（电力电子与电力传动专业论文）基于tcpip协议的船舶电站远程监测系统的研究.pdf

英文摘要 r e s e a r c hf o rr e m o t em o n i t o rs y s t e mo fm a r i n ee l e c t r i c a lp o w e r s t a t i o nb a s e do nt c p i pp r o t o c o l a b s t r a c t a l o n gw i t hd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , p o c k e te m b e d d e de q u i p m e n tw i t hs i n g l e - c h i pc o m p u t e rh a v ea l r e a d y a p p l i e de x t e n s i v e l y i ni n d u s t r i a l a u t o m a t i o n ，o f f i c i a l a u t o m a t i o na n d b u i l d i n g a u t o m a t i o ne t c t or e a l i z et h el o n g - d i s t a n c ed a t a - c o l l e c t e d ，c o n t r o la n ds oo n ，t h e n e t w o r kh a sb e c o m eat r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fn e w g e n e r a t i o ne m b e d d e ds y s t e m i t h a si m p o r t a n tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cv a l u et or e s e a r c ht h ec o n n e c t i o no f e m b e d d e ds y s t e ma n di n t e r a c t t h ei n t e r n e tg e t saf a s td e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v e l ya p p l i e dr e c e i v eb e n e f i ti n a d o p t e di n t e r n a t i o n a l i n g e n e r a lu s es t a n d a r da g r e e m e n tt c p i pa g r e e m e n t t h e t e c h n i c a ld e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e tp r o m o t e db u i l t i nn e t w o r ke q u i p m e n t si nt h e m a r k e tn e e do fp r o d u c t ，m a k et h e s ee q u i p m e n t sa n dp r o d u c ta n di n t e r n e tc o n n e c tw i t h e a c ho t h e rt ob e c o m et r e n d ，t h ei n t e r n e tt e c h n i q u ew i l lg od e e pi n t od a i l yl i f ea n dw o r k t h ee l e c t r o n i c se q u i p m e n t su s e d a d o p tt h ed s p i c 3 0 f 4 0 1 1m i c r o c o m p u t e ra st h ec o n t r o l l e rt h a tt h em a r i n ee l e c t r i c a l p o w e rs t a t i o nn e t w o r kc o r r e s p o n d sb yl e t t e ram o l dp i e c ei nt h i sp a p e r e m b e dt h e t c p i pp r o t o c o lt oa c c o m p l i s ht h ec o m m u t a t i o nw i t ht h ev a r i o u sd a t ao ft h ei n t e r n e t ； s t i l ln e e dt oc o m p l e t ea h o m o l o g o u sd a t at oc o l l e c t ，i n s t r u c t i o np e r f o r m a n c ee t c r e l a t e d f u n c t i o n 一 t h e p a p e r i n c l u d e st h ei n t