毕业设计（论文）基于单片机的嵌入式远程测控系统.doc

HEFEI UNIVERSITY毕 业 设 计（ 论 文 ）题目 基于单片机的嵌入式远程测控系统 系别 电子信息与电气工程系 专业 电子信息工程 学制 四 年 姓名 荣 学号 指导老师 完成时间 基于单片机的嵌入式远程测控系统摘要:分析了嵌入式系统和控制网络的发展趋势,提出一种基于高速单片机的嵌入式远程网络化测控系统, 本设计采用AT89C58作为处理器。着重介绍嵌入式Web服务器及测控前端的原理及硬件构成,最后简述一个应用实例,怎样采集数据，并分析了该系统的应用前景。本系统设计要求通过网络来实现远程测控，本系统可以分成3个部分组成：远程测量控制平台及数据库服务器;以高速单片机为核心的嵌入式Web服务器;以单片机为基础的嵌入式测控前端，通过这3个部分可完成远程测控系统功能。关键词:单片机;嵌入式远程测控;TCP/IP协议Abstract:This paper firstly introduces the tendency of the embedde system and control net works imply,and then an embedded remote internet measuring and controlsystem based on high speed single chipis introduce. This design uses AT89C58 to take the processor. The principle and framework of the hardware of the embedded webserver are illustrated. Finally,an application example is dealt with and the future application of our developed system is pointed out. This system design request realizes the long-distance observation and control through the network, this system may divide into 3 partial compositions: Long-distance survey control platform and database server;Inserts the type Web server take the high speed monolithic integrated circuit as the core;Inserts front end the type observation and control take the monolithic integrated circuit as the foundation, may complete the long-distance observation and control system function through these 3 partsKey words:single chip;embedded remote measuring and control;TCP/IP protocol. 目 录摘要 关键字第一章引 言第二章系统的描述第三章 硬件设计3.1远程测量控制平台及数据库的实现 3.1.1 远程测控平台设计 3.1.2 数据库的设计3.2 嵌入式Web服务器的原理3.2.1TCP/IP 协议族的实现3.2.2Web 服务器的实现3.2.3. 嵌入式WEB服务器网络连接图（RTL8019AS与INTERNET连接图）3.2.4 RTL8019AS驱动程序实现3.2.5 TCPIP协议栈的实现3.2.6 单片机内存的扩展图3.2.7 单片机与测控前端连接图33测控前端的硬件设计3.3.1 TLC2543串行A/D转换器3.3.2 GMS97C2051单片机3.3.3 电平转换器MAX32323.3.4 硬件设计第四章 软件控制思想第五章 结 束 语参考文献第一章引 言目前远程测控系统一般都采用以太网和现场总线混合控制网络。