（计算机应用技术专业论文）基于互联网的设备测控平台研究.pdf

摘要 互联网应用是现在工控领域研究的一个热点，其目的是将现有的电 子设备接入互联网，使用互联网提供的方便、快捷、低廉服务。嵌入式 i n t e r n e t 技术应运而生，逐步应用于现场仪表和工业设备互连，成为工 业控制网络的发展趋势。 当前设备上网主要两种方式：p c 网关与专用控制网相结合的方式； m c u 与r t o s 相结合的方式。本文概括分析了两者的优缺点，提出以高 档m c u 为核心开发小型w e b 服务器的设备上网的方案。给出了系统的 硬件体系结构，并在此基础上设计开发了系统常用的数据结构和函数。 最后通过简单的例子实现了基于互联网的设备远程测控功能。 硬件上，系统以高档单片机a t m e g a l 2 8 为核心，扩展r t l 8 0 1 9 a s 网 络控制器，实现平台与互联网的物理连接。扩展了r s 4 8 5 串行接口，实 现平台与广泛存在串口的现场仪表和测控设备的物理连接。扩展a d 转 换电路，输出模拟信号的电气设备通过简单的信号转换和调整可方便的 接入平台。扩展了并行端口，对数据传输要求较高的d a 等模块也可接 入系统。系统具有较好的可扩展性。 在软件上，根据a t m e g a l 2 8 单片机的特点，设计实现基于单片机 f l a s hm e m o r y 的文件系统，设备管理、事件管理的方法。设计实现了 基于单片机的网络接口层、i p 、t c p 、i c m p 、h t t p 协议的数据结构和函 数。给出串口、并行口、a d 转换驱动程序。最后通过一个简单的例子， 实现系统小型w e bs e r v e r 功能。 在此软硬件基础上，通过相对简单的设计和编程，可以使用任何一 台接入互联网的，安装了浏览器的终端，实现设备的远程检测与控制。 关键词：互联网应用嵌入式w e b 服务器测控 s t u d yo ne q u i p m e n tm e a s u r i n ga n dc o n t r o i i i n gm o d e b a s eo nln t e r n e t a b s t r a c t n o w ，i n t e r n e ta p p l i a n c ei s8h o t s p o to fs t u d y i t st a r g e ti s c o n n e c te l e c t r o ne q u i p m e n tw i t hi n t e r n e t ，s oe q u i p m e n tc a nu s et h e i n t e r n e ts e r v e r c o n v e n i e n t l yr a p i d l y a n d c h e a p y e m b e d d e d i n t e r n e tc o m e si n t o b e i n g i ni n d u s t r y i ti s ad i r e c t i o no f c o n t r o ln e t w o r k s u m m a r y ，t h e r ea r et w om e t h o d st h a tt h ee q u i p m e n tc o n n e c tw i t h i n t e r n e t o n em e t h o disp cg a t e w a y s p e c i a lc o n t r o ln e t w o r k ：t h e n e x ti sm c u r t o s t h isp a p e rs u m m a r i z e dt h e i rc h a r a c t e r i s t i ca n d p u tf o r w a r dap a r t i c u l a rs y s t e m t h es y s t e mi sas m a l lw e bs e r v e r ， w h i c hi sc o n s i s to faa d v a n c e dm c ua n dp e r i p h e r a lc i r c u i t t h e p a p e ri sc o n s i s to ft h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，d a t as t r u c t u r ea n d s o f t w a r e i nh a r d w a r e ，t h es y s t e mu s es i n g l e - c h i pa t m e g a l 2 8a sak e r n e l i te x p a n d sr t l 8 0 1 9 a st h a tc o n n e c ts y s t e mw i t hi n t e r n e ti np h y s i c a l 1 a y e r i te x p a n d s r s 4 8 5t h a tc o n n e c t s y s t e mw it h c o n t r o l li n g e q u i p m