本科毕业论文——三相数字多功能网络智能电表.doc

摘 要随着互联网络的日益普及和嵌入式系统在智能控制方面的发展，将水表、电表等设备接入互联网络，通过互联网络进行智能控制和数据传输,是未来信息设备十分重要的发展方向。其中智能电表的研究是当今的一个热门问题。本系统就是将智能控制和数据传输的需要结合起来，研制了一款具有以太网通讯功能的数字智能电表。本文介绍了智能电表系统总体的组成和设计，首先重点讲述智能电表系统中的通信模块，描述了基于单片机的网络通信研究，设计并实现了以单片机MSP430F149为MCU，通过以太网控制器CS8900A实现TCP/IP通信的硬件设计，还加上了用于RS-485通信的接口。其次，详细介绍了TCP/IP栈的层次结构和其中的一些主要的协议，如TCP、UDP、IP、ICMP等协议，这些在软件的设计中是十分重要的。在以太网上，TCP/IP协议保证了每时每刻数据准确的传输，如何利用TCP/IP协议在网络中进行数据传输是一个热门话题。在本系统中，利用TCP/IP协议中的TCP(传输控制协议)、UDP（用户数据报协议）、IP（网络报文协议）、ARP（地址解析协议）及应用层协议成功地实现了单片机的网络互连。 最后介绍了实现TCP/IP通信程序的结构和程序中主要函数的功能，并进行了硬件调试。关键词 MSP430F149，以太网控制器，CS8900A，TCP/IP，MODBUSABSTRACTFor the Ethernet having been widely used day by day and development for the intelligent control of the embedded system, it is a major area of the development of information equipment that we plant the water meters, ammeters into the Ethernet and do intelligent control and data communication. Nowadays the research on intelligent ammeters is a hot topic. We combine the needs of intelligent control and data communication, then develop a kind of digital intelligent ammeter which has the function of the Ethernet communication.This article gives a description about the construction and implementation of the intelligent ammeter. First we take emphases on the communication module of the intelligent ammeter system. We describe the research about the communication on Ethernet which is based on the SCM, design and implement the hardware device of the TCP/IP communication. It uses MSP430F149 as the MCU and communicates through the Ethernet controller CS8900A. In addition, we also have the RS-485 communication interface.Next, we describe the layer structure of TCP/IP stack and some important protocols, such as TCP, UDP, IP and ICMP, in detail. These protocols are very important in the software design. On Ethernet, TCP/IP protocols can make sure that the data is communicated correctly every time. How to use TCP/IP protocols to communicate data on Ethernet becomes a hot topic nowadays. In this system, we use TCP(Transmission Control Protocol), UDP(User Datagram Protocol), IP(Internet