r o d u c t i o no fc h a r a c t e r i s t i co fd s p i c 3 0 f 4 0 11 m i c r o c o m p u t e r , t h er e a s o no fc h o o s i n gn e t w o r kc a r dc h i pr t l 8 0 1 9 a s ，g i v i n gt h e c i r c u i to fh a r d w a r ei n t e r f a c ea n dt h ee x p l a n a t i o no fm o s t l yp e r i p h e r yp a r t s t h ed e s i g n o ft h ed r i v e ro fn e t w o r kc a r di si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h ei n t e r i o rs t r u c t u r eo f n e t w o r kc a r dc h i p ，t h em a i np i n s ，t h ef r a m ef o r m a to fe t h e r n e t ，t h ep r i n c i p l eo f r e c e i v e & s e n dd a t ap a c k a g e ，t h eo p e r a t i o no fd m ao fr t l 8 0 1 9 a sa r ed e s c r i b e di n d e t a i la n dt h ef l o wc h a r to fp r o g r a mi sa l s og i v e no u t t c p i pi sa ne n s e m b l eo fm a n yp r o t o c o l s s o m ef u n c t i o n sa r er e d u c e dt oa l l o w s i n g l e c h i pc o m p u t e rt og ot oi n t e r n e tb u tt c p i pp r o t o c o la n dp a c k a g ef o r m a ta r e e x p l a i n e di np a r t i c u l a r t h ew o r kf l o wo fs y s t e ma n dt h ef l o wc h a r to fe a c ht c p i p 英文摘要 m o d u l ea r eg i v e no u t ，t o o k e y w o r d s ：p i cm i c r o c o m p u t e r ；t c p f l pp r o t o c o l ；t l 8 0 1 9 a s ；s e r i a i p o r t c o m m u n i c a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 “基王匹丛逊这的墼缒鱼塑适猩堕型丕统的硒窥 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：撕杰、姊弓月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：咧艳杰导师签名： 日期：) 卯g 年弓月矽日 基于t c p i p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 随着网络技术的迅速发展，以p c 机为网络节点的概念正逐渐被突破，连通 性、网络化正逐渐成为各种现场设备、工业控制领域的发展方向。因此，无论是 芯片供应商、系统集成供应商，还是设备制造商都在研究和发展智能设备网络化 设计的技术和解决方案。如何将各类智能设备以及由它们组成的现场总线网络接 入互联网( i n t e r n e t ) ，从而使人们能够在更大范围内管理和使用这些装置，成为现 在国内外应用研究的方向之一f 1 2 l 。 由于i n t e r n e t 已经成为覆盖全世界的计算机网络，再加上网络技术的日趋成 熟和给人们可靠快捷的信息传递、数据共享、不受时空限制和交互性等优点，使 i n t e r n e t 已经成为信息时代的主要信息载体，并引起工业界和学术界的广泛关注。 i n t e m e t 得到快速的发展和广泛应用得益于采用了国际通用标准协议t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l f i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 协议。i n t e r n e t 技术的发展促进 了嵌入式网络设备与产品的市场需求，使这些设备和产品与i n t e r n e t 相连成为趋 势，i n t e m e t 技术将深入到日常生活和工作所用到的电子设备中。 而船舶电站控制装置作为现场设备如何通过计算机和互联网技术进行远程监 测是本文要解决的主要问题。