由于现场总线多种标准共存的存在,严重地自身追求的开放性、分散性和完全互操作性的特点。随着Internet 技术的迅速发展,以太网和TCP/IP 协议已成为世界范围内的事实标准。基于TCP/IP 的以太网可满足控制系统的各个层次的需求,并具有实现现场设备层和企业管理层的无缝连接、低成本等现场总线技术无法比拟的优点。专家预言,基于以太网传输的嵌入式Internet网络将会成为下一代工业控制网络的重要选择,并将带来工业控制网络新的变革。8 位普通微处理器(尤其是51 系列单片机) 因其体积小、可靠性高、控制功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点,广泛应用于国民经济的各个领域,尤其是测控领域。然而以8 位普通处理器为核心的嵌入式系统因系统资源、处理速度有限等因素仍排斥在Internet 之外,这势必将会影响基于Internet工业控制网络的发展。因此解决如何利用现有嵌入式系统接入Internet 有很大的研究价值及市场前景。第二章系统的描述随着基于嵌入式Internet控制技术的日渐成熟,凭借着其高带宽、高稳定性、低成本以及能够实现现场设备和企业管理层的无缝连接等优势,正逐步取代集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)而成为工业现场控制网络的主流1-2。当TCP/IP协议已经成为国际上的事实标准,基于TCP/IP协议的以太网可满足控制系统各个层次的要求。因此,构建基于TCP/IP协议的嵌入式网络工业测控系统就成为当前工业测控领域所研究的主流技术之一。该系统可实现远程系统的测控，远程测量控制平台及数据库服务器;以高速单片机为核心的嵌入式Web服务器;以单片机为基础的嵌入式测控前端。整个系统是以计算机网络作为基础的开放式体系结构,可根据需要实现系统节点的即插即用,系统测量控制项目的灵活配制。 系统的构成如图1所示。AT89C58客户端PC机InternetRJ4520F01RTL8019ASMAX232GMS97C2051数据采集卡 （图 1）基于嵌入式网络的远程测控系统第三章 硬件设计3.1远程测量控制平台及数据库的实现 3.1.1 远程测控平台设计远程测控平台是该测控系统的测量控制中心。该测控平台在软件上通过Winsocket实现与远程嵌入式Web服务器的双向通讯,进行数据的传输和交换。用户只需选择几个控制开关就可以查询和控制被控设备的性能及状态。数据库服务器是系统中的可选项,根据需要决定是否选用。WINSOCKET是WINDOWS提供给我们的一个接口，我们利用这个接口可以来实现网络通信。整个Winsock系列API函数都封装在ws2_32.dll里，下面以上面的这个结构图来简单地说一下网络程序的运行流程。我们的IE浏览器发出了一个请求，那么IE这个程序就会调用ws2_32.dll里的send函数，然后ws2_32.dll里的send函数再调用SPIDLL里的WSPSend这个函数(SPI详细情况留到以后再说)，而WSPSend函数再把这个请求传递给底层的传输层驱动程序(TDI),传输层程序再把请求传递给下面的NDIS驱动，NDIS驱动再传递给链路层设备驱动，最后传递给网卡把请求通过网线发出去相应的收到外面发进来的数据是和上面相反的过程。整个系统内部假定各个单片机都是对等的虚拟主机,对各个主机(包括虚拟主机)采用类似IP地址的形式进行统一编址,以便于系统内部的通讯和数据交换。系统内部各主机(包括虚拟主机)地址分配如下所示。 源主机及对应地址定义源主机地址 源主机名称0x0F:00001111 嵌入式Web服务器0x1F:00011111 数据采集卡0x2F:00101111 嵌入式Modem卡0x4F:01001111 现场总线适配卡0x8F:10001111 远程Web主机其它地址保留(根据需要扩展)远程测控主机和测控功能卡之间的数据通讯采用层层解析的模式,远程主机向测控功能卡发送命令首先要经过嵌入式服务器对报文头部进行解析,再根据其目的地址决定数据转发方向,测控功能卡收到报文数据后,首先解析得到报文类型,然后根据有效数据包含的信息完成相应的操作;测控功能卡向远程主机或其它功能卡发送数据也需通过服务器首先对报文进行解析后再根据目的地址决定其转发方向。