Protocol), ARP (Address Resolution Protocol) in the TCP/IP stack and some protocols on the application layer to implement the network connection by the SCM successfully. In the last section, we describe the construction of the programs which implement the TCP/IP communication. Then the capability of some important functions is discussed in the end.KEY WORDS MSP430F149，Ethernet Controller，cs8900A，TCP/IP，MODBUS目录摘 要.IABSTRACT.II前 言.1第一章 绪论.31.1 研究背景.3 1.2 本人完成的工作和各章节内容安排.4第二章 系统介绍.5 2.1 处理模块和通信模块.5 2.2 采集模块.5 2.3 复位电路.6 2.4 电源.6 2.4.1 模块电源.6 2.4.2 TPS7133.7 2.5 键盘.9 2.6 液晶显示.9 2.7 JTAGE.9第三章 通信模块的硬件设计.10 3.1 处理模块MCU.10 3.1.1 MSP430F系列单片机.10 3.1.2 MSP430F149中的片内外设.11 3.2 TCP/IP通信的硬件设计.12 3.2.1 总体设计.12 3.2.2 以太网控制器CS8900A.13 3.2.3 网络变压器PM45-1040M.153.2.4 RJ45接口.163.3 RS485通信的硬件设计.16 3.3.1 总体设计.163.3.2 SN75LBC184芯片.173.3.3 SN75LBC184的应用.183.4 硬件电路的PCB图.18第四章 通信协议.204.1 TCP/IP协议栈.20 4.1.1 TCP/IP协议栈.204.1.2 TCP/IP参考模型.20 4.2 主要协议.234.2.1 TCP（Transmission Control Protocol）协议.234.2.2 UDP（User Datagram Protocol）协议.254.2.3 IP(Internet Protocol)协议.264.2.4 ICMP(Internet Control Message Protocol)协议.274.3 MODBUS协议.27 4.3.1 MODBUS协议的通信.28 4.3.2 MODBUS协议的通信方式.294.4 RS-485通信.33第五章 通信模块软件设计.345.1 通信模块的软件调试环境.345.2 通信模块的软件.34 5.2.1以太网控制器CS8900A的设置.34 5.2.2 TCP/IP通信的实现.35 5.2.3应用层HTTP服务器和MODBUS通信的实现.37第六章 硬件调试.39第七章 结论与展望.44致 谢.45参考文献.46附录.47英文翻译.47翻译原文.6171 前 言电子数字计算机诞生于1946年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到20世纪70年代，微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房。基于高速数值计算能力的微型机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制，正是因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向，嵌入式计算机系统的技术要求是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。随着互联网的日益普及和互联网络硬件、软件的迅猛发展，信息设备上网已经成为现实。传统的网络应用以PC为中心,当今的网络应用正转向以嵌入式设备为中心，这意味着我们进入了嵌入式网络时代。嵌入式计算机与网络的结合是一种的必然趋势。如今使用网络的用户呈指数增长，而在使用计算机进行网络互联的同时，信息共享程度的要求在不断提高，使得各种家电设备、仪器仪表以及工业生产中的数据采集与控制设备在逐步地走向网络化，以便利用庞大的网络资源，实现分布式远程监控、信息交换与共享网络中庞大的信息资源。这样，就对网络和嵌入式系统提出了要求：如何利用以太网实现远程控制系统，如何通过互联网共享以单片机应用系统为核心的小型嵌入式设备的信息，如何利用现已十分成熟的技术、MCU及以太网控制器芯片接入互联网，这些就是嵌入式系统通信研究的发展趋势1。为了适应当前技术发展和生产实际的需要，本文介绍了三相数字多功能智能电表的系统结构，主要完成了其中重要的网络通信模块，实现了用单片机实现网络通信的硬件设计和软件编程。