基于51單片機的溫度采集系統(tǒng)簡單應(yīng)用設(shè)計

0 引言

Internet的快速發(fā)展和成功促進(jìn)了以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的擴(kuò)展，所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，如傳統(tǒng)的工業(yè)控制、信息家電、智能家居、安全監(jiān)控、樓宇自動化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等。大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信接口符合UART 通信標(biāo)準(zhǔn)。這種通信方式的數(shù)據(jù)傳輸半徑十分有限，并不能滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨?，并且不能接入Internet.因此數(shù)據(jù)的交互接入Internet 就顯得非常重要了。

1 系統(tǒng)的總體方案及各主要模塊設(shè)計

系統(tǒng)以Microsemi(Actel)公司的基于FLASH 架構(gòu)的SoC FPGA 產(chǎn)品SmartFusion2器件為核心[1].系統(tǒng)通過Fabric架構(gòu)實現(xiàn)多路UART對外相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換寫入Fabric 的雙端口RAM.SmartFu-

sion2的ARM Cortex-M3子系統(tǒng)經(jīng)過AHB/APB總線矩陣以AHB/APB 方式訪問Fabric 的RAM,將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過Ethernet以網(wǎng)頁的形式在PC上顯示。反之，以同樣的路徑將主控的指令傳輸?shù)酵獠康慕K端設(shè)備。PC機端以網(wǎng)頁形式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)頁存放于SmartFusion2 內(nèi)部FLASH,內(nèi)核Cortex-M3 基于實時操作系統(tǒng)(FreeR-

TOS)管理任務(wù)，IP 采用靜態(tài)方式，內(nèi)核Cortex-M3 與Fabric采用AHB方式通信[2-3].系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件的設(shè)計可分為三個主要模塊，分別為PHY 物理層模塊，SoC 的Cortex-M3 內(nèi)核及FPGA 系統(tǒng)，UART模塊的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1 PHY模塊

PHY 即物理層(Physical Layer)。物理層協(xié)議可定義電氣信號標(biāo)準(zhǔn)、連線的狀態(tài)、時鐘信號的要求、數(shù)據(jù)編碼的格式和數(shù)據(jù)傳輸所用的連接器等。物理層通過一個定義好的接口與數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行通信。比如MAC 可以利用標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)無關(guān)性接口( MII接口)與PHY進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信。PHY還有個重要的功能就是實現(xiàn)以太網(wǎng)的CSMA/CD 部分功能，這是硬件上實現(xiàn)的。它可以檢測到網(wǎng)絡(luò)鏈路上是否有數(shù)據(jù)正在傳送，如果有數(shù)據(jù)在傳送中則進(jìn)行等待，當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑，就再等待一定的時間(不同的PHY會有不同)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。倘若兩塊網(wǎng)卡碰巧是同時發(fā)送數(shù)據(jù)，這將造成沖突，這時PHY 內(nèi)部的沖突檢測結(jié)構(gòu)可以檢測到?jīng)_突的發(fā)生，然后兩邊各自等待一定的時間進(jìn)行重發(fā)數(shù)據(jù)。

PHY 的電路圖連接圖如圖2 所示。KSZ8051 采用MII與SmartFusion2相連，由于MII兼容RMII接口，因此程序也可配置為RMII模式。Management采用2個引腳連接，分別為MDC 和MDIO,MII 的時鐘由PHYKSZ8051 提供，KSZ8051 的時鐘來自外部25 MHz 晶振。媒體連接采用RJ 45,兼容10 Mb/s和100 Mb/s.