命令和数据都包含在系统内部通信报文“有效数据”部分。3.1.2 数据库的设计数据库中通常可存储被测控设备的工作环境及状态测量数据,系统可定期对数据库的数据进行更新和精简,以适应控制系统的需要。通过对测量的数据进行相应的分析就可以对设备的工作状况进行评估。数据库服务器通常还作为网关以实现局域网和广域网的联结。该系统的数据库可选用 SQL SERVER 2000 ，实现数据的存取。3.2 嵌入式Web服务器的原理 嵌入式Web服务器是测控系统中数据预处理中心和协议转换中心,实现了嵌入式设备的网络功能。Web服务器是以内嵌了TCP/IP协议包的高速单片机为处理器,直接通过RJ45连到远程测量控制平台。通过网络实现现场设备的远程测量和控制。该Web服务器具有数据预处理功能,所采集的数据经过预处理后再经网络传送到测控平台。嵌入式测控前端是由以单片机为处理器,具有数据采集,设备控制和现场协议转换等功能的一系列功能卡所组成。数据采集是其基本功能,通过大量的不同类型的传感器,将设备的性能和状态参数采集进来,经过模数转换后由嵌入式Web服务器通过网络发送到数据库或控制平台。设备控制是通过输出特定的数字或模拟量来实现相应的控制功能。由于工业现场所用的控制主要是开关量的控制,因此该嵌入式测量控制系统中配有数字I/O驱动卡用于数字量的输入输出。该测控系统实现了嵌入式系统的TCP/IP协议的通讯,使嵌入式测控前端与以太网实现了无缝连接。嵌入前端都是以单片机为核心的独立的功能模块,系统采用了UBICOM 公司的8位高速单片机作为嵌入式服务器,实现了嵌入式设备的网络化功能。嵌入式服务器和测量控制前端通过自定义总线实现并行数据的传输和交换。从而实现了测量和控制的网络化。UBICOM 公司的8位高速单片机属RISC结构,执行1条指令只需要一个时钟周期,每秒运行数据能力最高达1亿次。由于UBICOM 单片机的速度极高,能够实现实时多任务操作,可在MCU执行数据采集和控制功能的同时把数据打包并发送到互联网上。UBICOM 单片机可运行流行的互联网协议栈。在外接一个以太网控制芯片的情况下还可以实现互联网协议处理,使该单片机系统可以直接通过RJ45连到以太网上 其中51 单片机选用的是8 位微处理器AT89C58 ,指令集和MS251 系列兼容,因其片内带有32K闪存,因此可不扩展外部程序存储器,简化硬件电路。另外扩展了一片外部RAM 的62256 ,用来处理网络传输的IP 包、任务切换和应用程序的数据缓存。利用AT89C58单片机内部有一个全双工的串行接口,组成RS232串口,作为与其它串口设备通讯用。RTL8019AS 是由台湾Realtek 公司生产的高度集成的以太网控制器,它负责实现以太网媒介访问层(MAC) 和物理层(PHY) 的所有功能,经隔离后与RJ245 相连。为了验证51 板的嵌入式Web 服务器的可行性,我们构建了一个远程测控系统,如图4 所示。本系统利用TLC2543数据采集卡对一个远程受控系统进行数据采集,完成设想的测控;通过其串口与51 板进行通讯,然后通过51 板将系统接入Internet 实现了远程的测量与控制。3.21TCP/IP 协议族的实现 TCP/ IP 是一个协议族,它由几百种网络通信协议组成,TCP 协议和IP 协议只是此协议族中的两个成员,但由于其地位重要,因此通常使用TCP/ IP 来代表整个协议族。嵌入式Internet 作为一种TCP/ IP协议的嵌入式应用,其功能是特定的,而且一般来说嵌入式系统资源也非常有限,所以它不要求或不可能实现所有的TCP/ IP 协议,因此有必要对TCP/IP协议精简。通过对TCP/ IP 四层协议和系统需求的分析,我们选择并实现了以下协议:超文本传输协议HTTP(定义了一种请求P应答机制来从Web 服务器获取文档) 、传输控制协议TCP(为在服务器和客户端之间传递HTTP 请求P应答提供一个可靠的通信信道) 、网际协议IP(它使异构网络之间的通信成为可能) 、Internet 互联网控制报文协议ICMP (实现诊断ping ,检查低层协议层) 、地址解析协议ARP(用来把高层IP 地址与低层物理硬件地址动态捆绑起来) 。3. 22Web 服务器的实现 Web 服务器用来监听用户端的服务请求,根据用户请求的类型提供相应的服务。