文中，使用TI公司的MSP430F149单片机，以太网控制器采用CIRRUS LOGIC公司生产的CS8900A，来实现TCP/IP通信。另外通信模块还采用了了传统的RS485接口。第一章 绪论1.1 研究背景近年来，全国城市、农村对电网进行大规模改造、建设，电力系统的电能表应用量迅速增长，据不全完统计，国家电网和南方电网拥有计费电能表总量为19500万台。其中，两网直接管理用于计费的11800万台，非直接管理用于计费的7700万台。同时，由于全国社会用电量跨跃式增长，电力工业进入快速发展时期，电网经济技术管理发生很大的变革，由此引发电力系统的电能表应用技术领域不断扩展，提出许多具有电力专业特点的技术要求，电能表也面临新的产品设计改进和技术创新机遇。推进电力系统电能表应用技术发展的要素： 1、在现代大容量电网上，百万千瓦级发电机并网，百万伏级电网开工建设。 电力体制改革逐步到位，发电厂与电网分开；多年电力紧张，国家出台新的电价政策和用电需求的管理办法为电力营销提供公正、合理、可靠的计量保证。2、全国城市、农村电网改造之后，电网强化线损管理、变电站经济管理、配电变压器运行管理；3、全国一户一表工程结束之后，本地与远程自动抄表提到议事日程。鉴于以上背景，近几年的电子式电能表的新技术、新产品不断推向市场，围绕改进与完善电网经济技术管理，电能表应用技术发展前景看好。我们关注的是第三条发展需求，即本地与远程自动抄表技术。长期以来，我国生产的交流电度表均为感应式机械电度表。几十年来电力部门不得不采用人工抄读的原始方式。人工抄表带来诸多问题，如开销大，不方便控制，经常出现偷电现象，而且也给用户带来了不便。随着网络的日益普及，各种家电设备、仪器仪表以及工业生产中的数据采集与控制设备在逐步地走向网络化，这样就可以利用庞大的网络资源，实现分布式远程监控、信息交换与共享网络中庞大的信息资源。对电力部门来说，数据统计和实时监测仍然是一个有待解决的问题，而对于用户来讲，也希望能够实时的了解自己的用电情况，可以方便的根据用电多少决定什么时候交电费。这样就对传统电表提出了新的要求，要求它利用嵌入式技术的发展，使用单片机实现数据在以太网上的传输，做到能够远程抄表，远程控制电表终端，这样就能做到实时的监控，节约了人力物力2。目前，采用PLC技术实现集中抄表的方案比较成熟，但PLC的成本较高，为了适应当前技术发展和生产实际的需要，本文研发了基于单片机的三相数字多功能智能电表。1.2 本人完成的工作和各章节内容安排本人主要完成了如下工作：1、了解三相数字多功能智能电表的系统结构和对网络通信的需求，同小组人员设计了通信模块的硬件结构。2、根据要完成的通信功能选好实现通信的器件，重点完成了通信模块的硬件原理图和PCB图的绘制，并制成通信板。3、与同组同学调试通信板，使通信板能够正常工作。4、掌握了TCP/IP网络通信协议，在此基础上完成了通信模块的软件设计，并进行了调试。5、建立了HTTP服务器，实现了TCP/IP通信。6、通过TCP/IP通信实现了应用层的MODBUS传输协议。总结以上的工作，本文的各个章节安排如下：第一章 论文的研究背景和各章节内容安排第二章 整个三相数字多功能智能电表系统的组成第三章 通信模块的硬件设计第四章 通信协议（TCP/IP协议栈）第五章 通信模块的软件设计第六章 硬件调试第七章 结论第二章 系统结构三相数字多功能电表系统主要由采集模块、通信模块和处理模块，以及一些外围模块组成。由于本文主要是对通信模块的研究，对于该系统的其它模块只作简单的介绍，只详细介绍电源的使用。智能电表系统的硬件模块功能图如图2.1所示。图2.1 系统总体硬件模块图2.1 处理模块和通信模块处理模块用的是TI公司生产的MSP430F149单片机。通信模块主要靠以太网控制器CS8900A来完成TCP/IP通信，SN75LBC184来完成RS-485通信。该部分的设计将在第三章中有具体详细的讲解，在此就不赘述。2.2 采集模块SA9904B芯片是SAMES公司推出的一种三相功率/电量测量专用集成电路芯片（ASIC），可实时测量单相、双相和三相输电线路的有功电能、无功电能、电压有效值和频率值。该芯片具有SPI接口， 外部微处理器可通过此接口读取原始值，再根据相应的计算公式进行计算，最后得到各项电力参数的测量值。芯片功耗低于60mW，具有静电保护功能，工作温度范围宽。基于以上特点，SA9904B芯片能很好的完成本系统中的电能采集功能，因此系统中使用SAMES公司SA9904B电能集成芯片和TI公司的MSP430F149单片机组合来进行电能采集。2.3 复位电路单片机的复位电路是十分重要的，本实验中采用积分复位电路来实现上电复位（如图2.2），二极管的作用是实现电容的放电。若要实现手动复位，在/RST和GND间加入开关即可（如图2.3）。 