基于LPC2210和DS18B20設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化的智能溫度傳感器

傳感器作為一種獲取信息的重要工具，在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮著重大的作用。但隨著微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展以及測控系統(tǒng)自動化、智能化的發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器已與各種微處理器相結(jié)合，并連入網(wǎng)絡(luò)，形成了帶有信息檢測、信號處理、邏輯思維等一系列功能的智能，傳感器。

1 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器簡介
    網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展；從被動檢測向主動進行信息處理方向發(fā)展；從就地測量向遠距離實時在線測控發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)化使得傳感器可以就近接入網(wǎng)絡(luò)，傳感器與測控設(shè)備間再無需點對點連接，大大簡化了連接線路，易于系統(tǒng)的維護和擴充。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器一般由信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元組成。這3個單元可以是采用不同芯片構(gòu)成合成式的，也可以是單片式結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的核心便是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器具有體積小、功耗低、可靠性高、可抗干擾能力強等特點。本系統(tǒng)就是采用嵌入式微處理器作為核心，使用數(shù)字式的溫度傳感器作為采集單元。系統(tǒng)設(shè)計中采用的是信息技術(shù)領(lǐng)域最新的B／S(Brower／Server，瀏覽器／服務(wù)器)結(jié)構(gòu)，用瀏覽器作為統(tǒng)一的客戶端，無需安裝軟件，使用起來更加方便。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    2．1 總體框架
    采用的嵌入式微處理器LPC2210是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器。功耗極低，具有多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷，特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟Modem以及其他類型的應(yīng)用。
    該嵌入式Web智能溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計的總體框架如圖1所示。

2．2 電源模塊
    LPC2200系列ARM7微控制器均要使用2組電源，I／O口供電電源為3．3 V，內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1．8 V應(yīng)用系統(tǒng)。如圖2所示，首先由CZl電源接口輸入9 V直流電源，二極管D1防止電源反接，經(jīng)過C1和C2兩個電容進行濾波；然后，通過LM7805將電源穩(wěn)壓至5 V，再使用LDO芯片(低壓差電源芯片)穩(wěn)壓輸出3．3 V及1．8 V電壓。

2．3 溫度傳感器
    溫度傳感器采用單線數(shù)字溫度傳感器DSl8820，該傳感器是Maxim公司生產(chǎn)的、屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。測溫范圍較廣，為一55～+125℃，固有測溫分辨率為O．5℃。其支持“一線總線”接口，即從DSl8820讀出信息或向DSl8820寫入信息僅需要一根口線(單線接口)。溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DSl8820供電，而無需額外電源。DSl8820集溫度測量、A／D轉(zhuǎn)換于一體，可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，具有體積小、接口方便、傳輸距離遠等特點。
    DS18820與微處理器LPC2210的連接圖如圖3所示。注意，應(yīng)加入一個阻值為5．1 kΩ的上拉電阻。

2．4 網(wǎng)絡(luò)接口
    網(wǎng)絡(luò)接口采用的是目前比較常用的lO Mbps嵌入式以太網(wǎng)控制芯片RTL8019。它是一種高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，內(nèi)部集成了DMA控制器、ISA總線控制器、16 KB SRAM和網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器。用戶可以通過DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)SRAM中，讓芯片自動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；而芯片在接收到數(shù)據(jù)后，用戶也可以通過DMA方式將其讀出。
    RTL8019AS與LPC2210一般通過外部總線進行連接，其連接關(guān)系如表1所列。

由表1可知，RTL8019AS使用LPC2210外部存儲控制的Bank2部分，而RTL8019AS的I／O地址為0x00300～Ox0031F，所以RTL8019AS在SA8=l、SA5=O時選通，其數(shù)據(jù)地址為0x83400000～Ox83400001F。
    NET_RST為LPC2210輸出引腳，RTL8019AS中斷信號為中斷輸入信號，且為外部中斷。RTL8019AS的SDO～SDl5串了一個470 Ω電阻連接到LPC2210的D0～D15。此外，該系統(tǒng)還加入了LCM接口，可以直接支持SMG240128A點陣圖形液晶模塊，便于通過液晶實時顯示傳感器所接收的溫度。

    3 系統(tǒng)軟件分析
    3．1 總體設(shè)計
    系統(tǒng)開發(fā)采用的是ARM公司的ADS1．2作為開發(fā)編譯環(huán)境。移植了μC／OS—II操作系統(tǒng)，主要采用C語言編寫。將μC／OS—II移植到ARM處理器上，需要修改3個與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件：OS_CPU．H、0S_CPU_A．ASM、OS_CPU_C．C。具體移植請參考相關(guān)書籍。
    程序首先調(diào)用OSinit()初始化μC／OS—II，完成對操作系統(tǒng)內(nèi)部一些變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏定義的初始化。在開始多任務(wù)之前，還需建立一個名為Task0()的任務(wù)，這一點是非常重要的，否則用戶的應(yīng)用程序就會崩潰。主任務(wù)中首先調(diào)用TargetInit()函數(shù)將目標板初始化，模板中包含這個初始化函數(shù)，它完成對板上硬件的一些初始化工作。之后啟動多任務(wù)環(huán)境，創(chuàng)建3個任務(wù)來實現(xiàn)系統(tǒng)最終的目標。這3個任務(wù)包括：傳感器對溫度的采集和處理；溫度比較與液晶顯示；建立Web服務(wù)器。下面對設(shè)計過程中比較關(guān)鍵問題進行詳細的闡述。
    3．2 軟件設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題
    3．2．1 傳感器的溫度采集
    在對傳感器數(shù)據(jù)采集的軟件編程中，采用的是單線總線協(xié)議。通過單線總線訪問DSl8820的協(xié)議包括：初始化DSl8820、ROM操作命令、存儲器操作命令和讀數(shù)據(jù)／處理數(shù)據(jù)。
    根據(jù)DSl8820的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫3個子程序：Init_DSl8820為初始化子程序；WriteOneChar為寫(命令或數(shù)據(jù))子程序；ReadOneChar為讀數(shù)據(jù)子程序。所有的數(shù)據(jù)讀／寫均由最低位開始。
    該系統(tǒng)的讀字節(jié)子程序的流程如圖4所示。