船舶电站在船上具有极其重要的作用，电站供电的 连续性、可靠性和供电品质，将直接影响船舶的经济指标、技术指标和生命力。 船舶电站随着计算机技术的迅速发展而发展，在自动化电站控制方面与计算机技 术密不可分，船舶电站数据采集与监控系统是船舶电站自动化必不可少的组成部 分1 4 】o 随着i n t e r n e t 技术的普及，信息共享的程度越来越高，如果能将船舶电站运 行的相关信息传送到i n t e r n e t 上，实现远程监测将是非常有意义的。基于此目的， 本文研究基于t c p i p 协议的嵌入式船舶电站远程监测系统，在使用d s p i c 3 0 f 单 片机作为核心控制器件的基础上，设计网络接口等硬件模块及软件，设计远程监 测端的应用程序，实现在远程监测端对船舶电站的运行进行监测。 第1 章绪论 1 2 研究的内容 电站控制系统采用d s p 数字信号处理器，嵌入实时操作系统# c o s i i ，合 理的安排流程的优先级，对船舶电站的运行时间、开关次数、功率因数、电压、 电流等信息进行采集，管理。船舶电站远程监测系统就是将采集到的信息通过串 口r s 2 3 2 传送到嵌入t c p i p 协议的d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 单片机中，同时对数据进行打 包、封装；以太网接口控制芯片r t i 8 0 1 9 a s 将封装好的数据传送到局域网；最 后，通过网关将数据传送到i n t e r n e t 上。通过软件实现网络终端对数据的浏览。 基于t c p i p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 第2 章船舶电站远程监测系统的总体设计 船舶电站远程监测系统总体结构如图2 1 所示。船舶电站远程监测系统完成 了电站相关运行数据采集，数据网络传输和网络终端显示。在设计中主要分为三 个层次。首先，船舶电站是由t i 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器( d s p ) 控制的，d s p 控制液晶显示模块和数据采集模块，采集的数据主要包括船舶电站 发电机组的电压、电流、功率和频率，这些数据通过串口r s 2 3 2 传输到本设计 所采用的d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 单片机中；然后，在嵌入了t c p i p 协议的单片机中，数 据分别经过a r p 协议、i p 协议、i c m p 协议和t c p 协议的打包、封装和分用， 通过网卡驱动芯片r t l 8 0 1 9 a s 传输到局域网( i n t r a n e t ) 中；最后，局域网通过 网关将数据发送到i n t e r n e t 上，此时，使用与互联网相连的远程监测端的p c 机的 用户，登录船舶电站远程检测系统的界面后，就可以浏览相应的数据。 图2 1 船舶电站远程监测系统总体结构图 f i g 2 1t o t a ls t r u c t u r eo ft h er e m o t em o n i t o rs y s t e mo ft h em a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rs t a t i o n 第2 章船舶电站远程监测系统的总体设计 2 1 单片机的选型 随着科学技术的飞速发展，微控制器的应用越来越广泛，越来越多的厂商推 出了自己的微控制器产品。美国m i c r o c h i p 公司推出的p i c 系列微控制器可谓独 树一帜，它率先推出了采用精简指令集计算机r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e t c o m p u t e r ) 、哈佛双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8 位嵌入式控制 器( e m b e d d e dc o n t r o l l e r ) 。其高速度( 每条指令最快可达到1 6 0 n s 、低工作电压( 最 低工作电压为3 v ) 、低功耗( 3 v ，3 2 k h z 时1 5 u s ) 、较大的输入输出直接驱动l e d 能力、一次性编程o t p 、芯片的低价位、小体积( 8 引脚) 、指令简单易用易学等， 都体现了微控制器工业发展的新趋势。该公司推出了三个不同层次系列、几十种 型号的产品来满足不同的产品设计要求，这三个系列的微控制器的每一种型号的 芯片都含有片内程序存储器，而且他们的指令系统都向上兼容，用户可以根据需 要选择不同外围接口功能、不同封装形式和不同电压范围的芯片；该公司还可以 提供完整的可兼容的开发工具套件和世界范围的现场应用支持。所以在这个系列 的微控制器在国际市场上极具竞争力，在世界各国都有数量可观的用户群。p i c 系列单片机不仅解决了传统冯诺依曼结构单片机的“瓶颈”问题，并以高速度、低电 压、低功耗、大电流驱动能力和低价位o t p 及f l a s h 技术等特点，使其从众多同类 单片机产品中脱颖而出，成为世界上8 位微控制器中最有影响力的主流嵌入式控制 器之一。