用户端使用Web浏览器和Web 服务器进行通信。Web 服务器在接收到用户端的请求后,处理用户请求并返回需要的数据。为使Web 服务器变得实用,则要求Web 服务器与浏览器之间具有交互能力。其它应用程序:包括串行口的通信程序、访问级别设置和权限认证功能等。完成上述工作后,用户不用装载任何客户端程序,就可以通过标准浏览器对51 板进行远程访问,简化了使用难度。3.23. 嵌入式WEB服务器网络连接图（RTL8019AS与INTERNET连接图） 3.2.4 RTL8019AS驱动程序实现RTL8019AS是台湾Realtek公司制造的一种高集成度的全双工10Mbps以太网控制芯片，实现了基于Ethernet协议的MAC层的全部功能，内置16KB的SRAM、双DMA通道和FIFO完成数据包的接收和发送功能。在网关设计中，使用跳线模式(JP置为高)来硬配置RTLS019AS为8位模式；使用了RTL8019的低五位地址线A0A4以及低8位数据线D0D7。为满足RTL8019AS的ISA时序，RTL8019AS高端地址A5A19须设置为0X300。SX52的B口的B0B4脚作为地址线连接RTL8019AS的低5位地址线，B5B7作为控制线分别连接读写时序控制脚IORB、IOWB、IOCHRDY；C口作为数据线连接RTLS019AS的低8位数据线；A口保留，用作日后扩展。设计中采用AT24C64这样一个8KB的EEPROM来保存WEB服务器的配置信息，如网关IP的MAC地址和SJAl000的ID网络标示符、网络掩码AMR和总线定时(BTR0、BTR1)等。这样就能够灵活方便地修改网关参数，适应不同环境，同时也考虑到以后的扩展。 要实现嵌入式WEB服务器接入以太网，就要对RTL8019AS进行编程，完成以太网帧的数据收发，相当于实现PC机中网卡的驱动程序功能。首先要对RTL8019AS进行复位，并将其设置为跳线模式；然后对RTL8019AS的工作参数进行设置，以使其开始工作；接下来读写RTL8019AS的RAM以完成数据包的接收和发送。3.2.5 TCPIP协议栈的实现并不是所有的协议在嵌入式WEB服务器中都要实现，应根据项目要求有选择地加以实现。以太网数据的传输采用MAC地址来识别，而ARP协议提供IP地址和数据链路层使用的MAC地址之间的转换功能，为了保证系统在以太网的通信，首先要实现ARP协议；由于嵌入式WEB服务器要能在Internet上通信，在网络层一定要实现IP协议，还要实现能报告数据传送差错等情况的ICMP协议；在应用层，主要实现远端主机通过浏览器的访问控制方式，所以要实现HTTP协议。而HTTP协议是基于TCP协议实现传输的，加上TCP协议是面向可靠的数据流的传输，基于应用的需要和对可靠性的要求，在传输层采用TCP协议，并对TCP协议进行简化处理，主要针对HTTP协议开发TCP协议。由于嵌入式系统的资源有限，因此将TCPIP协议最大幅度精简，以提高程序的运行速度，减少在SX52存储器中占用的空间。3.2.6 单片机内存的扩展图选用了74HC373做为锁存器，另外扩展了一片外部RAM 的62256 ,用来处理网络传输的IP 包、任务切换和应用程序的数据缓存。3.2.7 单片机与测控前端连接图与测控前端单片机连接可直接选用RXD和TXD进行串行通信，进行数据的交换。33测控前端的硬件设计测控前端是系统中测量和控制的执行者及完成者,测控前端是由以单片机为处理器的功能独立的模块(功能卡)组合而成,功能卡通过服务器能实现网络化功能,同时也能实现模块间的数据交换和通讯。每个功能卡可结合服务器完成独立的特定测控功能,也可以由几个相同或不同的功能卡配合实现复杂的多任务测控功能.数据采集模块:数据采集是测控系统的基本要求。数据采集卡具有多通道AD输入和DA 输出,能够完成模拟数据量的输入采集和输出控制;该卡同时还有多通道的数字量的输入输出。数据采集功能卡的构成主要有:数据缓冲器(双口RAM),微控制器(80C51单片机),静态存储器和AD及DA 转换芯片等。服务器和数据采集卡之间采用一对一应答通讯模式,数据采集卡每次响应服务器的命令后执行一次输出命令或定长数据采集命令,如需连续采集数据则应由应用层间断性发出数据采样命令。微控制器内部控制程序使用C51编程,编程简单,器及各监测端口,以判断有无控制命令或设备异常情况。