e n t st h a th a v eas e r i a li n t e r f a c e i na d d i t i o n ，i te x p a n d a di n t e r f a c e ，p a r a l l e li n t e r f a c ea n dl c dd i s p l a yi n t e r f a c e i n s o f t w a r e ，t h ep a p e rd e s i g n e df i l e s s y s t e m ，e q u i p m e n t m a n a g e m e n t ，a n de v e n t sm a n a g e m e n t ，a n dt h e nr e a iz e dt h e mb a s e d o ns i n g l e - c h i ps y s t e m t h ep a p e rd e s i g n e da l ld a t as t r u c t u r e sa n d f u n c t i o n so fp h y s i c a ll a y e r ，i p ，t c p ，i c m p ，a n dh t t p ，a n dt h e np u t t h e mi n t oe x e c u t i o nb ya v r g c c 3 2l a n g u a g e i na d d i t i o n 。t h ep a p e r d e s i g n e da n dr e a l i z e ds e r i a l ，p a r a l l e l ，a d ，d i s p l a yf u n c t i o n s a t1 a s tt h ep a p e rg i v eas a m p l et od e s c r i b e dt h eu s i n go fs y s t e m b a s e do nt h es y s t e m ，t h eu s e rc a n d e v e l o pas p e c i a ls y s t e m e a s 儿y u s i n gi t ，u s e rc a nu s ea n yt e r m i n a l i ni n t e r n e tt oc o n t r o la n d m e a s u r et h ee l e c t r o ne q u i p m e n t s k e yw o r d s ：i n t e r n e ta p p li a n c e ，e m b e d d e dw e bs e r v e r ，m e a s u r i n g c o n t r o lli n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究l 作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油人学或其它教育机构的学 位或汪书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贞献均已存 论史巾作了明确的说明并表示广谢意。 签 名：当! 兰蛆工d 0 3 年6 月2h 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有笑保留、使用学位论文的舭定，即：学校有权保留 送交沦文的复印件及电子版，允许沦文被查阅和借阅；学校田以公斫i 论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学，e 签名： 导师签名： 最0 1 尘蜩 、亟丑兰造鑫 2o o 证 如o 耳 月 二 = 32h 石油大学( 华东) 硕士论文前言 1 1 概述 第1 章前言 i n t e r n e t 是现代社会极为重要的基础信息设施之一。i n t e r n e t 兴建 起源于资源共享，提供电子邮件( e - m a i l ) 服务，声音文件、图像文件传 输服务以及其他信息传输服务。此时，互联网是服务性质的，其主要功 能是提供服务。就其体系结构而言为“服务器客户”机结构。 随着计算机网络技术的发展，骨干网速度得到极大提高。基于分组 交换技术的互联网的通信性能、质量和可靠性得到稳步提高，网络应用 的可靠性得到保障，这为基于互联网的应用开发提供坚实的技术保障， 使得基于互联网的应用开发逐步由理论阶段走向现实应用阶段。计算机 发展进入后p c 时代。 在计算机发展的后p c 机时代，计算机网络的功能将以服务为主转向 以应用为主“3 。逐步推出了一系列网上信息产品( i n f o r m a t i o r l a p p l i a n c e s ，也称信息电器) ，如：w e b 个人数字助理( p d a ) ，w e b 可视 电话、移动电话的g p s 或w - c d m a 产品、t v 顶视盒、电视会议机、数码 相机等嵌入式设备，它们都要求与i n t e r n e t 联网，并且已经嵌入了接入 互联网所需的硬件和软件，可以直接以有线或无线方式接入互联网，使 用互联网上提供的内容丰富服务。