图2.2 积分复位电路 图2.3 带手动复位的积分复位电路2.4 电源单片机MSP430149的工作电压范围为1.83.6V，以太网控制器CS8900ACQ工作电压为5V，正常工作温度为0+70摄氏度，因此系统必须使用双电源供电。先由AC/DC模块电源实现220V交流电到5V直流电的转化，选择TPS7133芯片实现5V-3.3V的转化实现双电源。2.4.1 模块电源 1、L-N接交流输入端、FG接机壳(地线)。2、输入端瞬态电压保护电路.FUSE为保险管，保险管电流额定值随输出功率大小而定，一般选择正常工作电流的两倍。3、输出端接E1，C1。C1为0.1F的钽电容或独石电容, 用来滤除高频噪声，耐压要求大于输出电压；E1尽量选用ESR电容（低损耗铝电解电容）用来降低纹波，此电容的耐压要大于输出电压，此电容的容值与输出的功率也有密切的关系, 理论上说, 功率越大，容值越大, 当用户不能通过理论计算确定此电容值时，可用实验验证选型。2.4.1 TPS7133TPS7133的引脚图和引脚说明见图2.5和表2.1。表2.1 TPS7133引脚说明引脚序号引脚名称功 能1GND接地2EN片选信号3IN电压输入端4IN电压输入端5OUT电压输出端6OUT电压输出端7SENSE电压测试端8PG电源好（Power Good）输出信号 图2.5 TPS7133的引脚图3TPS7133内部结构如图2.6所示。图2.6 TPS7133的内部结构图3IN是电压输入端，输入电压的范围在4.3-10V。OUT是电压输出端，在25时的典型输出是3.3V，在-40-+125的工作范围内，其输出电压最小为3.23V，最大为3.37V。TPS7133片内有两个比较器，其中的一个参考电压为1.178V，这个比较器的另一个输入是SENSE端经过R1和R2分压后的电压。在实际应用中，SENSE端一般与OUT端相连，片内R1为420K，R2为233K，当输出电压为3.3V时，可以计算出比较器的正输入端电压为1.177V，因此这个比较器的输出为低电平。对另外一个参考电压为1.12V的比较器来说，它的负输入端为1.177V，因此这个比较器的输出也为负4。TPS7133的主要特点如下： 1、具有3.3V稳压输出； 2、静态电流典型值为285A； 3、输出电流可达500mA； 4、具有Power Good(电源好)指示功能 TPS7133的特点能满足设计中对双电源的要求，因此使用TPS7133实现的双电源供电电路图（如图2.7）。图2.7 TPS7133双电源供电电路图32.5 键盘液晶显示部分需要切换显示的画面，因此要使用键盘来提供切换命令。本系统选取独立式四按键键盘，按键与MSP430F149有中断功能的P1.0P1.3相连，软件上采用中断方式进入中断程序，完成各键功能。这样不但能减少系统功耗，还可以降低CPU利用率。2.6 液晶显示液晶显示模块要将采集到的三相电压、电能和频率等值显示出来，NS12864-12液晶显示块可以满足系统的需要。NS12864-12是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。因此，三相数字多功能电表中的显示部分使用NS12864-12液晶显示块。2.7 JTAGE通过仿真器来将程序下载到单片机中。仿真器25-PIN芯电缆与计算机并口连接，14-PIN的扁平电缆与适配器或用户目标板的JTAGE接口相连。JTAGE的1、2、3、5、7、9、11脚分别和芯片的TDO/TDI，VCC_MSP，TDI/Vpp，TMS，TCK，GND，RES/NMI相连。第三章 通讯模块的硬件设计本次实验的通信分为TCP/IP通信和RS-485通信两种通信模式。3.1 处理模块MCU3.1.1 MSP430F系列单片机TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混和信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。它们具有16位的RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430位控制器能达到最高的代码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功耗；数字控制的振荡器(DCO)可以使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。MSP430系列单片机的特点：1、 低电压、超低功耗MSP430系列单片机在1.83.6V电压，1MHz的时钟条件下运行，耗电电流因工作模式而不同，在0.1400uA之间2、 强大的处理能力有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下，指令周期为125us。