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[導讀]1 網(wǎng)絡化智能傳感器簡介   網(wǎng)絡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)絡化使得傳感器可以就近接入網(wǎng)絡

1 網(wǎng)絡化智能傳感器簡介

  網(wǎng)絡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)絡化使得傳感器可以就近接入網(wǎng)絡,傳感器與測控設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)絡接口單元組成。這3個單元可以是采用不同芯片構成合成式的,也可以是單片式結構。網(wǎng)絡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)設計中采用的是信息技術領域最新的B/S(Brower/Server,瀏覽器/服務器)結構,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、協(xié)議轉換器、嵌入式軟Modem以及其他類型的應用。

  該嵌入式Web智能溫度傳感器系統(tǒng)設計的總體框架如圖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)外設供電電源為1.8 V應用系統(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,應加入一個阻值為5.1 kΩ的上拉電阻。

  2.4 網(wǎng)絡接口

  網(wǎng)絡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。[!--empirenews.page--]
 3 系統(tǒng)軟件分析

  3.1 總體設計

  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體系結構相關的文件:OS_CPU.H、0S_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C。具體移植請參考相關書籍。

  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)結構和宏定義的初始化。在開始多任務之前,還需建立一個名為Task0()的任務,這一點是非常重要的,否則用戶的應用程序就會崩潰。主任務中首先調(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。之后啟動多任務環(huán)境,創(chuàng)建3個任務來實現(xiàn)系統(tǒng)最終的目標。這3個任務包括:傳感器對溫度的采集和處理;溫度比較與液晶顯示;建立Web服務器。下面對設計過程中比較關鍵問題進行詳細的闡述。

  3.2 軟件設計中的關鍵技術問題

  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鍵任務程序代碼如下:

  3.2.2 Web服務器的建立

  要在微處理器中建立Web服務器,主要需要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的移植。設計中主要采用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采用模塊化層次結構設計,其結構如圖5所示。

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 圖5中,TCP/IP應用程序是用戶自己編寫的μC/OS—II任務,是ZLG/IP的使用者,位于整個程序的最高層。TCP/IP應用程序調(diào)用ZLG/IP提供的Socket API接口函數(shù)對網(wǎng)絡進行相應的操作。Socket API接口位于TCP/IP協(xié)議與應用程序之間,是用戶操作協(xié)議棧程序的工具,在應用程序中通過調(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)接收驅動。接收驅動模塊在接收到數(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應答報。IP處理模塊把數(shù)據(jù)分類,TCP或UDP報則轉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結構,則編程是采用的是TCP通信的Socket API。編寫TCP通信的任務時分為服務器方式和客戶機方式兩種。服務器方式是需要監(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。客戶機方式是主動連接服務器,也是在連接成功后才能進行數(shù)據(jù)處理。圖6是TCP通信時服務器端和客戶機端通信的函數(shù)應用圖。

  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)關地址與IP地址相同。Web服務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服務器任務程序代碼如下:

  結 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)絡化智能傳感器是如今傳感器技術發(fā)展的一個新的方向,本系統(tǒng)采用嵌入式技術實現(xiàn)了一個基本的基于網(wǎng)絡的智能化傳感器,其中設計的重點主要是對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)用相關的API函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。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)絡傳感器的交互。實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡化控制可以很好地應用在對家電設備的控制或工業(yè)現(xiàn)場的控制中,具有良好的應用前景。

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