i k ( i n t e r n e tk p p li a r l c e ：互联网应用) 概念逐步流行。根据网络专家的预测，未来的互联网上将有7 0 的信息 来自于以应用为目的的嵌入式系统。 在工农业控制领域，计算机技术、半导体技术和电子技术得到广泛 应用，它们和各个行业的控制和检测设备相结合形成的嵌入式系统得到 快速发展。嵌入式系统一般是以计算机或单片机为核心数字化系统，简 单的嵌入式系统可以执行单一或一组预先设计的特定功能，较复杂的嵌 入式系统大都经应用程序以程序控制的方式执行一组特殊功能。 i n t e r n e t 应用和嵌入式系统的发展，对i a 领域提出新的挑战。以 单片机应用系统为核心的小型嵌入式设备，怎样方便的利用互联网资源， 怎样将嵌入式设备的信息共享到互联网上等等一系列问题成为当今工业 石油大学( 华东) 硕七论文前言 控制领域的研究热点。控制领域的嵌入式系统接入i n t e r n e t 优点是十分 明显的：设备接入互联网可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界的任 何一个地方，真正实现控制系统的网络化；在某些工作人员不益到达或 难到达的地点，实现设备的远程控制与监测可以通过远程控制达到现场 控制的目的；对某些工作人员没有必要长期现场监控的设备，实现远程 控制可以有效的减少劳动强度，提高工作效率，降低生产成本。这种需 求直接促使了嵌入式i n t e r n e t 的形成和发展。 嵌入式i n t e r n e t 的核心思想是：使现有的各种电器产品，从简单的 插座到各种家电，从简单的可控硅到复杂的机床都能成为标准的 i n t e r n e t 设备，人们通过i n t e r n e t 就可以远程地控制这些电器或工业 生产设备达到现场控制的目的。应用嵌入式i n t e r n e t 技术，每台设备可 以拥有一个互联网接口，拥有一个i p 地址；每台设备都具有3 w 服务器 的功能，每台设备中都嵌有一段控制程序。这样人们可以在任何地方、任 何时问，使用任何平台随时浏览设备实时工作状态并在远程实现对这台 设备的监视、控制、诊断、测试和配置。用嵌入式系统改造传统的工业 控制系统成为现在工业控制领域研究的热点。 1 2 国内外研究现状 工业控制设备上网，在国内外还处于刚刚起步的阶段。概括来说， 目前出现以下两种设备上网方案： ( 1 ) p c 网关和控制专用网相结合方式”1 在这种方式中，工业控制现场采用嵌入式技术和现场总线技术( 如： r s 一2 3 2 ，r s - 4 8 5 ，c a nb u s 等) 将现场的生产设备连接在一起，形成控制专 用网络，然后将此专用网连接到一台或多台p c 机上。利用网络中的 可五一t c m ；f ? 、h 坩i p cg a t e w a y r s 2 3 2 阿r 蒜隆- h w e b s e m ，髓 图卜1 基于p c 网关和控制专用网的设备上网组成 2 石油大学( 华尔) 硕士论文 p c 机作为网关和w e b 服务器，将控制专用网络上的数据信息转换为能在 t n t e r n e t 上传输的t c p i p 数据包，然后发布到i n t e r n e t 上，实现生产 设备上阚。其原理如图卜1 。 这种方法的工作原理是：首先p c 机控制专用网络执行数据采集、数 据处理及控制和检测功能，并将结果存储到本机的数据库中。客户端根 据p c 机w e b 服务器的u r l 向服务器提出请求，w e b 服务器的h t t pd a e m o n ( 守护进程) 将此请求的参数通过标准输入s d t i n 和环境变量 ( e n v ir o n m e n tv a r i a b l e ) 传递给指定的c g i 程序，并启动此应用程序 进行从数据库中获取数据，数据通过标准输出s t d o u t 返回给h t t pd a e m o n 进程，再由h t t pd a e m o n 进程返回给客户端，由浏览器解释执行，将最 终结果显示在用户面前。如图卜2 所示。 图卜2 基于p c 网关和控制专用网的设备上网的工作原理 显然，这是基于c s 的设备上网方式，w e b 服务器和网关一般需要 一台或几台功能强大、高可靠的计算机系统。在客户端，利用w e b 页面 本身所具有的自动刷新技术，定时自动更新当前页面，也就是客户端定 时请求服务器发送数据，获取设备最新数据。 该方案的优点是：简单，容易实现，远程设备的数据采集发布到 i n t e r n e t 上，用户可以通过浏览器方便的访问远端设备，根据实际情况 做出准确及时的决定。但缺点也是明显的：首先，基于分组交换的 i n t e r n e t 由于自身的特点，很难保证控制系统的实时性。而在工业测控 系统中对设备的实时响应时间有时有很严格要求，一般限定在几十微秒 到几秒内；其次，工业测控系统要求有很高的安全可靠性，而系统中的 p c 机结构、软件系统相对复杂，容易受到工作自然环境、电磁干扰、人 员素质等因素的限制，使系统的可靠性大大降低；对要求无人值守、自 动运行的控制环境，几乎不能适用；再次，p c 机的硬件投入较高，需要 在p c 机上安装专门的协议转换软件，该软件通常由专门的第三方软件商 石油大学( 华求) 硕士论文 前言 提供，费用较高。