网络测量和嵌入式MCU控制系统的设计

网络测量和嵌入式MCU控制系统的设计摘要：本文介绍了一种基于以太网的嵌入式单片机网络测量和控制系统，它采用高速单片机8052的内核。通过以太网控制专用芯片,系统实现TCP/IP协议的功能。由于系统可以作为独立的系统使用,任何在网络上的计算机都可以通过标准TCP/IP协议来控制系统或传输命令和数据。装备系统装有数字温度传感器,它可通过网络计算机来测量工业现场温度和传输的结果,然后得到温度曲线。它的测量和控制范围是-10~125℃,准确性达到±1℃，分辨率达到0.1℃。这个系统有很多优点,如结构简单、更好的普及,网络沟通灵活,低成本等。它可以适应不同的智能传感器并且有很好的扩展能力。它也可用于远程数据采集、远程测量和控制等等。1.简介测量和控制系统的发展历史经历了以下六个阶段。(1)传统的控制系统由单片机、PC或IPC。(2)基于PC总线的测量和控制系统。(3)分布式控制系统(DCS)。(4)基于局域网的DCS系统。(5)HART总线开发的2线4~20ma标准信号,它是一种在现场设备和自动控制设备之间使用的现场总线。(6)在20世纪90年代以来，随着互联网的快速发展,使得互联网有可能成为更快的，更方便的，更经济的交换信息的方式。因此测控系统可以成为全球网络的客户端。目前,基于互联网的远程控制系统驱动测量和控制技术的发展,并已应用于监控领域的核电站、石油运输管道、电网运行和机器人。远程控制系统基于互联网快速的信息传递,强大的交互性和低成本的优势,使它可以实现数据共享。现有的网络控制设备主要使用调制解调器芯片，通过电话网络来进行PPP协议的拨号、互联网或专用网络。虽然这个方法可以实现网络控制和数据传输,但由于取决于电话网络,使其使用成本显著增加。此外,传输速度不超过几百kbps(通常只有几十kbps或更低),由于电话网络的限制,使得它不适合大量数据传输的需要。因此,基于以太网的网络测控技术变得越来越重要。以太网是一种广泛使用的局域网标准,可由IEEE-802.3标准定义的,并且它可以支持10Mbps,100Mbps,或1000Mbps的带宽,通常用双绞线或光纤作为传输介质，其特点是低价格、成熟的技术、灵活的应用程序。2.单片机网络系统的设计方案这是一个基于以太网网络系统的嵌入式单片机测控系统类型,用一个微处理器8052内核。它使用到常见的ARP、IP、ICMP、TCP和UDP协议部分，通过控制RTL8019AS以太网TCP/IP的功能，它是一种特殊的工业以太网芯片。在以太网网络上，它可以作为一个独立的系统。任何计算机在以太网上可以通过标准的TCP/IP协议,访问系统来传输控制命令或数据。系统功能具有以下特点:(1)结构简单;(2)低成本、方便应用在许多节点;(3)可以适应各种设备;(4)它可以通过网络进行交流，这个数据采集系统利用串行接口,它可以适应各种智能传感器，拥有很强的扩张能力,并且可以广泛用于远程数据采集、远程控制等。线路图和嵌入式单片机网络系统的系统程序流程图，分别如图1,图2。为了实现单片机的标准TCP/IP协议，华邦电子公司W78E58生产的单片机主要为控制芯片的电路设计。W78E58单片机可以满足以下三个条件:第一,它是与MCS-51系列单片机兼容。第二,内部程序内存32kb,足以写进一个大项目。第三，时钟频率可以达到40Mhz的水平。图1所示。嵌入式C网络系统的电路框图以W78E58为中心,随着数据传输的方向,它可以构成两个主要功能模块:一个是数据采集通道,通过MAX232接口芯片,连接到W78E58串行输入/输出端口。二是通过W78E58P0端口和P2端口，以太网接口外部RAM芯片和32kb(62256)，完成读写操作或控制。所以传感器(或控制器)或数据控制信号来自网络最初是以太网芯片,然后发送到W78E58单片机数据处理,然后运输到89c51单片机的串口,89c51包数据标准的TCP/IP数据包,然后发送到远程主机。此外能适应不同的传感器和网络系统网络主机,体系与2kbit外部闪存AT24C02,这是用于存储系统参数如IP地址、端口、串口设置等等。3.嵌入式单片机网络系统电路设计网络传感器采用美国达拉斯公司DS1821机可编程数字温度传感器。单片机采用Atmel公司的AT89C51单片机,这是完全兼容与MCS-51系列单片机。它有4kbFlash程序内存来存储用户程序，避免扩展外部程序存储器。为了适应嵌入式单片机网络系统,它通过串口状态来接收控制命令、数据和传输温度的值。串行端口级别转换芯片使用MAXIM公司MAX232芯片。DS1821有两种操作模式:单线模式和恒温器模式。单模式适合数字温度计或温度测量系统;在恒温器模式下,用户需要计划构成了温度控制系统。