毕业设计(论文)基于单片机的嵌入式远程测控系统.doc
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1、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W
2、eb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 AT89C5
3、8 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 contro
4、l 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 integr
5、ated 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3.2.1T
6、CP/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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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M
12、odem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
13、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。
14、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
15、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MS2
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