从而导致系统的价格昂贵，运行成本较高。大大限制 了系统的适用范围。 ( 2 ) 采用1 6 3 2 位高档m c u 和r t o s ”1 在这种方案中，采用3 2 位的高档m c u ( m i c r o c o m d u t e rc o n t r o lu n i t ， 微控制器) 和r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，实时操作系统) 平 台上开发以m c u 为核心的嵌入式系统，在嵌入式系统中处理t c p i p 的协 议等上网协议。如图卜3 所示。 图l 一3 采用1 6 3 2 位高档m c u 和r t o s 设备上网组成 这种嵌入式系统的工作原理为：远端客户机或服务器运行应用程序 通过互联网向嵌入式系统发出命令，嵌入式系统接收命令通过控制专用 网络控制设备完成数据采集、数据处理等功能，并将结果数据封装成 t c r i p 数据包通过互联网提交给客户机或服务器。 这是基于小设备的上网方式”3 ，采用高速的1 6 3 2 位微控制器直接 实现t c p i p 协议，嵌入式系统直接与i n t e r n e t 相连。由于采用高档单 片机，该方案可以完成较为复杂的功能。和工业控制计算机相比，嵌入 式系统具有体积小，重量轻、成本低、可靠性高的特点。但这种方案存 在如下缺点：a 、由于互联网自身的特点，实时性很难保障。b 高档单 片机价格较贵，开发周期较长，需要购买昂贵的r t o s 开发软件，对开发 人员的开发能力要求较高，这导致设备的上网成本高昂。c 、严重浪费 i p 地址资源。目前，这种上网方式局限于设备的每一部分都直接上网， 这样这些设备( 如：变频器、电磁阀等等) 都要配置i p 地址。i p 地址已 成为一种紧缺的资源，显然需要多个i p 地址，造成运行成本大大提高。 同时将系统中紧密相连、协同工作的各部分分割，不利于设备各部分的 4 笋 蓦 t i 油大学( 华尔) 硕士论文前言 协同工作。d 、在远端的客户机或服务器上往往需要安装专用软件，使用 很不方便。 目前，虽然还存在一定的限制，但是使用嵌入式系统或嵌入式芯片 实现设备上网是较为普遍采用的方案。 1 3 对现有方案的改进 对工业设备测控来说，设备上网需要处理一些新的问题。 第一、工业设备中，急需上网的设备很多工作在自然环境恶劣、高 电磁干扰等自然、运行条件复杂的环境中，一般无人值守、自动运行。 如油| = 珂采油中的生产设备大部分分布在戈壁滩、盐碱滩、沙漠、沼泽地 等地带，自然环境恶劣，工作条件艰苦。实现设备的远程集中控制和检 测，可以节省大量的人力、物力，提高工作效率，降低生产成本。同时 对上网设备的可靠性提出更高的要求。 第二、目前的设备上网方式，难以实现集中管理，各设备协同工作 困难。一套生产设备，往往需要采集多个信号，且几个信号之间需要协 同工作。如果把每一个点采集得到的数据都发布到i n t e r n e t 上传输，会 造成传输的数据量很大，浪费i p 地址资源，浪费带宽。每一个数据都发 布到i n t e r n e t 上传输显然是没有必要的，同时大大提高了运行费用。对 于一口油井，往往需要采集流量、温度、压力等多个数据，然后根据几 个数据综合判断油井的生产状况。正常运行时，需要的数据量往往并不 是很大。 第三、工业控制系统的设备对实时性的响应有时有很严格要求，一 般限定在几十微秒到几秒内；并且，这些系统要求有很高的安全可靠性。 而i n t e r n e t 上数据传输是基于分组交换的。很难保证控制系统的实时性 能，限于现在的技术，完全保证其实时性能是不可能的。因此，对实时 性要求很高的数据，只能采用本地处理的方式。 第四、现代工业控制思想的核心是“集中管理，分散控制”，从而使 实现“控制分散，危险分散”。目前的设备上网方式显然与此思想相违背。 对于工控设备，使用以m c 为核心的嵌入式系统上网方案成本低， 石油人学( 华东) 硕士论文前言 可靠性高，是一种较好选择。但是对这种嵌入式系统提出更高的要求， 嵌入式系统一方面要完成上网必须的t c p i p 等通信协议的封装和解封 功能，另一方面又要完成实时性要求较高的数据及多个数据协同工作的 处理功能。对于一般的微处理器来说，其运行速度、存储容量、外部端 口等资源十分有限，同时完成上述功能相当困难。因此利用单片机实现 嵌入式i n t e r n e t 方案的技术难点在于：如何利用单片机自身有限的资源 对信息进行t c p i p 协议处理，使之变成可以在i n t e r n e t 上传输的i p 数 据? 如何及时有效的处理控制系统中对实时性要求较高的数据? 设备上 网以后，如何做到方便的使用? 本文对这些问题进行深入探讨。 采用基于采用m c u 和r t o s 的上网方式，按照模块化的思想，从系统 的体系结构上做进一步改进。将系统划分为不同的功能模块，各个模块 组成不同的子系统，完成各自的功能。这样，各部分子系统的功能单一， 对系统资源的要求大大降低，实现更容易。做到实用、简单、经济、方 便、易扩充。 6 石油大7 - ( 华东) 硕士论文系统设计 第2 章系统设计 可以从工业控制设备的特点出发来设计设备上网控制和检测系统的 体系结构。 2 1 设备测控信号分析 工业生产现场设备控制与检测信号一般可以分为两种，一种是电信 号，一种是非电信号。