（机械电子工程专业论文）基于以太网的多路光源远程监控系统的研究.pdf

堕堡堡三些尘耋三兰堡圭兰篁丝兰摘要随着光纤通讯事业的高速发展，密集波分复用( d w d m ) 已作为一种极其经济有效的实用技术被人们所重视，其技术开发业已取得了重大进展。同时随着网络事业的迅猛发展，人们已经越来越多地要求在任何地方、任何时间以任何方式都可以获得信息，研究一种基于以太网的多路光源远程监控系统具有非常重要的意义和研究价值。目前，在大型城市城域网骨干层上的d w d m 设备多采用3 2 或4 0 路波分复用设备，本课题针对3 2 路的d w d m 设备设计了基于以太网的多路光源远程监控系统，它包括通道选择模块、监控模块、以太网通讯模块和远程监控软件。监控电路以日立h 8 s 2 1 4 4 单片机为核心，实现多路选择、数据的采集、设定光源驱动电路的工作参数以及将数据传给以太网通讯模块。以太网通讯模块以飞利浦p 8 9 c 5 8 单片机为核心，将来自监控电路的数据传送到远程监控端，同时也将远程监控端的命令传给监控模块。远程监控软件采用种较新的方法，使用h t m l 、v b s c r i p t 和a s p 语言编写监控程序，该软件可以直接使用w i n d o w s 操作系统的【e 浏览器打开，借助操作系统的i i s ( 网络信息服务) 平台的网络能力，能很简便的实现远程通讯。通过本地和监控软件两级数据采集，再对这两组数据进行数据处理和曲线拟和，得出监控值和实际值的校正因子，在程序设计中考虑的校正因子之后得出的监控数据能很好的反应出光源系统的工作情况，从而实现了远程监控的目的。本设计采用了模块化设计，不但能运用在光源监控方面，也可以用于其他系统的监控，有一定通用性，具有重要意义。关键词密集波分复用：网络信息服务；套接字；以太网堕查堡三些盔耋三耋堡圭兰g 鲨兰a b s t r a e tw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ef i b r e o p t i cc o m m u n i c a t i o n ，d w d mh a sb e e nw i d e l yr e v i s e dt ob eap r a c t i c a lt e c h n o l o g y , w h i c hc a u s e sg r e a tp r o g r e s sw i t hd w d m a tt h es r i t i et i m e 、航mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y ,p e o p l en e e dm o r ea n dm o r ei n f o r m a t i o na ta n y t i m ee v e r y w h e r ew i t ha n ym e t h o d ，i t sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o par e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne t h e m e to fm u t i c h a n n e ll a s e rl i g h ts o u r c e c u r r e n t l y ，d w d me q u i p m e n t su s e di nm a i ni n t e r c i t yn e to fl a r g ec i t i e sh a v e3 2o r4 0c h a n n e l s ar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne t h e m e th a sb e e nd e s i g n e df o rd w d me q u i p m e n to f 3 2c h a n n e l si nt h et h e s i s ，w h i c hi sc o m p o s e do fm o n i t o r i n gm o d u l e ，e t h e m e ti n t e r f a c em o d u l ea n dt h er e m o t e - m o n i t o rs o f t w a r e t h eh i t a c h ih 8 s 2 1 4 4s i n g l e - c h i ps e r v e sa st h ec o n t r o l l i n gc o r eo f t h em o n i t o r i n gc i r c u i t ，w h i c ha c h i e v e sc h o o s i n gc h a n n e l ，c o l l e c t i n gd a t a ，s e t t i n go nw o r k i n gp a r a m e t e ro ft h ed r i v i n gc i r c u i ta n ds e n d i n gt h ed a t at ot h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do ne t h e m