1.2 SoC中的Cortex-M3模塊

系統(tǒng)使用Cortex-M3 中的MAC 模塊，如圖3 所示。

通過AHB控制Ethernet MAC模塊，對于MAC的配置是使用其內(nèi)部的寄存器，可以配置不同的接口模式，不同的速度。本系統(tǒng)配置為MII接口，100 Mb/s速度。

MAC(Media Access Control,媒體訪問控制子層協(xié)議)，主要負(fù)責(zé)控制和連接物理層。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，MAC 協(xié)議可以事先判斷現(xiàn)在是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送則將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)及附帶的控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層;在接收數(shù)據(jù)的時候，MAC 協(xié)議首先判斷輸入的信息是否發(fā)生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，則去掉控制信息發(fā)送至邏輯鏈路層(LLC)層。以太網(wǎng)MAC 協(xié)議由IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義。

PHY 與MAC 的接口方式有多種，如：

MII,RMII,SMII,SSMII,GMII,SGMII,TBI等。目前常見的PHY都提供標(biāo)準(zhǔn)的MII接口，RMII信號是對PHY內(nèi)部的MII的信號進(jìn)行編碼和解碼，這就是說支持MII接口的PHY 內(nèi)部都含有RMII 信號，也就是支持RMII接口。具體使用何種接口的PHY則必須根據(jù)MAC 芯片對應(yīng)的功能和接口的標(biāo)準(zhǔn)來決定。

采用FreeRTOS 實時操作系統(tǒng)管理整個系統(tǒng)的運行。FreeRTOS使用Cortex-M3內(nèi)核的定時器以10 ms時間片進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度和切換。創(chuàng)建WebServer進(jìn)程和網(wǎng)頁進(jìn)行通信，網(wǎng)頁編輯語言HTML 是不需要編譯的，因此將需要顯示的數(shù)據(jù)全部發(fā)送給網(wǎng)頁。這些數(shù)據(jù)存儲在FLASH中，目前測試是存儲在片內(nèi)FLASH,網(wǎng)頁發(fā)來的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的處理。網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)需要用LwIP協(xié)議棧進(jìn)行打包，LwIP 協(xié)議棧是把所有的協(xié)議封裝到一個單一的過程(進(jìn)程)中，從而與操作系統(tǒng)內(nèi)核分開。應(yīng)用程序可能也駐留在LwIP 處理過程中，或者在單獨的過程中。TCP/IP棧和應(yīng)用程序之間的通信可以通過函數(shù)調(diào)用實現(xiàn)，也可以通過更為抽象的API[4-5].本設(shè)計的應(yīng)用層使用常用的IPv4 協(xié)議，DHCP和靜態(tài)IP 都進(jìn)行測試，傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層使用TCP/IP.

打包之后的需要介質(zhì)層MAC 進(jìn)行處理，此MAC 為Cor-

tex-M3 內(nèi)核自帶的，支持多種MAC 接口，本設(shè)計采用MII接口，所采用的PHY芯片也是MII接口，采用Micrel公司的KSZ8051,支持MII、RMII 接口，10 Mb/s 和100Mb/s傳輸速度，設(shè)計時采用100 Mb/s傳輸。

網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)需要實時更新，設(shè)計網(wǎng)頁每隔500 ms發(fā)一次更新的命令，Cortex- M3再將更新的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁。而這些數(shù)據(jù)來自APB3上，Cortex-M3通過FIC_0和APB3 進(jìn)行雙向通信，從而發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。FPGA中Fabric 和APB3 進(jìn)行雙向通信，數(shù)據(jù)存儲在雙端口SRAM 中，多路UART 和SRAM 進(jìn)行雙向通信。SRAM在系統(tǒng)起緩存的作用，用來解決兩端讀寫速度的不同。

而對于UART的數(shù)據(jù)也定義了協(xié)議，這些協(xié)議是區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的格式和內(nèi)容。對于UART的個數(shù)可以進(jìn)行增加，系統(tǒng)UART的同步使用FPGA硬件實現(xiàn)，不受個數(shù)的限制。

1.3 FPGA的UART模塊

本系統(tǒng)的主要功能是UART數(shù)據(jù)的采集與交互，使用網(wǎng)頁進(jìn)行人機交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新和控制，并且把采樣點的采樣時間也傳輸過去，使用戶知道數(shù)據(jù)的具體時間，便于以后的查看。