p i c 系列单片机在市场逐渐站稳脚跟之后，m i c r o c h i p 公司又推出了性价比 介于1 6 位单片机、3 2 位单片机及d s p 中低档机之间的d s p i c 芯片【5 】。 同时d s p i c 还兼容了单片机和d s p 芯片这两类产品的优点，具体包括：丰富 的外围部件，改进的中断能力，f l a s h 存储器，灵活的重编程能力，强大的开发环 境，引脚数少，使用优化的高级语言，方便p i c 系列单片机用户移植现有的代码， 熟悉的类似单片机的用户开发平台。此外，d s p i c 还可以支持4 m 2 4 位的可寻址 f l a s h 程序存储体，以及3 2 k x l 6 位的数据存储空间。相对于其它许多单片机的5 v 供电及d s p 的3 3 v 供电，d s p i c 的供电电压是2 5 5 5 v 5 1 。 根据实验室条件在设计中选择了d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 型号的单片机作为监测系统 的主要控制芯片。 基于t c p i p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 2 1 1d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 单片机 d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 单片机的引脚图如图2 2 所示1 6 1 。 m c l r e m u 0 3 ，a n o n r e f + 蛇n 荔r 8 0 e m u c 3 ，a n1 ，v r e f ，c n 3 r 81 a n 2 7 s s l ，c n 4 1 r b 2 a n 3 i n d x ，c n 髫r 8 3 a n 4 ，o e a ，l c 7 ，c n 8 ，r 8 4 a n 鄂q e b ! i c 8 ，c n 7 7 r 8 5 a n 6 ，o c f a ，r 8 6 a n 7 ，r 8 7 a n 副r 8 8 v o d v s s o s c1 ，c l k l o s c 2 ，c l k o r c15 e m u d l i s o s c i ，t 2 c k ，u 1 a t x ，c n l r c l 3 e m u c1 ，s o s c o ，1 7 1 c k ，ul a r x ，c n 0 r c l 4 f l t a ，i n t 0 ，r e 8 e m u d 2 ，0 c 2 ，i c 2 ，i n t z r d1 o c 4 r d 3 v s s 仂 屯 o u o - n 厶 。 一 a v c d a v s s p w m ll ，r e o p w m l h ，r e l 融m 2 l ，r e 2 p w m 2 h ，r e 3 p w m 3 l ，r e 4 p w m 3 h ，r e 5 v d d v s s c 1 r x ，r f 0 c 1 t ) “r f l u 2 r x ，c n 7 ，r f 4 u 2 t x ，c n18 ，r f 5 p g c 正m u c ，u1r ) “s d ，s o n r f 2 p g d e m u d 八jl t x s d oi ，s c u r f 3 s c k l 职f 6 e m u c 2 ，a l c1 i c i i i n 了，r d 0 0 c 3 ，r d 2 v d o 图2 2d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 引脚图 f i g 2 2p i n so fd s p i c 3 0 f 4 0 1 1 下面简单介绍一下将要用到的各引脚的类型和功能，如表2 1 所示。 5 抬骆锈弱弘鼹驼引筠觞玎筋筋孔筋勉到 ，2 3 4 5 6 7 8 9他坦他h诣俦仃俘伯加 第2 章船舶电站远程监测系统的总体设计 表2 1d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 引脚的类型和功能 t a b 2 1t y p ea n df u n c t i o no fd s p l c 3 0 f 4 0 1 1 引脚名称引脚类型引脚功能 m c l ri p 主要清零( 复位) 输入，或编程电压输入，该引脚对器 件是低有效复位。 c u ( ii 外部时钟源输入。 c l k oo 晶振输出。 t 1 c ki 定时器1 外部时钟输入。 t 2 c ki 定时器2 外部时钟输入。 i n t 0l 外部中断0 。 i n t li 外部中断1 。 u 2 r xi u a r t i 接收。 u 2 t xou a r t l 发送。 r e 0 r e 4 i o端口e ，双向i 0 口。 r e 5i o 端口e ，双向i o 口。 s c li o 1 2 c 的同步串行时钟输入输出。 s d ai o1 2 c 的同步串行数据输入输出。 r f 0 。r f li o 端口f ，双向i o 口。 r b 0 r b 7i o 端口b ，双向i o 口。 r f 6i o 端口f ，双向i o 口。 v d dp 逻辑i o 脚j 下电源。 v s sp 逻辑i o 脚参考地。 