e t p h i l i p sp 8 9 c 5 8s i n g l e - c h i ps e r v e sa st h ec o n t r o l l i n gc o r eo ft h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fe t h e m e t ，w h i c he i t h e rs e n d st h ed a t af r o mm o n i t o r i n gc i r c u i tt or e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo rs e n d st h ec o m m a n df r o mr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mt om o n i t o r i n gc i r c u i t h t m l ，v b s c r i p ta n da s ph a v e b e e na p p l i e di nm o n i t o rs o f t w a r ew h i c hc a l lb eo p e n e db yi n t e m e te x p l o r e ro fw i n d o w sa n da c h i e v e sc o m m u n i c a t i o ne a s i l yb e t w e e nc l i e n ta n dh o s tb yp l a t f o r mo fi i s ，w h i c hi sn e wm e a n s t h er e v i s i n gq u o t i e t yo ft h em o n i t e r i n gv a l u ea n dt r u ev a l u ec a nb ec a l c u l a t e da f t e rd a t ac o l l e c t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g w i t hw h i c hi sc o n s i d e r e d ，t h em o n i t o r i n gd a t ac a r lw e l le m b o d yt h ew o r k i n gs t a t eo ft h es y s t e mt oa c h i e v et h ei n t e n t i o no fr e m o t em o n i t o r i t su n i v e r s a lt oa p p l ym e t h o do f m o d u l a r i z a t i o ni nt h ed e s i g nw h i c hc a nn o to n l yb eu s e di na s p e c to fm o n i t o r i n gl a s e rl i g h ts o u r c eb u ta l s ob eu s e dt oo t h e rk i n do f m o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d sd w m d ，i i s ，s o c k e t ，e t h e r n e ti i 堕堡鎏三些查兰三兰堡圭兰堡篁三1 1课题研究的意义第1 章绪论2 0 世纪9 0 年代中期以来，国际上因特网迅速发展的浪潮推动了传输技术的进步，加快了电信网、计算机网和c a t v ( 有线电视) 网走向融合的步伐。技术的进步进而激发了信息市场的需求，同时也促进了满足i p 业务为主的信息网络的演进。i p 组网的体系结构将趋于简化，网络的功能层数越来越少，容量和效率则越来越高，光因特网将代表网络体系结构的发展方向。为了满足传输网络的传输容量急剧扩张的需求，除了采用多芯光缆外，密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s t i o nm u l t i p l e x i n g ) 用已成为一种极其经济有效的实用技术被人们所重视，而且技术开发和商品化均取得了重大进展1 1 。密集波分复用即在一个光窗口( 1 5 5 0 h m ) 范围内传送多个窄带的光信号，每个光信号的通道间隔很窄，仅在几个纳米之内，在这些窄带上可以传送s d h 、s o n e t 、p d h 光信号【2 】。目前，在大型城市城域网骨干层上的d w d m 设备多采用3 2或4 0 路波分复用设备。随着光源设备运行时温度不断升高，同时，任务关键系统的部署也越来越多。因此，迫切需要监视各个光源驱动电路的工作情况。在本课题中，综合考虑整个系统的通讯要求和芯片的驱动能力，设计了3 2路光源的多路选择系统，并在此基础上通过以太网设计了该选择系统的远程监控系统。以太网由于其开放性好、应用广泛、价格低廉等特点。在工业控制领域已经得到了大规模的应用【3 j 。由于以太网有“一网到底”的美誉，即它可以一直延伸到企业现场设备控制层，所以被人们普遍认为是未来控制网络的最佳解决方案。