在本設(shè)計中需要在SmartFusion2片內(nèi)的FPGA部分設(shè)計多路串口數(shù)據(jù)采集與存儲的控制器，實現(xiàn)對終端的多路串口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。使用的多路串口數(shù)據(jù)采集方法是在SmartFusion2片內(nèi)的FPGA中設(shè)計一個UART控制器去采集多路數(shù)據(jù)[6].控制器并不完成串轉(zhuǎn)并控制，而是實時監(jiān)測多路串口數(shù)據(jù)狀態(tài)，并將多路串行數(shù)據(jù)實時切換送入RAM控制器，串行的數(shù)據(jù)經(jīng)過RAM控制器串行的進(jìn)入RAM中去。如圖4所示。[!--empirenews.page--]

當(dāng)多路串口中任何一路，任何時候到來數(shù)據(jù)的時候，UART 控制器都能感知這次串行數(shù)據(jù)，并開通相應(yīng)的信道，將某一路的串口數(shù)據(jù)送到RAM 控制器。然后RAM 控制器將該信道的串行數(shù)據(jù)寫入RAM 中。這樣就可以完成對多路串口數(shù)據(jù)的采集工作。

在該方案中，需要在SmartFusion2 片上的FPGA 內(nèi)設(shè)計一個UART控制器作為查詢機制中的主機，各個終端串口作為從機，提供串口數(shù)據(jù)。主機會定時的在SEL總線上發(fā)出從機的片選信號，用于選通從機設(shè)備。當(dāng)從機被選中之后，從機自己會做出判斷，如果該從機有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則該從機立刻將串行的數(shù)據(jù)發(fā)出。如果從機沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則從機對該選擇信號SEL不做任何反應(yīng)，定時時間到，主機會自動的去選通下一路從機，從機工作原理與之類似。這樣的做法同樣可以完成對多路串口數(shù)據(jù)的采集工作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計采用FreeRTOS操作系統(tǒng)，通過創(chuàng)建Web-

Server進(jìn)程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。在初始化完成后，執(zhí)行WebServer進(jìn)程，WebServer進(jìn)程發(fā)送網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)、更新網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)、得到采集的數(shù)據(jù)。而關(guān)于以太網(wǎng)的協(xié)議則使用LwIP協(xié)議棧實現(xiàn)。對于硬件層則使用Cor-

tex-M3內(nèi)部的MAC和外部的PHY進(jìn)行傳輸。實現(xiàn)物理層的傳輸[7].因此本設(shè)計的思路是發(fā)送接收數(shù)據(jù)給網(wǎng)頁和接收發(fā)送APB3上對應(yīng)的地址的數(shù)據(jù)。將UART的數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)頁HTTP數(shù)據(jù)格式互換。

軟件設(shè)計框圖如圖5 所示，WebServer 進(jìn)程和網(wǎng)頁進(jìn)行通信，通信的協(xié)議采用LwIP 協(xié)議，對于LwIP 協(xié)議使用其中的IPv4應(yīng)用層，使用TCP/IP 傳輸，DHCP 動態(tài)獲取IP,數(shù)據(jù)鏈路層使用內(nèi)部的MAC,采用100 Mb/s的MII接口和PHY通信，PHY在物理層上和PC機通信[8].

