.174)，便可進(jìn)入該系統(tǒng)的網(wǎng)頁溫度瀏覽界面。 Web服務(wù)器任務(wù)程序代碼如下： 結(jié) 語 本系統(tǒng)已經(jīng)過測試運(yùn)行良好，能方便地通過瀏覽器實(shí)時查詢溫度傳感器所采集的溫度值。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是如今傳感器技術(shù)發(fā)展的一個新的方向，本系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個基本的基于網(wǎng)絡(luò)的智能化傳感器，其中設(shè)計的重點(diǎn)主要是對TCP/IP通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，即將TCP/IP協(xié)議棧移植到系統(tǒng)中，然后調(diào)用相關(guān)的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。而Web功能的實(shí)現(xiàn)主要采用了B/S模式，通過上層的HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了瀏覽器與嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器的交互。實(shí)現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化控制可以很好地應(yīng)用在對家電設(shè)備的控制或工業(yè)現(xiàn)場的控制中，具有良好的應(yīng)用前景。 |