3、 系统工作稳定4、 丰富的片内外设看门狗(WDT)、定时器A(Timer_A)、定时器B(Timer_B)、比较器、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位/14位ADC、端口16(P0P6)、基本定时器(Basic Timer)5、 方便高效的开发环境6、 工业级的产品运行环境温度为-40+855。基于以上特点，MSP430F149特别适用于作为嵌入式系统的MCU，因此本系统中选取TI公司的MSP430系列中的MSP430F149单片机作为处理模块。3.1.2 MSP430F149中的片内外设MSP430F149的一个重要特点是它拥有丰富的片内外设，这些外设能实现许多功能。MSP430F149具有60K字节的FLASH存储器和2K字节的RAM、看门狗定时器(Watchdog Timer)、6个8位的通用I/O口、12位A/D转换器、2个串行通信接口和1个硬件乘法器等。MSP430F149的60K字节FLASH存储器足以存储网页数据，6个通用I/O口既可以用来控制以太网控制器CS8900A，也可以用来执行其它的用户命令，12位A/D转换器可以用来在终端采集数据，然后再通过网络发给用户。 MSP430F149的三个时钟模块（高速晶体、低速晶体和数字控制振荡器DCO）输出三种不同频率的时钟（MCLK、ACLK、SMCLK）给各种不同需求的模块（如图3.1）。ACLK（外围模块的时钟信号，由LFXT1CLK经过1、2、4、8分频得到）、MCLK（用于CPU和系统，由LFXT1CLK、 XT2CLK、 DCOCLK之一经过1、2、4、8分频得到）、SMCLK（用于各外围模块，由LFXT1CLK、 XT2CLK、 DCOCLK之一经过1、2、4、8分频得到）。图3.1 基本时钟模块三个时钟输入源：LFXT1CLK：可由低速晶体产生（32.768KHz），接口XIN、XOUT。用作SMCLK、MCLK、ACLK信号。没有用作SMCLK、MCLK时可以用软件置位OSCOFF以禁止LFTX1工作以减小功耗。LFXT1CLK也可接高速晶振，XTS位必须置位。XTS=0时工作在低频模式，XTS=1时工作在高频模式。XTS是DCO的寄存器BSCCTL1中的一位。XT2CLK：由高速晶体产生，450KHz8MHz即可，接口XT2IN、XT2OUT。用作SMCLK、MCLK信号。DCOCLK：片内可数字控制的RC振荡器。用作MCLK、SMCLK信号。当外部两个振荡器失效时，DCO振荡器会自动被选作MCLK的时钟源。DCO的控制由DCOVTL、BCSCTL1、BCSCTL2三个寄存器完成。DCO能快速振荡，没有启动延时时间，有相对低的操作电流，可软件选择操作频率，但频率会随电压和温度的波动偏移6。3.2 TCP/IP通信的硬件设计3.2.1 总体设计接受以太网上传来的数据时，数据由RJ-45接口进入，经由网络变压器PM45-1040M进入以太网控制器CS8900A，再交给单片机MSP430F149处理。发送数据时由单片机MSP430F149控制以太网控制器CS8900A将数据通过网络变压器PM45-1040M和RJ-45接口发送到以太网中7，如图3.2、3.3所示。 图3.2 通信结构图图3.3 实现TCP/IP通信的硬件连接图3.2.2 以太网控制器CS8900ACS8900A是CIRRUS LOGIC公司生产的低功耗、性能优越的、适用于嵌入式设备的低成本的16位以太网控制器，功能强大。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。CS8900A内部功能模块主要是802.3介质访问控制块（MAC）。802.3介质访问控制块支持全双工操作，完全依照IEEE802.3以太网标准（ISO/IEC8802-3，1993），它负责处理有关以太网数据帧的发送和接收，包括：冲突检测、帧头的产生和检测，CRC校验码的生成和验证。通过对发送控制寄存器（TxCMD）的初始化配置，MAC能自动完成帧的冲突后重传。如果帧的数据部分少于46个字节，它能生成填充字段使数据帧达到802.3所要求的最短长度。它的主要特点如下： 1、 符合IEEE802.3以太网标准，并带有ISA接口2、 片内4K字节RAM3、 适用于I/O操作模式，存储器操作模式和DMA操作模式4、 带有传送、接收低通滤波的10Base-T连接口5、 支持10Base2,10Base5和10Base-F的AUI自动重发 6、 最大电流消耗为55mA(5V电源) 7、 全双工操作8、 支持外部EEPROM 另外，要实现CS8900A与主机之间的数据通讯，在电路设计时可根据具体情况灵活选择合适的数据传输模式。CS8900A支持的传输模式有I/O模式和Memory模式，另外还有DMA模式。其中，I/O模式访问CS8900A存储区的缺省模式，比较简单易用8。CS8900A还提供其它性能和配置选择。它独特的PacketPage结构可自动适应网络通信量模式的改变和现有系统资源，从而提高系统效率。