两个工作模式可以相互转换。AT89C51单片机芯片将控制命令和接收到的数据通过串口转换成DS1821机的信号,然后发送到DS1821,因此控制DS1821完成。DS1821返回机的状态值或温度的信号值。这些信号和AT89C51单片机识别和转换从串口发送。W78E58单片机使用22.1184MHz晶体振荡器,如图3所示。加电复位电路由C1和R3。预设开关S1-1用于设置进入设置状态或正常工作状态时,系统启动。P1.5(净标签重置)连接到复位销的网卡,实现复位功能。图3。W78E58单片机电路图RAM内存62256连接到单片机典型电路。74hc373用于锁低8位地址总线。62256地址范围是0x0000~0x7fff。SDA和SCL引脚在外部，内存AT24C02连接到单片机分别P1.7和P1.6引脚。W78E58软件通过P1.6P1.7引脚模拟I2C总线的时钟,因而完成AT24C02的读和写操作完成。写保护引脚连接到低电平,不执行写保护。而连接A0,A1,A2分别接地插脚,读和写的地址是0xa1和0xa0。串行接口芯片MAX232的引脚TXD,RXD分别接在单片机CPU的RXD和TXD。这个系统可以使用任何ISA接口并且兼容NE2000网卡。新网卡可以用他们自己的设置程序在计算机上设置以满足嵌入式网络系统的基本要求。具体程序如下:(1)进入ms-dos操作系统上,运行网卡设置程序。(2)根据表1设置网卡。表一：网卡设置参数设置值操作模式Jumperiess介质类型自动检测全双工准确普通I/O200H中断3(3)选择“是”退出设置程序和这些设置生效。拿出这张卡片的电脑,将其插入到系统板。4.系统参数自定义设置网络系统提供自定义的初始化参数函数。用户可以灵活地通过使用所有系统初始化参数，来设置“超级系统”Windows操作的工具系统。首先,系统串行端口连接到计算机串口的COM2。从“开始”菜单,选择“程序”“附件”“沟通”,开发超级系统,还有一个“连接描述”对话框中,等待输入连接名称,进入“设置”,点击“ok”。然后会出现一个“连接”窗口,在“联系”的地方,选择COM2连接系统和计算机之间并单击“ok”。然后设置COM2的通信参数“COM2属性”设置窗口，单击“ok”进入超级系统主界面。为了得到更好的结果在配置参数的过程中,有必要设置“超级系统”更详细。单击工具栏上的“属性”按钮,打开“属性”对话框。选择“设置”,点击“ASCII代码集”按钮在ASCII设置窗口。完成这些设置后,系统返回主界面,“超级系统”在等待连接状态。把预设S1-1切换到“关”的位置,显示绿灯表示串口数据传输，显示红灯表示网络数据传输。5.程序设计和网络系统的应用程序单片机完成读写数据DS1821与时机。时钟传送数据位和命令决定需要什么样的操作。5.1写时间单片机I/O位(一线总线)从高到低水平便开始进入写周期。写时间包括两种类型:写“1”时间和写“0”时间。两个写周期，之间保持至少60s,之间有1s恢复时间。DS1821采取抽样后15̚s~60s便使I/O改变一次低电平。如果I/O线高电平便写“1”,如果I/O线是低电平便写“0”，写时间波形如图4所示。当单片机开始写“1”循环,必须把I/O线低水平,然后释放,拉到一个高电平15s时间。当单片机开始写“0”周期,也应该把I/O线为低电平,并维持60s的时间。图4。读和写周期波形5.2读时间当单片机使I/O线级别从高到低,读周期将开始,和I/O线保持低电平的时间至少1s。DS1821输出数据生效后15S内读取时间下降沿出现。在这段时间里,单片机应该释放I/O,这样在输入状态下读取数据。读时间结束后15s,外部上拉电阻、I/O线再次成为高电平阅读数据至少需要60s时间,在1s时间两位数据恢复。阅读时间波形如图4所示。使用温度控制系统来衡量某些工业现场温度,然后传输到计算机网络,最终获得温度曲线如图5所示。图5.温度曲线该系统测量和控制范围-10̚ˇ125℃,温度测量误差不超过±1℃，精确度达到了0.1℃。结论网络测量和控制技术在工业体系发挥着重要的作用。以太网是一个局域网标准的广泛应用,由IEEE定义ˉ802.3,可以支持10mbps,100mbps和1000mbps的带宽,通常使用双绞线或光纤作为传输介质。其特点是低价格,成熟的技术和灵活的应用程序。基于以太网的嵌入式单片机网络测量和控制系统的特点是性能先进、灵活的应用程序和低成本等,这样系统可以推广和应用。引用[1]张开红，赵伟.基于网络测量和控制system-networked仪器电气测量及仪表.2002.11[2]沙展友.智能精密压力传感器网络的原理和应用.2003.8[3]沙展友.智能集成温度传感器的原理和应用.2002.7