从1 0 m 至u 1 0 g ，短短十几年间，以太网技术的发展完成了一个数量级的飞跃，新的高速以太网技术标准的形成，使以太网技术走出l a n 的狭小空间并完全可以承担w a n 和m a n 等大规模、长距离网络的建设。从工业控制领域来讲，由于现在工厂和生产在地域上越来越分散，要总揽现场控制信息和生产状况，要实现对分散在各工厂和生产线上的控制网络进行状态监控、远程数据下载及设备的诊断维护，只有通过远程通信才能实现【4 】。对于一些大型的跨省或跨国通讯公司，要实现监控大量光发射机的运行状态，更加迫切要求控制网络和i n t e m e t 相结合来实现远程监控。根据信息产业部发布的“十五”纲要计划内容，“十五”期间光通信产品中将啥尔滨工业大学工学硕士学位论文大力发展d w d m 设备，一个基于以太网的多路光源远程监控系统就显得非常具有实际意义。1 2国内外测试技术的研究现状1 2 1 国外研究现状信息化是当代经济和社会发展的迫切需求，和必然趋势。目前，网络带宽正以每6 9 个月翻一番的速度极速增长，d w d m ( 密集波分复用) 是解决将来大量数据传输的一项关键技术1 5j 。d w d m 可以把多个光信号搭配起来传输，结果这些光信号可以编成同一组同时被放大并且通过单一的光纤传输，网络的带宽也就大大增加。今后的d w d m 终端更可以承载总计8 0 个波长之多的o c - - 4 8 ( 一种标准传输速率) 以达到2 0 0g b p s 的传输速率或者高达4 0 波长的o c - 1 9 2 ( 目前最快的标准传输速率) 以达到4 0 0g b p s 的传输速率，这个带宽已经足以在一秒钟之内传输9 万卷的大百科全书! 近一两年在美国新兴的以经营i p 业务为主的电信公司正掀起新一轮大规模建设光纤网的高潮，仅全国性的新建长途网就达6 个，计划新敷设的光纤路由约2 x1 0 4k m i “8 l 。自从1 9 9 6年美国b e l ll a b s ( 贝尔实验室) 首先进行了总容量为1t b i t s ( 2 0g b i t sx 5 0 )波分复用传输实验以来，n t t ( 日本电报电话公共公司) 、n e c ( 日本电气公司) 、s i e m e n s ( 西门子) 、c i e n a ( 讯远) 以及l u c e n t ( 朗讯) 均在最近几年中进行了超过t b i t s 级的d w d m 实验。他们还将硅微电机的驱动电路和激光器等器件集成到一起，使功耗和成本大幅降低。并且开发了“波长可选型”光源，灵活有效地在任意空闲波长上传送信息，既可增大传输容量，又可提高系统的传输效率。上述成果为d w d m 和接入网的网络革命提供了重要条件。从全球来看，发达国家的电信公司正在大量建设和运营d w d m 宽带网系统。欧洲和美国电信公司近来年建设d w d m 系统，其投入和建设规模之大是前所未有的9 】。国外以太网技术已经发展到非常成熟的地步，而且他们许多学者近年来在以太网的研究工作中表明，新技术的介入和具有实时功能的以太网协议的产生，使以太网将逐步成为控制信息传递网络的主流技术【l 。不像以前以太网知识在l a n ( 局域网) 里扮演一定角色，现在以太网在w a n ( 广域网) 里也发挥着巨大的作用，而且作用在不断增长。现在的以太网传输率已经发展到了千兆，万兆以太网也已经在实验室中获得成功i l “。在家庭以太网领域，s e n a ( 塞纳科哈尔滨工业大学工学硕士学位论文技) 公司开发了一个小型的实验室系统，让全球的i n t e m e t 用户在网上访问并控制实验室的智能设备。在工业控制领域，美国o p t o ( 奥普图科技) 公司采用嵌入式i n t e m e t 技术，研制开发了“以太网i o 系统”，通过i n t e m e t 对分布在远程设备现场的以太网i o 口进行访问，从而实现对异地设备的远程监控。1 2 2 国内研究现状我国过去十年来已建的光纤干线网大部分光缆芯数少( 绝大部分在2 4 芯以下) 、单纤容量低( 大多数只满足几十至几百i v i b i t s 的速率) ，不能满足迅速增加的因特网和宽带数据业务的需要。因此，大部分已建骨干光网络的扩容改造的课题摆在了电信运营商的面前。已建线路中除了近两三年极少数线路采用了g 6 5 5 光纤外，绝大部分用的都是g 6 5 2 光纤，对己建线路的改造应针对采用g 6 5 2 光纤的光缆线路进行。从1 9 8 6 年我国建立了第一条光缆干线宁汉光缆干线以来，至1 9 9 9 年底全国仅长途干线光缆总长已近3 1 0 4 k m ，全国电信光缆总长度达近1 1 1 0 4 k m 。目前，d w d m 技术已日渐成熟。我国在长途一、二级干线中，已经开始了d w d m + s d h 结合运用。实践证明效果很好，达到了目前预期目的。例如，京汉厂、沪榕穗等1 9 条一级光缆干线进行大规模的扩容就是采用d w d m + s d h 技术。由北电网络公司提供全套设备的我国首条d w d m4 x 1 0 g b i t s 传输系统上海至南京实验工程于2 0 0 0 年9 月2 1日正式投入商业运行。网通全长8 4 9 0 k m ，带宽4 0 g b i t s ，连接中国东部1 7 个重点城市的高速互通网开通并投入试运营。这些标志着1 0 gd w d m 技术在我国进入了成熟阶段i l 1 5 1 。以太网接入在我国日益受到包括传统电信运营企业、新兴电信运营企业和小区宽带接入运营企业等各方面的重视。