CS8900A为100引脚TQFP封装的芯片，是适合细小板型、对成本变化敏感的以太网应用产品的理想产品。目前，许多的以太网控制器都只提供PCI（周边元件扩展接口）接口，而CS8900A可以直接和微控制器相连，所以可用MSP430F149的I/O口来直接对CS8900A进行控制，非常适用于本设计。基于CS8900A优良的性能，本系统中选用它作为以太网控制器。表3.1 802.3帧格式 7B 1B 2或6B 2或6B 2B 0-1500B 0-46B 4B先导字段帧开始标志目的地址源地址数据字段长度数据填充字段校验和CS8900A基本工作原理是：在收到由主机发来的数据报后（从目的地址到数据域，如表3.1所示），侦听网络线路。如果线路忙，它就等到线路空闲为止，否则，立即发送该数据帧。发送过程中，首先，它添加以太网帧头（包括先导字段和帧开始标志），然后，生成CRC校验码，最后，将此数据帧发送到以太网上。接收时，它将从以太网收到的数据帧在经过解码、去掉帧头和地址检验等步骤后缓存在片内。在CRC校验通过后，它会根据初始化配置情况，通知主机CS8900A收到了数据帧，最后，用上面介绍的某种传输模式传到主机的存储区中。下面对它的几个主要工作寄存器进行介绍（寄存器后括号内的数字为寄存器地址相对基址300H的偏移量）：LINECTL（0112H）LINECTL决定CS8900的基本配置和物理接口。在本系统中，设置初始值为00d3H，选择物理接口为10BASE-T，并使能设备的发送和接收控制位。RXCTL（0104H）RXCTL控制CS8900接收特定数据报。设置RXTCL的初始值为0d05H，接收网络上的广播或者目标地址同本地物理地址相同的正确数据报。RXCFG（0102H）RXCFG控制CS8900接收到特定数据报后会引发接收中断。RXCFG可设置为0103H，这样当收到一个正确的数据报后，CS8900会产生一个接收中断。BUSCT（0116H）BUSCT可控制芯片的I/O接口的一些操作。设置初始值为8017H，打开CS8900的中断总控制位。ISQ（0120H）ISQ是网卡芯片的中断状态寄存器，内部映射接收中断状态寄存器和发送中断状态寄存器的内容。PORT0（0000H）发送和接收数据时，CPU通过PORT0传递数据。TXCMD（0004H）发送控制寄存器，如果写入数据00C0H，那么网卡芯片在全部数据写入后开始发送数据。TXLENG（0006H）发送数据长度寄存器，发送数据时，首先写入发送数据长度，然后将数据通过PORT0写入芯片。以上为几个最主要的工作寄存器（为16位），CS8900支持8位模式，当读或写16位数据时，低位字节对应偶地址，高位字节对应奇地址。例如，向TXCMD中写入00C0H，则可将00h写入305H，将C0H写入304H9。系统工作时，应首先对网卡芯片进行初始化，即写寄存器LINECTL、RXCTL、RCCFG、BUSCT。发数据时，写控制寄存器TXCMD，并将发送数据长度写入TXLENG，然后将数据依次写入PORT0口，如将第一个字节写入300H，第二个字节写入301H，第三个字节写入300H，依此类推。网卡芯片将数据组织为链路层类型并添加填充位和CRC校验送到网络同样，单片机查询ISO的数据，当有数据来到后，读取接收到的数据帧。读数据时，单片机依次读地址300H，301H，300H，301H10。有型号CS890A-CQ（070，5V）、CS8900A-IQ（-4085，5V）、CS8900A-CQ3（070，3.3V）、CS8900A-IQ3（-4085，3.3V），本次实验使用CS8900A-CQ（070，5V）。3.2.3 网络变压器PM45-1040M用来在以太网控制器和以太网间转换信号，同时起到隔离和滤波的作用。图3.4 PM45-1040M内部结构图3.2.4 RJ45接口RJ-45是我们常见的双绞线以太网端口。RJ-45是一个常用名称，指的是由IEC（60）603-7标准化，使用由国际性的接插件标准定义的8个位置（8针）的模块化插孔或者插头。数据信息通过该接口与网络相连接。3.3 RS485通信的硬件设计3.3.1 总体设计JP5接外界485总线，通过SN75LBC184经RXD把数据发送给MSP430F149，MSP430F149通过TXD把数据通过75LBC184传出，R/T是输入/输出选择线。RXD、TXD、R/T分别与MSP430F149的P3.7/URXD1、P3.6/UTXD1、P3.5/URXD0引脚相连,结构如图3.5、3.6所示。图3.5 RS-485器件结构 图3.6 实现RS485通信的硬件连接图3.3.2 SN75LBC184芯片SN75LBC184是TI公司生产的一种RS-485接口芯片，使用单一电源Vcc，电压在35.5V 范围内都能正常工作，能完成TTL与RS485之间的转换。其引脚图如图3.7所示: R为发送端，RE为接收使能端，DE为发送使能端，D为接收端，A、B为差分发送、平衡接收端，GND地线，Vcc电源电压。