非电信号一般可以用传感器和数据采集技术将其 转换为电信号。如：液体的流量可以用流量传感器将其转换为电信号； 转速可以用旋转编码器将其转换为电信号等等。分析现场电信号或转换 来的电信号，可以发现电信号可以划分为以下几种： 模拟输入、输出电信号设备。这类设备的输入、输出为电流信号或 电压信号。因此，需要用a d 转换器或o a 转换器实现数字信号与模拟 信号的相互转换。这要求平台要有a d 转换或d a 转换功能。 数字信号输入、输出设备。这类设备般具有嵌入式模块，采用 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 、l o n w o r k s 、1 2 c 等标准总线或自定义协议传输数据 信号。它的数据可以直接送给计算机或单片机系统。这类设备，输入、 输出虽然为数字信号，但一般为各自定义的信号传输格式和特定电气连 接标准，要接入互联网也需要信号电气、协议转换。这要求平台要有串 行、并行输入输出接口。 脉冲量和开关量输入、输出信号设备。该类设备以开关量为输入、 输出量以控制设备运行或表示设备运行状态。如：z c s t 型开关式电磁阀， 启动、停机电磁开关等。这类设备输入、输出的脉冲量，可以用相应的 设备转换为数据量。 这些信号涵盖的工业控制信号的大部分，系统能够直接或间接的处 理这些信号，可以大大拓宽系统的使用范围。 2 2 对平台的技术要求 考虑工业控制设备的特点，能够满足电气设备上网的测控平台应具 石油大学( 华尔) 硕士论文系统设计 有以下的特点。 接入互联网。平台能够支持互联网上最常用的t c p i p 传输协议。 如：i p 、t c p 、u d p 、1 1 t t p 、i c m p 、d h c p 、d n s 等协议。 高可靠。可靠性是控制平台的基本要求。没有可靠性的设备显然 无法诈常的工作和使用。必须采用一种或多种方法最大限度的提高系统 的可靠性。特别是在一些远距离测控系统中，系统无人职守，现场环境 较恶劣，供电电源不稳定，强静电场等等，更要求设备具有高可靠性。 开放性。作为一个控制、检测平台，应该是一个开放的系统，做 到儿是符合接口和通信标准的都可以连接到此平台上。有了开放性才能 对系统扩展。根据控制现场信号的特点，可以采用串行或并行总线达到 系统的开放性。在提供必要的转换模块以后，可以做到一般设备直接或 经过简单处理后连接到平台上。 操作简单、易维护、易管理。对于远程工业控制设备，要求操作 尽量的简单。易维护、易管理可以大大降低维护管理难度，降低维护管 理费用。 低成本。这不但要求尽量降低系统本身的成本，对接入互联网的 设备来说，更重要的是尽量降低运营成本。 2 3 系统的硬件结构 根据工业控制设备运行环境的分析，设计出如下的系统硬件结构。 如图2 一l 所示。 在系统硬件框架上，整个系统主要由以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 为核 心的互联网接入模块、以a t m e g a l 2 8 单片机为核心的总控模块、以m a x 4 8 8 为核心的串行总线扩展模块、t m l 2 2 3 2 a b a 显示模块、以7 4 l s 2 4 5 驱动为 核心的并行口扩展模块、a d 转换模块、以m a x 2 0 2 e 为核心的参数设置 模块组成。 以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 为核心的互联网接入模块主要负责系统平 台与i n t e r n e t 的信息交换，实现互联网和单片机模块之间物理层、部分 数据链路层通信协议上的转换。一方面，当有远程操作台的服务请求时， 石油大学( 华尔) 硕十论文系统设计 将单片机模块送来的t c p i p 数据帧增加8 字节前导和4 字节的c r c 校验 后以曼彻斯特编码比特流的方式由双绞线发出。另一方面，将网络上远程 控制台传送来的以t c p i p 协议封装的数据提取出来送给单片机模块。 r t l 8 0 1 9 a s 芯片是r e a l t e k 公司的制造的网络控制器，兼容n e 2 0 0 0 类型 的网卡。比较容易得到，芯片的很多特性适合做嵌入式应用，是用单片 机控制网卡的一个较好的芯片。 图21 系统体系结构 以a t m e g a l 2 8 单片机为核心的总控模块由a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 单片机及外围电路组成。其主要功能为：a ) 接收r t l 8 0 1 9 a s 为核心的互 联网接入模块接收的数据，通过t c p t p 协议解析，提取数据，并按系统 的要求将这些数据发送到串行或并行总线上，分配给不同的控制设备。 b ) 将从控制系统串、并行扩展总线接受的数据，按照用户特定的过滤和 处理要求处理，封装为满足t c p i p 协议的数据包，再送给r t l 8 0 1 9 a s 为 核心的互联网接入模块。c ) 经过简单的用户编程，通过运行控制平台连 接的设备协调工作程序，实现系统各设备的协调运转。由于单片机模块 从部分网络服务功能中解脱出来，此部分选择a t m e l 公司最新、功能最 强的8 位单片机a t m e g a l 2 8 即可胜任，从而有效的控制系统的总体成本。 