在对以太网接入的技术优势有了充分认识后，一些地区的广电网络公司甚至放弃对h f c 网络的双向改造，转而利用其光纤网络资源来发展以太网接入i l 。到目前为止，国内如n e t c o r e 、华为、港湾等多家厂商已经完全掌握了千兆以太网的相关技术，产品线也逐渐丰富。作为首家在国内市场上推出千兆铜缆交换机的网络厂商，n e t c o r e 的千兆以太网产品线非常丰富，在以太网接入层、分布层和骨干层都拥有相应的产品和可靠的解决方案，可以满足不同用户的千兆应用需求。天津大学电气与自动化工程学院对基于以太网的远程监控系统设计的相关问题进行了研究，在此基础上实现了其在电梯远程监控系统上的成功。中国南望信息产业集团在基于以太网哈尔演工业大学工学硕士学位论文的计算机远程图像监控系统上也颇有成就。但是总体来说，国内在远程监控方面的水平跟国外相比差距还很大。1 3课题主要研究内容及方案本课题是与山东博特光电股份有限公司合作开发的项目。利用d w d m 选择路由技术实现网络交换和恢复，为实现未来透明的、具有高度生存性的光网络奠定了基础，光纤通讯d w d m 的结构原理图【 1 ，如图1 - 1 所示：些噔忙m 鎏警l _ _ 万事丑：k 捌哟图1 1 密集波分复用系统的基本结构f i g 1 - 1t h eb i cs t m c h l mo f d w d ms y s t e m本课题主要任务是设计多路光源的选择和远程监控系统，光源系统则是d w d m 系统的核心内容，按照光源的工作原理和工作特点，根据它所需要的工作参数，设计了多路光源的远程监控系统，实现多路光源异地监控。本监控系统包括：多路选择模块，可以实现对3 2 路光源驱动系统进行选择；系统状态监控模块，可以查看光源驱动系统处于何种工作状态，并且可以设置该系统的工作状态：设定a d 数据采集模块，可以监控每路光源上激光器的工作电流( ，) 、反馈电流( i 。) 、温度( t m p ) 以及流经制冷器的电流( i t e c ) ；d a 模拟输出模块，可以设定光源驱动电路的工作参数。再通过设计的r s 4 2 2 通讯接口把数据传递给以太网通讯模块，本监控系统的远程监控能力主要通过以太网模块来实现，通过以太网实现了t c p i p 协议，可以轻松在远地穿过i n t e m e t 来监视多路光源的工作状况或者设定它们的工作参数，远程监控系统的基本结构如图1 2 所示：通过h s ( 网络信息服务) 的信息服务功能，利用套接字编程原理，通过用h t m l 和v b s c r j p t 设计远程监控软件，就能实现异地用户对监控电路的访问和监控。篁堑鋈三些查兰三兰堡圭兰堡篁圣图1 - 2 监控系统基本结构f i g 1 - 2t h eb a s i cs t r u c t u r eo f m o n i t o rs y s t e m- 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2 章远程监控系统硬件电路设计光源驱动电路在自身的自动电流控制( a c c ) 、自动功率控制( a p c ) 和恒温控制下，可以按照预先设定值稳定无误的工作，但是设计一套对于操作人员不用在工作现场就可以查看驱动电路工作状态并可以随时更改设定值的远程监控系统，更具有使用价值。2 1光源驱动电路工作原理设计远程监控系统，必需先了解驱动电路的工作方式和工作参数。光源驱动电路主要由3 部分组成，它们是恒温控制环节、a c c 控制环节和a p c 控制环节和一些反馈和设定环节。2 1 1 半导体激光器恒温控制原理半导体激光器的尸一j 特性是指它的输出光功率p 随注入电流j 的变化系。半导体激光器只有在其p n 结上加有足够正向电压、具有足够电流时，才能产生激光，其功率一电流特性曲线如图2 1 所示。图2 - 1 半导体激光器的p d 特性曲线图f i g u r e2 - 1t h e p - i c h a r a c t e rb l o c kd i a g r a mo f s e m i c o n d u c t o rl a s e r其中p 为半导体激光器的输出光功率：l 为半导体激光器的闽值电流；j ，为半导体激光器的驱动电流由此可知，激光器的输出光功率随着驱动电流( 即激光器的注入电流) 的哈尔滨工业大学工学硕士学位论文增大而增加，一旦驱动电流，大于阈值电流l ，则输出光功率p 与驱动电流矿呈正比关系，且光功率随驱动电流j ，的增加而急剧增加。随着光功率的急剧增加，势必导致激光器的温度逐渐升高，不但严重影响系统稳定性，更影响激光器的使用寿命。由于半导体激光器的温度特性，实用化的半导体激光器组件内一般都封装有半导体致冷器，用以对激光器的温度进行控制，稳定输出光的光功率和峰值波长1 1 8 1 。恒温p i 控制环节是将激光器上温敏电阻采集的温度信号和设定的温度值进行比较，围绕着该设定值，然后决定制冷器是否对激光器进行制冷。监控硬件电路对该部分的监控作用就是：随时查看激光器的温度值判断温度是否稳定，并且能够随时更改激光器的温度设定值。2 1 2a c c 和a p c 控制原理l d 驱动电路实际是实现对半导体激光器发光功率的控制，它包含两方面的内容，其一是对发光功率的调节和稳定输出功率，其二对输出光功率加以限定，即对l d 限流，限流的目的是为了保护半导体激光器避免受损。