a v d dp 模拟电路模块的正电源。 a v s sp 模拟电路模块的参考地。 2 1 2 编程模型 编程模型包括1 6 个1 6 位工作寄存器( w o 至w 1 5 ) 、2 个4 0 位累加器( a c c a 和a c c b ) 、状态寄存器( s r ) 、数据表页寄存器( t b l p a g ) 、程序空间可视性页 基于t c p b p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 寄存器( p s v p a g ) 、d o 和r e p e a t 寄存器( d o s t a r t 、d o e n d 、d c o u n t 和 r c o u n t ) 以及程序计数器( p c ) 。工作寄存器可作为数据、地址或偏移量寄存 器。所有寄存器都是存储器映射的。w 0 用作进行文件寄存器寻址的w 寄存器。 这些寄存器中，一些寄存器有与之相关的影子寄存器。影子寄存器用作临时保持 寄存器，事件发生时可在影子寄存器和主寄存器之间传递内容。所有影子寄存器 均不能直接访问i 甜。寄存器与其影子寄存器之间的数据传递遵循以下规则： p u s h s 和p o e s w 0 、w l 、w 2 、w 3 和s r ( 仅限d c 、n 、o v 、z 和c 位) 与对应的影子寄存 器之间进行内容传递。 d o 指令 循环开始时，d o s t a r t 、d o e n d 和d c o u n t 寄存器的内容压入影子寄存器， 在循环结束时其内容从各自的影子寄存器中弹出。 对工作寄存器进行字节操作时，只影响目标寄存器的低字节( l e a s ts i g n i f i c a n t b y t e ，l s b ) 。不过，存储器映射工作寄存器的一个好处是，可以通过字节宽数据 存储空间访问来操作低字节和高字节( m o s ts i g n i f i c a n tb y t e ， m s b ) 。 2 1 3 程序地址空间 程序地址空间为4 m 指令字。它可通过2 3 位p c 、表指令有效地址( e f f e c t i v e a d d r e s s ，e a ) 或数据空间e a 来寻址。注意，为了提供与数据空间寻址的兼容 性，在两个连续的程序字之间，程序空间地址递增量为2 。 除t b l r d 仰l w t 指令外，对用户程序空间的所有访问限制在低4 m 指令 字地址范围( 0 x 0 0 0 0 0 0 至o ) 【7 f f f f e ) ；t b l r d t b l w t 使用t b l p a g 来决定 访问用户空间还是配置空间。 2 1 4 数据地址空间 内核具有两个数据空间。数据空间可以看作是独立的( 对于某些d g p 指令而 言) ，或者看作是统一的线性地址范围( 对于某些m c u 指令而言) 。使用两个地址 发生单元( a g u ) 和独立的数据路径访问这两个数据空间。 数据存储空间分为两块，x 和y 数据空间。这个架构的关键之处在于，y 空 间是x 空间的子集，y 空间完全包含在x 空间中。为了提供表面看似的线性寻址 第2 章船舶电站远程监测系统的总体设计 空间，x 和y 空间要有连续的地址。 在执行除m a c 类指令之外的任何指令时，x 块由6 4k b 数据地址空间( 包括 全部y 地址) 组成。在执行一条m a c 类指令时，x 块由6 4k b 数据地址空间组成， 但不包括y 地址块( 只用来读数据) 。换句话说，所有其他指令把整个数据存储 空间当作一个复合的地址空间。m a c 类指令把y 地址空间从数据空间中抽取出来， 使用源自w 1 0 和w l l 的e a 对其进行寻址。剩下的x 数据空间则使用w 8 和w 9 来 寻址。只有通过m a c 类指令才能同时访问这两个地址空间。 x 数据空间可用于所有指令，并且支持所有寻址模式。读数据总线和写数据 总线是独立的。x 读数据总线是所有指令的返回数据路径，它把数据空间视为组 合的x 和y 地址空间。对于双操作数读指令( m a c 类) ，它还是x 地址空间的 数据路径。x 写数据总线是所有指令对数据空间进行写操作的唯一路径。x 数据 空间还支持所有指令的模寻址，不过要受到寻址模式的限制。位反转寻址只是在 写x 数据空间时才支持【8 l 。 0 x 0 0 0 0 1 50 2 鍪 也： 电， 露 。 荔 袈 p c 0 0 0 0 0 0 0 0 0p c 一： w 1 5 c a l l 游) w 1 5 fc ；山磊) 图2 3c a l l 堆栈 f i g 2 3c a l l s t a c k 内核数据宽度为1 6 位。所有内部寄存器均按1 6 位宽的字来组织。数据存储 空间以字节可寻址的1 6 位宽的块来组织。 d s p i cd s c 具备一个软件堆栈。w 1 5 用作堆栈指针。堆栈指针总是指向第 一个可用的空字，并且从低地址向高地址方向增长。它在弹出堆栈之前递减，而 在压入堆栈之后递增，如图2 3 所示。注意，对于任何c a l l 指令时的p c 压 基y - t c p i p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 栈，在压入堆栈之前，p c 的m s b 要进行零扩展，从而确保了m s b 始终是清零 的。 