采用自動連接的方式與以太網(wǎng)相連，對于HTTP數(shù)據(jù)采用監(jiān)聽的方式，有HTTP 數(shù)據(jù)則執(zhí)行相應(yīng)的操作。在網(wǎng)頁上顯示實時的日期和時間，這個日期和時間不是來自PC機的，而是來自SmartFusion2的，能夠達(dá)到顯示數(shù)據(jù)的采樣時間，方便用戶查看和保存帶有時間的數(shù)據(jù)。

以太網(wǎng)的初始化首先是MAC的初始化，將MAC初始化為MII接口，半字節(jié)，100 Mb/s模式。MAC 初始化后就是對于協(xié)議的選擇，本系統(tǒng)選擇TCP/IP協(xié)議，通過tcpip_input調(diào)用初始化網(wǎng)絡(luò)的配置。對于網(wǎng)絡(luò)的配置，首先是MAC地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼的配置(如果為DHCP則只有MAC地址有效)，可以配置為靜態(tài)IP和DHCP 兩種模式。靜態(tài)IP 使用netif_set_up函數(shù)，DHCP使用dhcp_star函數(shù)來開始。

WebServer是系統(tǒng)的主任務(wù)，負(fù)責(zé)網(wǎng)頁和APB3上數(shù)據(jù)的交互。首先是使用netconn_bind 函數(shù)新建一個80端口(HTTP)的網(wǎng)絡(luò)，建立好后就一直處于監(jiān)聽狀態(tài)的netconn_listen函數(shù)。

有網(wǎng)絡(luò)連接時則發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果有網(wǎng)頁打開數(shù)據(jù)的請求，則開始發(fā)送網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)頭和主界面的數(shù)據(jù)，同時將網(wǎng)頁的運行的程序也發(fā)送過去，這樣內(nèi)核就可以方便和網(wǎng)頁進(jìn)行通信。

對于網(wǎng)頁的刷新和數(shù)據(jù)請求命令都是已經(jīng)發(fā)送給網(wǎng)頁了，如果有網(wǎng)頁的刷新請求則將更新的檢測數(shù)據(jù)和日期時間數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁。有點擊控制命令，處理器則馬上響應(yīng)，將控制命令轉(zhuǎn)換并發(fā)送給APB3,也就發(fā)送給了UART.當(dāng)然，這里面所有的數(shù)據(jù)都是加了相應(yīng)的通信協(xié)議。

如發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)頁時則需要使用netconn_write 函數(shù)，首先是網(wǎng)頁數(shù)據(jù)頭，然后是相應(yīng)的數(shù)據(jù)。如果無網(wǎng)絡(luò)連接、無網(wǎng)頁請求、請求完成等都是使用net-

conn_close 函數(shù)關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)，使用netbuf_delete 函數(shù)刪除網(wǎng)絡(luò)，然后又去監(jiān)聽是否有新的網(wǎng)絡(luò)存在并連接。

以智能家居數(shù)據(jù)采集與交互為例，系統(tǒng)軟件設(shè)置流程圖如圖6所示，首先是時鐘和外設(shè)的初始化，再是以太網(wǎng)相關(guān)的初始化，包括MAC和PHY的初始化，IP的獲取方式，設(shè)置MAC 地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)，設(shè)置傳輸?shù)膮f(xié)議等。硬件層、傳輸層設(shè)置以后就是應(yīng)用層，創(chuàng)建WebServer 應(yīng)用程序。此應(yīng)用程序也是主應(yīng)用程序，在FreeRTOS中的優(yōu)先級是最高的，堆棧大小也是最大的。WebServer任務(wù)就是與網(wǎng)頁通信，實現(xiàn)網(wǎng)頁的刷新。任務(wù)的調(diào)度和切換時通過定時器實現(xiàn)，10 ms為一個時間片，調(diào)度函數(shù)為vTaskStartScheduler函數(shù)實現(xiàn)。

3 結(jié)語

本文利用源代碼開放的TCP/IP協(xié)議棧LwIP和簡單實用的操作系統(tǒng)FreeRTOS軟件平臺和SmartFusion2的硬件平臺構(gòu)建了基于SoC的數(shù)據(jù)采集與交互系統(tǒng)，完成設(shè)備數(shù)據(jù)信息的采集及處理并實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交流與共享。通過實際運行測試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，具有一定推廣使用價值。