设计中采用了自动电流控s j j ( a c c ) 和自动功率控制( a p c ) 的方法：a c c 控制方式下采用恒流源为l d 提供恒定的电流，以控制l d 的输出功率；a p c 控制则是利用l d 组件内部的受光二极管( p d ) 的光电转换功能，接收l d 的部分输出光功率作为反馈控制信号，以稳定激光器的输出功率d 9 - 2 3 】。l d 驱动控制原理框图如图2 2 所示。l o c a l设定值图2 - 2 l d 驱动控制原理图f i g 2 - 2d i a g r a mo f l dd r i v ec o n t r o lc i r c u i t哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2 2 监控系统硬件电路设计多路光源远程监控系统硬件电路的作用是：将远程监控信号解析，并且对光源驱动电路做出相应监控指令，实现3 2 路光源的多路选择，然后将光源驱动电路的状态采集上来，并且传给远程监控端，比如驱动电路处于何种工作状态，r e m o t e ( 远程) 还是l o c a l ( 本地) ，是a p c ( 自动功率控制) 还是a c c( 自动电流控制) 控制，( 驱动电流) ，。( a p c 反馈电流) 和t m p ( 温度) 的监控值各是多少，并将采集的数据送给远程监控端的用户。同时可以设置，值，值和n 佃值；在一段时间内无指令的话，监控电路进入待机状态。2 2 1 硬件待机模块设计由于般控系统只有远程监控端才能操控它，而远程监控工作人员并不是时时刻刻都对光源系统进行远程监控，所以平时绝大数的时候监控系统是处于闲置状态的，此时如果监控系统还处于活跃状态，不仅白白的耗能，对监控系统的寿命也会大大影响。h 8 s 2 1 4 4 单片机有一种待机模式，当单片机处于待机模式下，单片机的时钟，c p u 都是停止工作的，所有的i o 口呈高阻抗状态，但r a m 保持不变。但更主要的是单片机的时钟、c p u 停止工作后，数字电路就不会对模拟电路产生任何的干扰，可以提高光源系统的控制精度。这也是本系统选择h 8 s 2 1 4 4 单片机作为c p u 单元的一个主要原因。所以本监控系统设计了一套可以让监控电路处于沉睡并且能唤醒它的硬件备用系统。其部分电路工作原理图如图2 3 所示。当上位机给h 8 s 2 1 4 4 发出软件待机状态命令后，单片机将备用控制寄存器s b y c r 相应位s s b y 设置为“l ”，并设置其中的s t s 2 s t s 0 来控制待机备用时间，当单片机在该备用时间段里，没有接到任何外来命令，则单片机转到软件待机状态，任何中断信号都可以将单片机从软件待机中唤醒：当h 8 s 2 1 4 4收到硬件待机命令后，h 8 s 2 1 4 4 将它的p 3 4 管脚置1 ，此时s t b y 端被拉到低电平，单片机转到硬件待机状态。当远程监控系统要将单片机从硬件待机中唤醒，只需要给相应控制端一个下降沿脉冲。则s t b y 被拉回高电平，同时r e s端变为低电平，单片机脱离待机状态。哈尔滨丁业大学工学硕士学位论文图2 - 3 待机模式电路f i g 2 - 3c i r c u i to f s t a n d b ym o d e2 2 2 多路选择模块设计目前，在大型城市城域网骨干层上的d w d m 设备多采用3 2 或4 0 路波分复用设备a 在本课题中，综合考虑整个系统的通讯要求和芯片的驱动能力，设计了3 2 路的多路复用系统。选择电路主要由一个8 位数据锁存器h c 5 7 4 、三个4 一1 6 译码器h c l 5 4 和一个3 8 译码器h c l 3 8 组成，电路如图2 - 4 所示。此部分硬件电路在工作时，在解析了上位机发送过来的控制命令之后，启动或停止某路光源的工作状态，对光源的工作参数进行设定和调整，完成多通道选择与控制任务。由于通道选择值是由远程监控端通过以太网发送过来的，以太网模块自动将l o 进制设定值自动转换为a s c i i 码发送，所以多通道选择前，必须将a s c i i 码反解为1 0 进制数，通道选择程序流程如图2 5 所示：堕查堡三些查主王耋堡圭兰堡丝兰图2 - 4 多通道选择模块硬件电路图f i g 2 - 4c i r c u i to f m u l t i - c h a n n e ls e l e c t i o nm o d u l e1 0 芝玺堡三些查兰三兰堡圭兰堡鎏兰(开始j嗣通遁选择指令图2 - 5 多通道选择模块流程图f i g 2 5b l o c kd i a g r a mo f m u l t i c h a n n e ls e l e c t i o nm o d u l e2 2 3 数据采集模块设计当该开关电路的s e l ( 通道选择) 使能端被使能( 低电平有效) 后，无论电路是否处于r e m o t e ( 远程监控) 状态，都可以直接读取i ，、t m p 的监控值和设定值，以及t m p 和t e c 的监控值，同时也需要查看系统处于什么状态，比如是处于a p c 还是a c c 控制，是否有溢出报警等，以及，、l 、t m p 和t e c 的监控值，相关开关电路如图2 - 6 所示：其中4 种参数分别由4 个1 2 位a d 转换芯片采集上来，由日立h 8 s 2 1 4 4单片机控制采集时序，并传给远程监控端。