2 1 5 地址发生器单元 d s p i cd s c 内核包含两个独立的地址发生器单元：x a g u 和ya g u 。ya g u 仅支持d s pm a c 类指令的字长度数据读取【8 l 。d s p i c 数字信号控制器a g u 支 持如下三种数据寻址类型t 线性寻址 模( 循环) 寻址 位反转寻址 线性寻址和模数据寻址模式可应用于数据空间或程序空间。位反转寻址只能用于 数据空间地址。 表2 2 给出基本的寻址模式，这些寻址模式经过优化可以支持各指令的具体 功能。m a c 类指令中提供的寻址模式与其他指令类型中的寻址模式略有不同。 表2 2 基本寻址模式 t a b 2 2b a s a la d d r e s s i n gm o d e 寻址模式说明 文件寄存器直接寻址明确指定文件寄存器的地址。 寄存器直接寻址直接访问寄存器的内容。 寄存器间接寻址w n 的内容形成e a 。 执行后修改的寄存器间接寻址w n 的内容形成e a 。然后用一个常量值来 修改w n ( 递增或递减) 。 执行前修改的寄存器间接寻址先用一个有符号常量值修改w n ( 递增或 递减) ，再由此时的w n 内容形成e a 。 带寄存器偏移量的寄存器间接寻址w n 和w b 的和形成e a 。 带立即数偏移量的寄存器间接寻址w n 和立即数的和形成e a 。 模寻址是一种使用硬件来自动支持循环数据缓冲区的方法。目的是在执行紧 第2 章船舶电站远程监测系统的总体设计 密循环代码时( 这在许多d s p 算法中很典型) ，不需要用软件来执行数据地址 边界检查。可以在数据空间或程序空间中进行模寻址( 因为这两种空间的数据指 针机制本质上是相同的) 。每个x ( 也提供指向程序空间的指针) 和y 数据空间 中都可支持一个循环缓冲区。模寻址可以对任何w 寄存器指针进行操作。然而， 最好不要将w 1 4 或w 1 5 用于模寻址，因为这两个寄存器分别用作堆栈帧指针和 堆栈指针。总的来说，任何特定的循环缓冲区只能配置为单向工作，因为根据缓 冲区的方向，对缓冲区起始地址( 对于递增缓冲区) 或结束地址( 对于递减缓冲 区) 有某些限使用限制的唯一例外是那些长度为2 的幂的缓冲区。这些缓冲区满 足起始和结束地址判据，它们可以双向工作( 即，在低地址边界和高地址边界上 都将进行地址边界检查) 。 位反转寻址用来简化基2f i 叩算法的数据重新排序。它为x a g u 所支持， 仅限于数据写入。地址修改量可以是常数或寄存器的内容，可视为将其位顺序反 转。源地址和目标地址仍然是正常的顺序。于是，唯一需要反转的操作数就是地 址修改量。当发生以下情况时，使能位反转寻址：m o d c o n 寄存器中b w m ( w 寄存器选择) 的值是除1 5 以外的任何值( 不能使用位反转寻址访问堆栈) ，且 x b r e v 寄存器中的b r e n 位置1 ，且使用的寻址模式是预递增或后递增的寄存 器间接寻址模式。如果位反转缓冲区的长度为m = 2 n 字节，则数据缓冲区起始 地址的最后“n 位必须为零。 2 1 6 中断 d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 有3 0 个中断源和4 个处理器异常( 陷阱) ，它们必须按照优 先级机制来进行仲裁。c p u 负责读取中断向量表( i n t e r r u p tv e c t o r t a b l e ，i ) ， 并把中断向量中的地址传送给程序计数器。中断向量从程序数据总线向程序计数 器的传送，是经由程序计数器输入侧2 4 位宽的多路开关来进行的。 对于每个中断源，用户可分配中断优先级位( i p ) 位于i p c x 寄存器中 每个半字节的最低3 位中。每个半字节的b i t3 未使用，读为0 。这些位定义了 用户分配给特定中断的优先级。( 用户可选择的优先级为从0 到7 ，0 是最低优先 级，7 是最高优先级。) 由于可能会有多个中断请求源被分配了同一个特定的用户 指定优先级，所以提供了一种方法在给定优先级内指定优先级。这种方法称为“自 基于t c p l p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 然顺序优先级 。自然顺序优先级由中断在向量表中的位置决定；只有在具有相 同用户分配优先级的多个中断同时等待处理时，自然顺序优先级才会影响中断操 作。 复位不是真正的异常，因为复位过程中并不涉及中断控制器。在响应强制清 零p c 的复位时，处理器初始化其寄存器。然后，处理器从单元0 x 0 0 0 0 0 0 开始 执行程序。一条g o t o 指令存放在第一个程序存储单元中，紧跟着的是g o t o 指令的地址目标。处理器执行g o t o ，跳转到指定地址，然后开始指定目标( 起 始) 地址处的操作。 可以将陷阱看作不可屏蔽中断，表明出现软件或硬件错误，陷阱遵循预定义 的优先级，陷阱旨在为用户提供一种方法，修正在调试和在应用中工作时的错误 操作。注意，很多陷阱条件只有在发生的时候才能检测到。因此，在陷阱异常处 理之前允许有问题的指令完成执行。如果用户选择从错误中恢复，可能不得不修 正导致陷阱的错误操作的结果。 在每个指令周期的开始，i f s x 寄存器都会采样所有的中断事件标志。i f s x 寄 存器中标志位等于1 ，表明有等待处理的中断请求( i r q ) 。