    溫度傳感器采集的關(guān)鍵任務(wù)程序代碼如下：

3．2．2 Web服務(wù)器的建立
    要在微處理器中建立Web服務(wù)器，主要需要實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的移植。設(shè)計中主要采用ZLG／IP軟件包，它是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的TCP／IP協(xié)議棧，是ZLG系列中間件的重要成員之一。ZLG／IP提供實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)上IP接點的功能，是一種高性能的嵌入式TCP／IP協(xié)議棧軟件。它使用μC／OS—II實時操作系統(tǒng)的信號機制來實現(xiàn)一個多任務(wù)并行、可重入的協(xié)議棧，完全使用ANSI C編寫，可以像μC／OS—II那樣支持多種CPU。ZLG／IP還具有層次清晰、易于升級和修改等特點。該ZLG／IP軟件包具體可見參考文獻。
    ZLG／IP采用模塊化層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，TCP／IP應(yīng)用程序是用戶自己編寫的μC／OS—II任務(wù)，是ZLG／IP的使用者，位于整個程序的最高層。TCP／IP應(yīng)用程序調(diào)用ZLG／IP提供的Socket API接口函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進行相應(yīng)的操作。Socket API接口位于TCP／IP協(xié)議與應(yīng)用程序之間，是用戶操作協(xié)議棧程序的工具，在應(yīng)用程序中通過調(diào)用Socket API接口函數(shù)來對協(xié)議棧軟件進行操作。TCP、UDP處理模塊是協(xié)議棧程序中處理傳輸層協(xié)議的模塊，負責對傳輸層的數(shù)據(jù)進行封裝和解拆，保存?zhèn)鬏攲舆B接狀態(tài)。點劃線內(nèi)部就是接收處理，包括IP報、ARP報、ICMP報的處理，及以太網(wǎng)層的數(shù)據(jù)接收驅(qū)動。接收驅(qū)動模塊在接收到數(shù)據(jù)后先進行分類，若是IP報就由IP處理模塊處理，若是ARP報就進行ARP協(xié)議處理。ARP請求報調(diào)用以太網(wǎng)發(fā)送模塊發(fā)送ARP應(yīng)答報。IP處理模塊把數(shù)據(jù)分類，TCP或UDP報則轉(zhuǎn)由上層的傳輸層模塊處理，而ICMP協(xié)議處理模塊負責對IC—MP協(xié)議進行處理。IP發(fā)送模塊負責封裝IP報，并把封裝好的IP報傳送到下層發(fā)送模塊。IP發(fā)送模塊有4個上層模塊調(diào)用：分別是Socket API接口、UDP處理、TCP處理和ICMP處理。它們把相應(yīng)的參數(shù)傳送給IP發(fā)送模塊，由IP發(fā)送模塊來封裝。Ethernet發(fā)送驅(qū)動模塊是屬于以太網(wǎng)層的處理模塊，負責封裝以太網(wǎng)報和數(shù)據(jù)的發(fā)送，調(diào)用它的模塊有ARP處理模塊和IP發(fā)送模塊。
    由于使用的是B／S結(jié)構(gòu)，則編程是采用的是TCP通信的Socket API。編寫TCP通信的任務(wù)時分為服務(wù)器方式和客戶機方式兩種。服務(wù)器方式是需要監(jiān)聽連接，只有在與客戶機建立連接后才能進行數(shù)據(jù)處理?？蛻魴C方式是主動連接服務(wù)器，也是在連接成功后才能進行數(shù)據(jù)處理。圖6是TCP通信時服務(wù)器端和客戶機端通信的函數(shù)應(yīng)用圖。

在編程時溫度傳感器有其唯一的一個IP地址，即192．168．O．174。子網(wǎng)掩碼是255．255．255．0，網(wǎng)關(guān)地址與IP地址相同。Web服務(wù)器建立在微處理器中，個人PC機為客戶端，當個人需要查詢溫度傳感器的值時，通過HTTP協(xié)議在瀏覽器中輸入該傳感器的IP地址(即ht—tp：／／192．168．O．174)，便可進入該系統(tǒng)的網(wǎng)頁溫度瀏覽界面。
    Web服務(wù)器任務(wù)程序代碼如下：

    結(jié) 語
    本系統(tǒng)已經(jīng)過測試運行良好，能方便地通過瀏覽器實時查詢溫度傳感器所采集的溫度值。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器是如今傳感器技術(shù)發(fā)展的一個新的方向，本系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)了一個基本的基于網(wǎng)絡(luò)的智能化傳感器，其中設(shè)計的重點主要是對TCP／IP通信協(xié)議的實現(xiàn)，即將TCP／IP協(xié)議棧移植到系統(tǒng)中，然后調(diào)用相關(guān)的API函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。而Web功能的實現(xiàn)主要采用了B／S模式，通過上層的HTTP協(xié)議實現(xiàn)了瀏覽器與嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器的交互。實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化控制可以很好地應(yīng)用在對家電設(shè)備的控制或工業(yè)現(xiàn)場的控制中，具有良好的應(yīng)用前景。