其中采集j ，部分a d 转换电路图如图2 7 所示：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文船i f图2 - 6 开关模块电路f i g 2 - 6t h ec i r c u i to f s w i t c hm o d u l e由于半导体激光器对温度控制的精度和驱动电流等都有着严格的要求，其输入输出模拟电压要求精确到毫伏级，因此要求模数转换器的分辨率要高，响应快，同时芯片的性能价格比要高，综合考虑这些因素，选用了1 2 位模数转换芯片m a x l 9 1 。1 2 位分辨率，参考电压+ 5 伏，4 0 9 5 2 1 2 = o 0 0 1 2 v ，1 l s b = l m 、，转换误差为2 l s b ，完全达到驱动电路要求的精度。在低速存储器模式下，m a x l 9 1 就像微控制器的一个普通低速外设或存储器。启动a d 转换和读取数据都是由三根信号控制线c s 、l i d 、h b e n 实现：如图2 - 8 ，当a d c s t t 信号为低电平时，它连接着d 触发器的复位端，h b e n 接着d 触发器的q 端，所以被钳位为低电平，等待r c 延时过后再将a d c s t t 置高电平，由于r c 电路的延时作用，u 3 a 的2 端将保持8 ts 的高电平，所以在这8 s 中，u 3 a 将输出低单片机，当8 s 过后，输出高电平，这样m a x l 9 1 的c s 和l i d 产生下降沿后，模数转换开始启动，在c s 和r d 保持8 s 的低电平后跳回高电平，由于m a x l 9 1 的典型转换时间为7 5 s ，所以此时模数转换已结束，低8 位数据送上数据总线，由单片机将数据总线上的数据读回，单片机读完低8 位数据后，读取数据的高8 位，因为此时访问外设的地址为0 x 0 4 0 0 1 1 ，读的地址中a 0 处于高电平。则此时高位字节输出允许端h b e n 被窒玺鎏三些查兰三兰堡圭兰竺鎏三图2 7 模数a d 转换电路图f i g 2 - 7c i r c u i td i a g r a mo f a n a l o gt od a t ac o n v e r s i o n置为高电平，由于单片机发出读命令，所以c s 、r d 再次由高置低，再次读回高8 位数据的低4 位数据，当然这一过程不会启动模数转换，因为当h b e n 为高时，m a x l 9 1 的a d c 启动转换功能失效。a f d 转换流程图如图2 - 8 所示：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文丽志习fh e b n 置位，读取高8 位i-厂纛、一一7图2 - 8a d 转换程序流程图f i g 2 8b l o c kd i a g r a mo f a dc o n v e r s i o np r o g r a m2 2 4 设定模块设计要实现远程设定，前提条件是驱动电路板上的s e l 使能端必须被使能，s e l 使能端即为该驱动电路的通道选择信号端，如果s e l 没有被使能的话，监控系统将无法对驱动电路进行任何操作。并且当远程监控系统使驱动电路的r e m o t e 使能之后，就可以远程设置i ，( 驱动电流) 、尸( 输出功率) 和t m p( l d 温度) 的设定值了；当t m p s t b 使能端被监控系统置低电平时，串行d a转换就将串行的t m p 设定值转换为模拟信号传给驱动电路，串行d a 转换的时钟和并串转换的时钟为同一时钟；当i s e t 使能端被监控系统置低电平时，d a 就将，设定值传给驱动电路。同时也可以查看电路到底处于a c c 控制还是a p c 控制，还可以查看t m p 和l d 电流溢出报警信号，监控系统的设定模块部分的电路如图2 - 9 所示。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2 - 9 设定模块电路f i g 2 - 9t h ec i r c u i to f s e l l i n gm o d u l e远程监控系统给，、，。和t m p 定设定值，先通过通道选择选好要设定的哪路光源，然后打开设定开关，给相应参数定设定值。监控系统先将设定值通过d a 转换将数字量转换为模拟量，送到l d 控制单元。因为驱动电路要求设定值达到毫伏级，所以数摸转换电路由1 2 位双通道d a 转换芯片a d 8 5 2 2( 串行输入) 组成，最大输出电压为4 0 9 5 v ，转换精度为1 l s b = l m v 。d a 转换时，设定的1 2 位数字量由单片机的8 位数据总线以并行输出方式给出，因此在电路设计中，选用了2 片8 位并串转换芯片h c l 6 5 ，从而将单片机送来的并行数据，转换为串行数据。使用了一个s p g 8 6 4 0 b n 作为晶振源，并用一个计数器h c 4 0 4 0 配合它控制时钟。s p g 8 6 4 0 有两种工作方式，当它的s e l 端接高电平时，使用外部时钟输入，当s e l 接低电平时，使用内部晶振，它内部晶振频率为1 m h z 。s p g 8 6 4 0 的时钟输出端接h c 4 0 4 0 的时钟输入端，用h c 4 0 4 0 的q 5 端连着s p g 8 6 4 0 的s e l 端，电路图如图2 1 0 所示：当片外寻址o x 0 4 0 0 1 0 时，芯片u 6 的4 ，5 管脚输入都是低电平，经或门后6 管脚输出还是低电平，则芯片i c i 的l 管脚( s h l o ) 输入低电平，将高8位并行数据读入片内寄存器中。