以m a x 4 8 8 为核心的串行总线扩展模块。主要完成系统与串行数字输 入输出设备的连接和数据传输。串行总线传输数据距离较远，随着嵌入 石油人学( 华东) 硕士论文系统设计 式系统的发展和在控制设备中的应用，现在的数字仪器、仪表一般采用 串行数据传输方式。总线上又可挂接多个设备，便于管理、提高传输效 率。r s 4 8 5 标准串行总线是目前工控设备嵌入式系统中普遍采用的串行 总线，系统采用m a x 公司的m a x 4 8 9 e 芯片完成r s 4 8 5 总线扩展，增加了 系统的开放性、可扩展性。符合系统总线标准的任何设备都可接入系统。 以t m l 2 2 3 2 a b a 显示模块，主要显示系统运行参数、运行状态，以便 系统出现故障时及时维护、维修。 以7 4 l s 2 4 5 驱动为核心的并行口扩展模块。主要完成系统与a d 和 d a 转换模块的连接。d a 、a d 转换模块往往需要较大的数据传输带宽， 采用串行总线很难达到要求的传输速度，设计并行总线完成此类设备的 数据传输是合适的。并行总线适合连接近距离且要求数据传输量较大的 设备( 一般1 】1 】之内) 。 a d 转换模块。因为a t m e g a j 2 8 单片机具有8 路1 0 位的a d 转换通 道，能够满足简单应用要求，这部分主要是扩展这些通道。 以m a x 2 0 2 e 为核心的参数设置模块组成。完成网络中的参数如：m a c 地址、i p 地址、子网掩码、网关等写入功能。 互联网接入模块、总控模块、串行总线扩展模块、液晶显示模块、 并行口扩展模块、a d 转换模块、参数设置模块各负其责。既可以把单 片机从互联网的传输中解脱出来以协调系统中各设备的运行，为设计此 部分时单片机的选型提供更大的空间，又降低各部分各自的难度和复杂 度。从而大大降低设计的难度和系统维护的复杂程度。易于维护、更新 和升级。 2 4 系统的工作流程 客户端根据系统的u r l 通过i n t e r n e t 或i n t r a n e t 向嵌入式w e b 服 务器提出h t t p 页面请求。首先嵌入式w e b 服务器将系统中存储的h t t p 页面数据文件通过i r t e m p t 或i n t r a n e t 提交给客户端浏览器，由浏览 器解释执行，将系统连接设备的控制、检测命令显示给用户。用户选择 浏览器显示的设备页面的控制、检测命令，激活页面连接的c g i 程序， 石油人学( 华东) 硕十论文系统设计 嵌入式w e b 服务器执行c g i 应用程序控制设备运行，获取设备的运行数 据或测试状态数据，再将处理结果以h t m l 文件的格式通过网络返回给用 户。从而实现设备的远程控制和检测。通过刷新或再次请求激活嵌入式 w e b 服务器上的c g i 应用程序，远程用户就可以通i n t e r n e t 或i n t r a n e t 不断的获取设备运行信息。工作流程如图2 2 所示。 图2 - 2 系统工作流程图 石油人学( 华东) 硕十论文系统硬什设计 第3 章系统硬件设计 3 1 总控模块 总控模块以a t m e g a l 2 8 单片机为核心及其运行所必需的外围电路构 成“3 ，如图3 一l 所示。 图3 - 1 系统总控模块电路图 a t m e g a l 2 8 1 单片机是目前a t m e l 公司a v r 系列8 位单片机中功能最 强的单片机，它具有以下特点： ( 1 ) 先进的r i s c 精简指令集结构 一高性能低功耗的a v r 8 位微控制器 油大学( 华永) 硕士论文系统硬什设计 一1 3 3 条功能强大的指令大部分在单时钟周期内执行 3 2x8 个通用工作寄存器和外设控制寄存器 一全静态操作 一工作在1 6 m h z 下具有1 6 m i p s 的性能 一片内带有执行时间为两个时钟周期的硬件乘法器 ( 2 ) 非易失性的程序和数据存储器 1 2 8 k 字节在线可重复编程f l a s h ，擦写次数1 0 0 0 次 一b o o r 区具有独立的加密位，可通过片内的引导程序实现在系统编程， 写操作时真正可读 一4 k 字节e e p r o i 非易失性数据存储器，擦写次数1 0 0 ，o o o 次 一4 k 字节内部s r a m 最大6 4 k 字节可选外部存储器空间 一程序加密位 一在线可编程s p i 接口 ( 3 ) j t f i g ( 符合i e e es l d 1 1 4 9 1 标准) 接口 边界扫描能力 一广泛的片内d e b u g 支抒 一通过f f t a g 接口对f l a s h ，e e p r o m ，熔丝位和加密位编稃( j t a g 是j o i n t t e s ta c t i o no r o u p 的缩写。这个群体定义i e e e l l 4 9 1 作为j t a g 标准。 标准的建立使得集成电路固定在p c b 上，只通过边界扫描便可以被测试。 