该芯片与普通的RS485收发器相比，有一个显著的特点，那就是片内A, B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置（如图3.8），可以承受峰值为400W(典型值)的过压瞬变，引起过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电、电源系统开关干扰等，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输人端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输人端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它的输人阻抗为RS485标准输人阻抗的2倍(24K)，故可以在总线上连接64个收发器8。因此选用SN75LBC184作为RS-485的通信接口。3.3.3 SN75LBC184的应用SN75LBC184其工作原理如图3.9所示。 图3.9 SN75LBC184工作示意图11本次实验中采用SN75LBC184做为RS485的通信接口图如图3.10。图3.10 RS485的通信接口3.4 硬件电路的PCB图 通过对以上各个部分的分析，在它们原理图的基础上使用PROTEL DXP绘制了通信模块的PCB图（如图3.11）。 图3.11 通信模块的PCB图第四章 通信协议由于本人的工作重点在实现TCP/IP通信上，所以在此有必要详细介绍一下TCP/IP协议栈和应用层上的MODBUS协议，这是下一章的软件编程的基础。并且简要介绍一下RS485通信。4.1 TCP/IP协议栈4.1.1 TCP/IP协议栈TCP/IP是20世纪70年代中期美国国防部为其研究型网络ARPANET开发的网络体系结构。ARPANET最初是通过租用的电话线将美国的几百所大学和研究所连接起来。随着卫星通信技术和无线电技术的发展，这些技术也被应用到ARPANET网络中，而已有的协议已不能解决这些通信网络的互联问题，于是就提出了新的网络体系结构，用于将不同的通信网络无缝连接。这种体系结构后来就被称为TCP/IP参考模型，如表4.1所示。表4.1 TCP/IP参考模型应用层HTTP、TELNET、DNS、SMTP、FTP传输层 TCP，UDP网络层 IP数据链路层以太网、令牌环网、帧中继、ATM4.1.2 TCP/IP参考模型TCP/IP参考模型是4层结构，下面分别讨论这4层的功能。1. 数据链路层这是TCP/IP模型的最底层，有时也称作为网络接口层。通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。物理网络通常在链路层上使用与IP地址不同的编址方案，设备驱动程序根据帧头中的物理地址（也称硬件地址）来判断是否应该接受一个帧，而不是根据IP地址，因此必须有某种方法将IP地址映射到物理地址，实现这种映射的协议就是ARP协议，由物理地址寻找其IP地址的协议则是RARP协议。ARP（地址解析协议）和RARP（逆地址解析协议）主要作用有三个：一是为网络层接收和发送IP数据报；二是为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答；三是为RARP模块发送RARP请求和接收RARP应答。TCP/IP支持多种不同的链路层协议，这取决于网络所使用的硬件，如以太网、令牌环网、FDDI（光纤分布式数据接口）及RS_232串行线路等。2. 网络层有时也称为互联网层。在TCP/IP协议簇中，网络层核心协议为IP（网际协议），还有一些辅助协议包括ICMP（互联网控制报文协议）以及IGMP（互联网组管理协议）。IP（网际协议）是一个无连接的协议，负责将数据分组从源转发到目的地。主要功能有IP寻址、路由选择、分段及重组。IP（网际协议）既不能保证传输的可靠性，也不保证分组按正确的顺序达到目的地，甚至不能保证分组能够达到目的地。IP（网际协议）使用ICMP（互联网控制报文协议）为路由器提供机制以便向请求通信路径信息或路由可达性状态信息的其他路由器和主机提供这些信息。IGMP（互联网组管理协议）负责对IP多播组进行管理。网络层的主要功能包括四个方面。第一，处理来自传输层的分组发送请求，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往目的节点的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。第二，处理输入数据报，首先检查数据报的合法性，然后进行路由选择，假如该数据报已到达目的节点（本机），则去掉报头，将IP报文的数据部分交给相应的传输层协议；假如该数据报尚未到达目的节点，则转发该数据报。第三，处理ICMP报文，即处理网络的路由选择、流量控制和拥塞控制等问题。第四