而此时u 6 的8 脚输出为高电平，则芯片i c 2的i 脚( s 肌d ) 输入为高电平，不读入数据；芯片i c 4 的1 1 脚( c l r ) 为低电平，q 5 不清零，芯片i c 3 的1 4 管脚( r e s ) 输入高电平。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2 - l o 并串转换电路f i g 2 - 1 0c i r c u i to f p a r a l l e l - i n s e r i a l - o u t当片外寻址0 x 0 4 0 0 1 1 时，i c l 的l 管脚( s 肌d ) 为高电平，9 脚开始输入串行数据；i c 2 的1 脚( s h l d ) 为低电平，装入并行数据：i c 4 的1 1 脚( c l r ) 为高电平，q 5 清零，开始计数，计到1 6 的时候，q 5 置高电平，i c 3开始使用外部时钟输入，但是外部时钟输入端e x c 接地，即此时i c 3 停止输出时钟，并串转换结束。同时单片机循环查询i c 4 的q 5 端，q 5 端经由一个非门与单片机的一个管脚相连，当单片机查询到低电平时，即知道并串转换完成了，如果要设置的是，电流值，则单片机立刻发出i s e t 脉冲给d a 转换芯片a d 8 5 2 2 的l d b 端，数摸转换开始，输出的模拟信号被用来作为电流设定值来控制l d 工作。2 3r s 4 2 2 通讯模块设计h 8 s 2 1 4 4 单片机内部有3 个串行通讯接口，一般一个用来调试程序使用，其余2 个用来串行通讯，本课题用串口0 来和以太网模块通讯，通讯双方都采堕玺鎏三些查兰三；兰堡圭耋些鎏塞用目前常用的r s 4 2 2 标准接口。r s 4 2 2 标准规定了差分平衡的电气接口，它采用平衡驱动和差分接收的方法。这相当于2 个单端驱动器，输入同一个信号时，其中一个驱动器的输出永远时另一个驱动器的反信号。于是两条线上传输的信号电平，当一个表示逻辑“l ”时，另一条定为逻辑0 。当干扰信号作为共模信号时，接收器接收差分输入电压，只要接收器有足够的抗共模电压工作范围，就能识别两个信号并真确接收传输的信息。因此，r s 4 2 2 能在长距离、高速率下传输数据。它的最大传输率为l o m b i t s ，在此速率下，电缆允许长度为1 2 m ，如果采用较低传输速率时，最大距离可达1 2 0 0 m 。h 8 s 2 1 4 4 单片机的串行口能进行同步或异步通讯，并且有多机通信功能，可以实现多处理机之间的通讯。在设计中，采用了设计简单、实现方便的异步通讯方式。在异步通讯模式下，字符的发送与接收均以一个起始位表示通讯的开始，以一位或两位停止位表示通讯的结束，一个字节长度可以设置为7 位或8 位，一般都是选用8 位。异步通讯的一般数据格式如图2 1 1 所示1 2 4l s bm s b发送或接收起始位d 0d ld 2 d 3d 4d 5d 6d 7d 8停止位串行数据( g b i t s 或 b i t s )校验位( 有或无)、图2 - 11 异步传输的数据格式f i g 2 - 11d i a g r a mo f d a t af o r m a ti na s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nh 8 s 2 1 4 4 有一个串行工作方式寄存器( s m r ) ，它的c ，4 位清“o ，串口处于异步方式，置“1 ”同步；c h r 位清“o ”数据为8 位，置“1 ”7 位；p e 位清0 不进行奇偶校验，置“1 ”校验；o e 位清0 为偶校验，置1 为奇校验；s t o p 位清0 加入一个停止位，置“l ”加入薅个停止位。其中在p e = 1 的情况下，假如要使用偶校验，则o e = o ；在发送时，s c i 将添加校验位，使得发送的数据中的“1 ”的个数和校验位上的数字之和为偶数。设计中，选用的r s 4 2 2 接口芯片是s n 7 5 1 1 7 8 ，这是双通道高线性驱动接收器，可以提供最大1 0 m b i t s s 的传输速率。软件设计中，串行通讯的数据格式是通过外部拨码开关来手动设定的，通过读取外部拨码开关的设定值，即可以设定串行通讯的数据格式和通讯的波特率。端口地址为0 x 0 4 0 0 5 0 的h c 5 4 0 芯片与拨码开关相连，用来读取串行通信设定模式。单片机的波特率可以由单片机内部的波特率寄存器b r r 来设定，设定公式为：哈尔滨工业大学1 学硕士学位论文：型竺1 0 s 一13 2 b式中口一一晶振；月一一s m r 寄存器的设置位：一一b b r 寄存器的设置位为了实现串行数据的高速传输，本系统选用了b = 9 6 0 0 b p s 的波特率( 晶振( a = 2 0 m h z ，n = 0 ，n = 6 4 ) 。2 4 单片机主程序结构设计单片机要实现的功能主要是：通过r s 4 2 2 接口和以太网模块通讯，从以太网模块获取命令字，对命令字解析，实现数据采集、开关控制和模拟量输出。