如果中断允许( c x ) 寄存器中相应的位置1 ，则i r q 会导致中断产生。在余下的指令周期中，将评估 所有待处理中断请求的优先级。如果有待处理的i r q ，它的优先级比i p l 位中的 当前处理器优先级高，则处理器将被中断。随即，处理器将把当前程序计数器和 处理器状态寄存器的低字节( s r l ) 压入堆栈，如图2 4 所示。状态寄存器低字 节包含中断周期开始之前的处理器优先级。然后，处理器把中断的优先级装入 s t a t u s 寄存器【8 l 。这将禁止所有低优先级的中断，直到中断服务程序( i n t e r r u p t s e r v i c er o u t i n e ， i s r ) 完成为止。 第2 章船舶电站远程监测系统的总体设计 0 x 0 0 0 0 图2 4 中断堆栈帧 f i g 2 4i n t e r m i ts t a c k 在程序存储器中，中断向量表( t ) 之后是备用中断向量表( a t ) ，如 图2 4 所示。i n t c o n 2 寄存器中的a l t i v t 位控制对备用中断向量表的访问。 如果a l t i v t 位置1 ，则所有的中断和异常处理都将使用备用向量，而不是默认 向量。备用向量与默认向量的组织方式相同。a i v t 提供了一种在应用和支持环 境之间切换的方法，从而支持仿真和调试功能，而无需重新设定中断向量。这个 特性也支持运行时在不同应用之间切换，以便评估各种软件算法。如果不需要 a i v t ，分配给a i v t 的程序存储空间可以作其他用途。a i v t 不是受保护的区域， 用户可以对其自由编程。 中断控制器支持3 个外部中断请求信号，i n t 0 i n t l 。这些输入是边沿敏感 的；它们需要从低至高或从高至低的跳变来产生中断请求。i n t c o n 2 寄存器的 3 个位用于选择边沿检测电路的极性。 如果产生中断时器件处于休眠或空闲模式，中断控制器可以用来把处理器从 休眠或空闲模式中唤醒。如果中断控制器收到已允许的中断请求，且中断请求优 先级足够高的话，则标准中断请求将提交给处理器。同时，处理器将从休眠或空 闲中唤醒，开始执行处理中断请求所需的中断服务程序( i s r ) 。 基于t c p i p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 2 2 网络接口控制芯片r t l 8 0 19 a s 2 2 1r t l 8 0 1 9 a s 芯片概述 r t l 8 0 1 9 a s 是高度集成以太网控制器，它能够简单的解答即插即用n e 2 0 0 0 兼容适配器，这种适配器具有二重和功率下降特性。通过三电平控制特性， r t l 8 0 1 9 a s 是已制的对网络设备g r e e np c 理想的选择。全二重功能能够模拟 传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个特性不仅强带宽从1 0 到 2 0 m b p s ，而且避免了由于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取协议的问题。 微软公司的即插即用功能能减轻用户较差的营业收入而注意适配器资源，如i r q ， 输入输出和存储器地址等【9 以0 1 。然而，为了特殊的应用而得不到即插即用功能的 兼容性，r t l b 0 1 9 a s 支持j u m p e r 和j u m p e r l e s s 选项。 为了提供完全解决即插即用方案，r t l 8 0 1 9 a s 在集成1 0 b a s e t 收发器， b n c 和a u i 接口之间的自动检测功能。此外，8 条i r q 总线和1 6 条基本地址 总为大资源情况下提供了宽松的环境。 r t l 8 0 1 9 a s 支持1 6 k ，3 2 k ，和6 4 k 字节b r o m 和闪存接口。它仍然提供 页面模式功能，这种功能能支持在仅1 6 k 字节内存系统空间下的4 m 字节的 b r o m 。此外，b r o m 的无用命令被用来释放b r o m 内存空间。 r t l 8 0 1 鲫心用1 6 k 字节s r a m 设计在单片芯片上，它的设计不仅提供了更 多友好的功能，而且节省了s r a m 存储资源。 2 2 2 芯片引脚结构 图2 5 是r t l 8 0 1 9 a s 芯片引脚结构图【1 2 1 。 r t i _ b 0 1 9 a s 是一种全双工即插即用的以太网控制器，它在一块芯片上集成了 r t l 8 0 1 9 内核和一个1 6 k b 的s d r a m 存储器。它兼容r t l s 0 1 9 控制软件和 n e 2 0 0 08 b i t 或1 6 b i t 的传输，支持u ，r p ，a u i ，b n c 和p n p 自动检测模式，支持 外接闪烁存储器读写操作，支持i 0 口地址的完全解码，具有l e d 指示功能。其 接口符合e t h e m e t 2 和i e e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e t ) 标准。表2 3 是本文中要用到的引脚介绍。 