t i 绝大部分i ) s p 均采用j t a g 接1 3 。) ( 4 ) 外设特点 一两个带预分频器和一种比较模式的8 位定时计数器 两个扩充的带预分频器和比较模式捕获模式的1 6 位定时计数器 一具有独立振荡器的实时计数器 一一通道8 位p 删 一6 通道2 到1 6 位精度p 硎 输出比较调节器 一8 通道l o 位a d 转换 石油大学( 华东) 硕士论文系统硬件设计 一二路可编程串行u a r t 接口 一主从s p i 串行接口 一带内部振荡器的可编程看门狗定时器 一片内模拟比较器 ( 5 ) 特别的m c u 特点 一上电复位和可编程的低电压检测 一内部可校准的r c 振荡器 一外部和内部中断源 一五种睡眠模式：空闲模式a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式待 命模式和扩展待命模式 一可软件选择时钟频率 一通过一个熔丝选定a t m e g a l 0 3 兼容模式 一端口全局上拉禁止 ( 6 ) i o 和封装 一5 3 个可编程的i o 脚 一6 4 脚t q f p 封装 ( 7 ) 工作电压 一 4 5 5 5 v ( 8 ) 速度等级 一0 1 6m h z 总控模块包括a t m e g a l 2 8 单片机、上电复位电路、和晶体振荡电路。 上电复位电路通过个斯密特触发器与a t m e g a l 2 8 单片机内部复位电路 相连。同时，复位电路为整个系统提供可靠的复位信号。由c 9 ，c i o 和 1 6 m 晶体振荡器构成晶体振荡器电路接单片机的x t a l i 和x t a l 2 为单片 机提供主频。t o s l 和t o s 2 端直接接入3 2 7 6 8 k 晶体振荡器提供定时计 数标准时钟。a t m e g a l 2 8 丰富的i o 端1 3 为系统扩展提供很大的方便。 将p a 口扩展为系统的数据总线，p b 口扩展为系统的芯片选信号输出口， p c 口扩展为系统的地址总线，p d1 3 扩展为系统的并行端口，p e 口为参 数写入端口和程序写入端口扩展，p f 为a o 转换端口。 石油大学( 华东) 硕士论文 系统硬件设计 3 2 网络接入模块 网络接入模块由r t l 8 0 1 9 a s 网络控制芯片及其外围电路组成。 r t l 8 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司生产的网卡控制芯片，具有以下特点“1 ： 一1 0 0 脚p q f p 封装 一r t l 8 0 1 9 软件兼容 一支持p n p 自动检测方式 一符合e t h e r n e t ii 和i e e e8 0 2 3 l o b a s e 5 ，l o b a s e 2 ，l o b a s e t 标准。 一兼容n o v e l ln e 2 0 0 0 一支持跳线和免跳线方式 一支持m i c r o s o f t 公司的即插即用方式 一支持全双工模式 一支持三种“掉电”模式：睡眠、内部时钟运行、内部时钟停止 一内置预取功能，提高执行效率 一支持u t p ，a u i b n c 自动检测 一支持l o t 3 a s e t 自动极性修f 一支持8 i r q 中断 一支持1 6 位i o 基本地址选择和外部地址译码( r t l 8 0 1 9 a s ) 一支持1 6 k ，3 2 k ，6 4 k 和1 6 k 分页方式存取b r o m ( 可达2 5 6 页) 一支持远程启动后的b r o m 失效命令以释放存储器 一支持快闪存储器读写 一r t l 8 0 1 9 a s 内置1 6 k 字节s r a m 一使用9 3 c 4 6 ( 6 4 1 6 位e e p r o m ) 存储设置参数 一具有在线9 3 c 4 6 编程功能 一支持4 路可编程l e d 状态指示输出 r t l 8 0 1 9 a s 的速度达到i o m p s ，它的中断传输方式、内部1 6 k s r a 】i f 、 f i f o 、通过连接e e p r o m 可在线编程、可编程l e d 状态指示、初始化和中 断驱动程序简单等很多特性，适合做嵌入式应用系统，是一个可用单片 机控制的较好的网络控制芯片。并且，r t l 8 0 1 9 a s 价格便宜，容易得到。 网络接入模块的电路图如图3 2 所示。 1 6 彳f 汕人1 ( 7 # 力、) 埘，分业第3 章系统垭”i 量i r t l s 0 1 9 a s 町以兼容8 位和1 6 位操作。由于a t i e g a l 2 8 是8 位的数 据总线，因此耍用r t l s o l 9 a s 的8 何总线模式( 每次读入或写入1 个字 节) 。r t l 8 0 9 a s 的1 0 c s t 6 通过下拉电阻接地，选择8 位模式，s 0 0 一s 0 7 作为数据输入输出端口。采用2 0 m 品振提供运行j 频率第6 5 脚j p 是输 入引脚，当6 5 脚为商电平时，设置为跳线方式，网卡的i 0 和q 。断山跳 线决定。( ) 和中断i 闷是多少需要用到6 4 ，6 5 ，7 8 ，7 9 ，8 0 ，8 1 ，8 2 ， 8 乱8 5 等引脚决定。6 4 脚 u i 决定使用a u 还是b n c 接口，a u i 为低f _ 乜 平，设置为b n c 接几。1 3 n c 接口方式支持8 线双绞线或同轴电缆。网络 接口类型m7 4 ，7 7 ( p l o ，p i 1 ) 引脚决定，接高电半，选择l o b a s e 2 类 型双绞线。