程序流程图如图2 1 2 所示：在程序的一开始要对单片机进行初始化，包括对单片机的i o 端口的输入与输出方式的设定以及对多功能管脚进行功能选择、控制寄存器设定、清空系统r a m ；然后就开始等待来自r s 4 2 2 的监控命令，根据接收到的数据首4 个字符判断是什么命令并执行；最后等到接到待机监控命令，系统待机，直到下次有操作人员唤醒它。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2 5本章小结图2 - 1 2 单片机主程序流程图f i g 2 1 2b l o c kd i a g r a mo f m a i np r o g r a m本章先介绍了监控系统所要监控的对象驱动电路，阐述了驱动电路的工作原理，随后又讲述了监控系统和驱动电路的衔接电路，然后分别介绍了监控系统能对驱动电路实现的各种监控功能( 通道选择、数据采集、模拟量输出和系统待机功能) ，最后给出了r s 4 2 2 通讯接口的设计，并阐述了各个监控过程和监控系统单片机总体程序的流程。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3 章以太网通讯模块设计以太网是一种组网形式，现代通讯网络大多是以太网构成，i e e e 8 0 2 3 是以太网的标准协议。以太网上的数据传输可以采用t c p i p 协议、u d p 协议等等。3 1t c p i p 原理t c p i p 可以看作为连接网络与网络之间的技术。或者，将其视为由网络中数据处理规则( p r o t o c o l ，协议) 集构成的软件更为适合。它是目前计算机网络的行业标准( d e f a c ts t a n d a r d ) 。3 1 1o s i 参考模型在了解t c p i p 之前，首先需要了解一下o s i 参考模型和t c p i p 协议模型，早先的计算机制造和销售商( 以下简称销售商) 各自建立独立的网络，并要编制与之相对应的特殊的数据传输程序。在这种方式下，每当增加连接的销售商时，不得不针对改销售商的网络编制特殊的程序。鉴于上述原因，i s o( 国际标准化组织) 提出了不同的销售商都应该遵守一定的规则进行数据传输的规范化方法，即o s i 参考模型【2 5 。勰1 。o s i 参考模型由7 层组成，各层功能如表3 1 所示表3 - 1 0 s i 参考模型1物理层线路上连接的设备的物理电气特性规范2数据链路层相同媒体间的数据传输规范3网络层虚拟的通讯线路选择和确定方式规范4传输层数据传输时的分组，组合异常时的回复等可靠性规范5会话层程序间会话的传输控制步骤规范6表示层数据表示形式转换及加密等的规范7应用层应用程序间的通信步骤规范3 1 2t c p ，i p 协议在 r t t e m e t 世界中发展起来的t c p i p 也将其功能进行了划分并做了相应的规定。表5 - 2 所示为t c p i p 将o s i 参考模型简化后所形成的4 层功能模型。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3 - 2 t c p i p 协议网络接口层实际的物理硬件接口i n t e r n e t 层路由及地址选择传输层从发送方到接收方的数据传输应用层应用程序间进行通讯的规定网络接口层对应着o s i 的第1 层和第2 层，用于l a n 和w a n 环境的硬件连接。i n t e m e t 层( 也称为网际层) 对应o s i 的网络层，用于实现利用i p 协议进行数据传输时的节点间的路由选择等功能。此层决定网络的形态。传输层与o s i 的传输层对应，该层负责利用t c p 协议将数据传送到对方应用程序。除了t c p 协议外，此层还包括u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 用户数据报协议) 协议。应用层与o s i 的第5 层至第7 层相对应，用于对一般使用者可利用的应用程序之类的软件进行规范。在此层有大量的成功应用软件以及一般的程序设计规范，如实现文件传输的f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传输协议) 以及浏览w e b 页面的h r r p ( h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议) 等协议。t c p i p 是由斜线分隔开的两个协议的总称。i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 是一种网络层协议，t c p ( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 是一种传输层协议。t c p 是t c p i p 协议的第3 层。即实现从发送方到接收方的数据传输功能的传输层之间必须遵守的协议。i p 层决定了t c p i p 的第2 层，即实现将数据传送给接收方的路由选择功能的i n t e m e t 层的规则。按上述说法，恐怕还看不出t c p 和i p 之间的差别。事实上，i p 模块只管按对方的地址进行数据传送，而t c p 才负责将数据传送到对方的应用程序。由于t c p 和i p 具有非常密切的关系，因此，通常将二者合在一起并称之为t c p i p 2 9 3 。3 2 以太网工作原理通常我