第2 章船舶电站远程监测系统的总体设计 图2 5r t l 8 0 1 9 a s 引脚图 f i g 2 5p i n so f r t l 8 0 1 9 a s 2 2 3r t l 8 0 1 9 a s 的内部结构 r t l s 0 1 9 a s 是由台湾r e a l t e k 公司生产的网络接口芯片，选它的好处是价格比 较便宜，与n e 2 0 0 0 兼容【1 3 l ，它的主要性能有： ( 1 ) 符合e t h e m e ti i 与i e e e 8 0 2 3 标准； ( 2 ) 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率； ( 3 ) 内置1 6 k 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； 基tt c p f l p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 表2 3r t l 8 0 1 9 a s 引脚介绍 t a b 2 3i n t r o d u c eo fr t l 8 0 1 9 a s sp i n s 名称类描述 型 v d dp + 5 v g n dpg r o u n d s a o s a l 9 i 地址总线。 l o r bi 输入输出读指令端。 1 0 w bl 输入输出写指令端。 s m e m r bi 存储器读命令。 s m e m w bi 存储器写命令，用来闪存写命令解码。 r s t d r vi i s a 总线上的高效硬件复位端。 s d 0 s d 7 i o 数据总线。 t p o u t + o 这是一对进位微分的t p 传输输出。输出满切斯特编码信号 t p o u 有预扭曲性，以防止在双绞线媒体的o v e r c h a r g e 因此减少资 源紧张。 t x +o这是一对传输输出的包含微分线性的驱动器，它用来发送满 t x 切斯特编码数据到m a u 。 c d + ，c d i是从m a u 来的微分输入信号的进位。 r x + ，r x -i这是a u i 接收端对m a u 接收微分输入信号的进位。 t p q + ，t p i n i 这对i p 输入收到l o m b p s 的微分满切斯特编码。 l e d oo当l e d s 0 位为0 ，作为l e dc o l 。当l e d s 0 = i ，作为 l e d u n k 。 l e d lo当l e d s l 位为0 ，这两个端作为l e dr x 和l e dt x 。 当l e d s = i ，作为l e dc r s 和m c s b 。 j p i 当为高电平，将选择j u m p e r 模式。当为低，选择j u m p e r l e s s 模式 第2 章船舶电站远程监测系统的总体设计 ( 4 ) 支持8 1 6 位数据总线； ( 5 ) 8 个中断申请线以及1 6 个i 0 基地址选择； ( 6 ) 支持r j 一4 5 接口； ( 7 ) 支持对l o b a s e t ( 1 0 b a s e - t 中的l o 代表操作速率为l o m b p s ，b a s e 代表基 带传输方式，t 代表双绞线) 拓扑结构的自动极性修正； ( 8 ) 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出； ( 9 ) 内置l o b a s e - t 收发器，所需外围器件少。 其内部结构如图2 6 所示： 图2 6r t l 8 0 1 9 a s 内部结构 f i g 2 6i n n e rs t r u c t u r eo fr t l 8 0 1 9 a s 从上图可以看出r t l 8 0 1 9 a s 内部有三种存储器，这里只用1 6 k b 的s r a m ， 其他两种没用。b o o t r o m 在嵌入式领域一般都不用，在电脑里用来做无盘工作 站时候用到。 m a c 逻辑是介质访问控制逻辑，它完成以下功能：当d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 单片机 向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送 缓存区，然后发出传送命令；当r t l 8 0 1 9 a s 完成了上一帧的发送后，再开始此 基rt c p i p 协议的船舶电站远程监测系统的研究 帧的发送。r t l 8 0 1 9 a s 接收到的数据通过m a c 比较、c r c 校验后，由f i f o 存 到接收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。f i f o 逻 辑对收发数据作1 6 字节的缓冲，以减少对本地d m a 请求的频率。 第3 章船舶电站远程监测系统硬件的设计 第3 章船舶电站远程监测系统硬件的设计 本设计用到的硬件主要包括d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 单片机、r t l 8 0 1 9 a s 以太网口驱 动芯片、m a x 2 3 2 电平转换芯片、f c 2 2 耦合隔离变压器