芯片的i o 地址由引脚8 5 ，8 4 ，8 2 ，8 1 ( 1 0 5 3 i o s o ) 决定： i o s 3 i o s o 悬空，为低电半，i o 口地址为3 0 0 h 。卷片的中断线由以卜 引脚8 0 ，7 9 ，7 8 ( i r q s 2 1 r q s o ) 决定，i r q s 2 i r q s o 悬空，为低电平， 设置为i n t o 。b c s b 为低电半，s m e m r b ，s m e m w b 为高电平，无b r o m 。山 a t m e g a l 2 8 具有e e p r o m ，此芯片不再选择9 3 c 4 6 存储参数。l e d o 接黄色 发光二极管，表示此模块卜在接收数据；l e d l 接绿色发光极管，表示 与此模块与网络之问已建市正确连接。r e s d r v ( 3 3 脚) 通过反棚器7 4 0 4 接复位电路的输出r e s e t 复位，需要8 0 0 t i s 的宽度高电平，该引脚施加 l u s 以上的高电平复位。i n t o 接单片机的i n t 5 ( p e 5 ) 。i o r ，l o w 接到单 片机的w r 、r d ，控制读写。g n d 是地，v c c 为+ 5 v 的电源。s a l 5 接反 相器作为芯片输入输出空间选择。r t l 8 0 1 9 a s 使用地址：0 x 4 0 0 0 一o x 7 f f f ， 使用页地址寄存器，访问所有寄存器内容。基地址为0 x 8 3 0 0 ，偏移量为 o o h 一一o f h 共1 6 个地址，为寄存器地址。1 0 l 卜一1 7 h 共8 个地址，为 d 姒地址。1 8 h 一一1 f h 共8 个地址，为复位端口。对于8 位的操作方式， e 面的地址中只有1 8 个是有用的：o o h 一一o f h 共1 6 个寄存器地址。 l o hd m a 地址( i o h 一一1 7 h 的8 个地址是一样的，都可以用来做d m a 端 口，只要用其中的一个就可以了) i f h 复位地址。 第1 8 页 石油大学( 华东) 硕士论文系统硬件设计 3 3 串行总线扩展 随着计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术的发展， 现场总线( f i e l db u s ) 成为工业控制领域中种新兴的控制技术。现场总 线是应用于生产现场、在智能化测量控制设备之间实现双向串行多节点 数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 与传统控制系统相比，现场总线控制系统在结构上以总线式网络替代了 现场设备之间的大量一对一连线，控制方式上以高度分散的全分布式控 制替代了集中与分散相结合的集散式控制。因而在节省硬件投资以及提 高系统灵活性、可靠性、准确性和易维护性等方面有明显的进步。 嵌入式系统底层支持现场总线网络控制技术是未来工业设备网络化 的主要发展方向。r s 一4 8 5 接口芯片已广泛应用于工业控制仪器、仪表， 多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域”1 。为了增加系统的可扩充性、 灵活性、开放性，系统扩展u a r t o 设计了以r s 4 8 5 为标准的系统串行总 线。如图3 3 所示： 图3 - 3 串行总线扩展 r s 一4 8 5 接口标准采用差分传输方式，差分输入范围为一7 v + 1 2 v ， 以双绞线作为传输介质，故它具有较好的抑制共模干扰的能力。扩展串行 总线电路采用m a x i m 公司的1 a x 4 8 8 芯片，实现上位机和下位机之间的全 双工r s 4 8 5 标准与t t l 标准之间的相互转换、通信，可接入的标准节点数 为3 2 ，最远通信距离为1 2 0 0 m 。m a x 4 8 8 为限斜率驱动”1 ，有效抑制信号 在传输过程中产生电磁干扰和终端反射而导致的有效信号和无效信号在 石油犬学( 华东) 硕十论文系统硬件设计 传输线上相互迭加，在要求苛刻的工控环境下通信也可正常进行。此部 分还采用光电隔离器t l p 5 2 卜2 ，在某些工业控制领域，由于现场环境十 分复杂，各个节点之间存在很高的共模电压，电磁、静电较强。虽然r s 一4 8 5 接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但共模电 压超过r s 一4 8 5 接收器的极限接收电压，即大于+ 1 2 v 或小于7 v 时，接 收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器。对系统导 致毁灭性的影响。通过光电耦合器t l p 5 2 1 2 将数字信号与r s 一4 8 8 收发 器的信号实现电气的隔离，以更大限度的降低干扰信号带来的影响。实 践证明光电隔离对降低信号串扰相当有效。 3 4 并行总线扩展 系统与a d 和d a 转换器的连接往往需要传输的数据量比较大，采 用串行总线则很难达到要求的传输速度，设计并行总线接口完成此类设 备的数据传输。并行总线连接近距离设备( 一般1 m 之内) 。如图3 - 4 所 不a 图3 _ 4 并行端口扩展电路 并行口扩展模块以7 4 l s