3.3.1 TLC2543串行A/D转换器    模块采用TI公司的TLC2543 12位串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中。其特点有：（1）12位分辨率A/D转换器；（2）在工作温度范围内10s转换时间；（3）11个模拟输入通道；（4）3路内置自测试方式；（5）采样率为66kbps；（6）线性误差+1LSB（max）（7）有转换结束（EOC）输出；（8）具有单、双极性输出；（9）可编程的MSB或LSB前导；（10）可编程的输出数据长度。    TLC2543的引脚排列如图1所示。图1中AIN0AIN10为模拟输入端；为片选端；DIN 为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地。3.3.2 GMS97C2051单片机    GMS97C2051是武汉力源公司和韩国LG公司联合推出的一种性能价格比极高的 8位单片机，其指令系统与MCS-51系列完全兼容。GMS97C2051与AT89C2051兼容（可直接替换），但其性能价格比优于AT89C2051。引脚排列如图2所示。3.3.3 电平转换器MAX3232    MAX3232为RS-232收发器，简单易用，单+5V电源供电，仅需外接几个电容即可完成从TTL电平到RS-232电平的转换，引脚排列如图3所示。3.3.4 硬件设计硬件电路如图4所示。单片机GMS97C2051是整个系统的核心，TLC2543对输入的模拟信号进行采集，转换结果由单片机通过P3.5（9脚）接收，AD芯片的通道选择和方式数据通过P3.4（8脚）输入到其内部的一个8位地址和控制寄存器，单片机采集的数据通过串口（3、2脚）经MAX3232转换成RS232电平向上位机传输。图中串行LCD显示电路仅用于调试，对采集/传输的数据进行监测。第四章 软件控制思想本系统采用了51单片机，语言采用汇编语言编写。受控系统采集到的数据传给单片机处理后通过网络传给客户机，客户机也可以通过网络来实行的远程设备监测。 基本的软件流程框图如下：测控前端运行子程序数据库读/写子程序发送执行指令结束初始化Web服务器传输子程序本系统通过远程测控平台来实现设备的测量与控制，从平台发送一个命令，通过网络传达到测控前端的单片机执行，测控前端的单片机通过大量的不同类型的传感器,将设备的性能和状态参数采集进来,经过模数转换后由嵌入式Web服务器通过网络发送到数据库或控制平台。第五章 结 束 语 基于嵌入式网络的测控系统是近几年发展起来的一种新的工业现场设备测控系统,随着传感器技术的发展和嵌入式Internet技术的成熟,以传感器技术、网络技术及嵌入式智能技术为基础的远程测控系统必将广泛应用于各个工业领域之中。本论文重点探讨了在51 单片机系统中嵌入式Web 服务器的软、硬件的设计方法,通过实践检验,表明利用现有51 单片机系统资源建立Web 服务器,进而使测控系统直接连入Internet 的方案是切实可行的。另外较高的性价比预示其具有很大的应用前景和推广价值。毕业设计是一次综合性的实践，是将所学过的理论转化为实际上内的过程，通过本次实际实践，我有了许多收获，首先学会了如何收集资料、查阅文献，学会了如何根据实际需要查阅数据手册，进行器件选型，更加锻炼了分析问题、解决问题能力；其次使我巩固了所学的知识，加深了对理论知识的理解，最重要的是增强了自己的动手能力。致谢词：本篇论文的完成，首先感谢我的导师丁键老师，在他细致耐心的帮助下本文才得以完成，他渊博的知识、严谨的治学作风、和蔼的为人使我受益匪浅。其次还要感谢母校提供了一个良好的学习环境，感谢电子信息与电气工程系全体老师的教育之恩参考文献：1、陶 波,丁 汉,熊有伦.基于嵌入式Internet的工业控制J.测控技术,2001,20(8).2、 洪锡军,等.基于Internet的多功能远程监测报警系统J.上海交通大学学报,2000,34(10).3、SX嵌入式网络单片机序言EB/OL. mcu.htm.4、 蔡美琴,等.MCS 51系列单片机系统及其应用M.北京:高等教育出版社,1997.5、 徐爱钧,等.单片机高级语言C51Windows环境编程与应用M.北京:电子工业出版社,2001.