網(wǎng)絡(luò)化智能溫度傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)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(cè)、信號(hào)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(jiǎn)介

網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)向多功能和多點(diǎn)檢測(cè)發(fā)展；從被動(dòng)檢測(cè)向主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展；從就地測(cè)量向遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)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(cè)控設(shè)備間再無(wú)需點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，大大簡(jiǎn)化了連接線(xiàn)路，易于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器一般由信號(hào)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(gè)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(qiáng)等特點(diǎn)。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(jì)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(hù)端，無(wú)需安裝軟件，使用起來(lái)更加方便。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 總體框架

采用的嵌入式微處理器LPC2210是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)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(lèi)型的應(yīng)用。

該嵌入式Web智能溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)C1和C2兩個(gè)電容進(jìn)行濾波；然后，通過(guò)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(xiàn)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(cè)溫范圍較廣，為一55～+125℃，固有測(cè)溫分辨率為O．5℃。其支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口，即從DSl8820讀出信息或向DSl8820寫(xiě)入信息僅需要一根口線(xiàn)（單線(xiàn)接口）。溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線(xiàn)，總線(xiàn)本身也可以向所掛接的DSl8820供電，而無(wú)需額外電源。DSl8820集溫度測(cè)量、A／D轉(zhuǎn)換于一體，可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)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(yuǎn)等特點(diǎn)。

DS18820與微處理器LPC2210的連接圖如圖3所示。注意，應(yīng)加入一個(gè)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(xiàn)控制器、16 KB SRAM和網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器。用戶(hù)可以通過(guò)DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入片內(nèi)SRAM中，讓芯片自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；而芯片在接收到數(shù)據(jù)后，用戶(hù)也可以通過(guò)DMA方式將其讀出。

RTL8019AS與LPC2210一般通過(guò)外部總線(xiàn)進(jìn)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(chǔ)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(shí)選通，其數(shù)據(jù)地址為0x83400000～Ox83400001F。

NET_RST為L(zhǎng)PC2210輸出引腳，RTL8019AS中斷信號(hào)為中斷輸入信號(hào)，且為外部中斷。RTL8019AS的SDO～SDl5串了一個(gè)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(diǎn)陣圖形液晶模塊，便于通過(guò)液晶實(shí)時(shí)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(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的是ARM公司的ADS1．2作為開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境。移植了μC／OS—II操作系統(tǒng)，主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。將μC／OS—II移植到ARM處理器上，需要修改3個(gè)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(qǐng)參考相關(guān)書(shū)籍。

程序首先調(diào)用OSinit（）初始化μC／OS—II，完成對(duì)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(kāi)始多任務(wù)之前，還需建立一個(gè)名為T(mén)ask0（）的任務(wù)，這一點(diǎn)是非常重要的，否則用戶(hù)的應(yīng)用程序就會(huì)崩潰。主任務(wù)中首先調(diào)用TargetInit（）函數(shù)將目標(biāo)板初始化，模板中包含這個(gè)初始化函數(shù)，它完成對(duì)板上硬件的一些初始化工作。之后啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境，創(chuàng)建3個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最終的目標(biāo)。這3個(gè)任務(wù)包括：傳感器對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中比較關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

3．2 軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3．2．1 傳感器的溫度采集

在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集的軟件編程中，采用的是單線(xiàn)總線(xiàn)協(xié)議。通過(guò)單線(xiàn)總線(xiàn)訪問(wèn)DSl8820的協(xié)議包括：初始化DSl8820、ROM操作命令、存儲(chǔ)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(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序，分別編寫(xiě)3個(gè)子程序：Init_DSl8820為初始化子程序；WriteOneChar為寫(xiě)（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(xiě)均由最低位開(kāi)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(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的移植。設(shè)計(jì)中主要采用ZLG／IP軟件包，它是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司開(kāi)發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)開(kāi)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(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)上IP接點(diǎn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)多任務(wù)并行、可重入的協(xié)議棧，完全使用ANSI C編寫(xiě)，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(jí)和修改等特點(diǎn)。該ZLG／IP軟件包具體可見(jiàn)參考文獻(xiàn)。

ZLG／IP采用模塊化層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，TCP／IP應(yīng)用程序是用戶(hù)自己編寫(xiě)的μC／OS—II任務(wù)，是ZLG／IP的使用者，位于整個(gè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(hù)操作協(xié)議棧程序的工具，在應(yīng)用程序中通過(guò)調(diào)用Socket API接口函數(shù)來(lái)對(duì)協(xié)議棧軟件進(jìn)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(fù)責(zé)對(duì)傳輸層的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和解拆，保存?zhèn)鬏攲舆B接狀態(tài)。點(diǎn)劃線(xiàn)內(nèi)部就是接收處理，包括IP報(bào)、ARP報(bào)、ICMP報(bào)的處理，及以太網(wǎng)層的數(shù)據(jù)接收驅(qū)動(dòng)。接收驅(qū)動(dòng)模塊在接收到數(shù)據(jù)后先進(jìn)行分類(lèi)，若是IP報(bào)就由IP處理模塊處理，若是ARP報(bào)就進(jìn)行ARP協(xié)議處理。ARP請(qǐng)求報(bào)調(diào)用以太網(wǎng)發(fā)送模塊發(fā)送ARP應(yīng)答報(bào)。IP處理模塊把數(shù)據(jù)分類(lèi)，TCP或UDP報(bào)則轉(zhuǎn)由上層的傳輸層模塊處理，而ICMP協(xié)議處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)IC—MP協(xié)議進(jìn)行處理。IP發(fā)送模塊負(fù)責(zé)封裝IP報(bào)，并把封裝好的IP報(bào)傳送到下層發(fā)送模塊。IP發(fā)送模塊有4個(gè)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(lái)封裝。Ethernet發(fā)送驅(qū)動(dòng)模塊是屬于以太網(wǎng)層的處理模塊，負(fù)責(zé)封裝以太網(wǎng)報(bào)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(xiě)TCP通信的任務(wù)時(shí)分為服務(wù)器方式和客戶(hù)機(jī)方式兩種。服務(wù)器方式是需要監(jiān)聽(tīng)連接，只有在與客戶(hù)機(jī)建立連接后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？蛻?hù)機(jī)方式是主動(dòng)連接服務(wù)器，也是在連接成功后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖6是TCP通信時(shí)服務(wù)器端和客戶(hù)機(jī)端通信的函數(shù)應(yīng)用圖。

在編程時(shí)溫度傳感器有其唯一的一個(gè)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(gè)人PC機(jī)為客戶(hù)端，當(dāng)個(gè)人需要查詢(xún)溫度傳感器的值時(shí)，通過(guò)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(jìn)入該系統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)溫度瀏覽界面。

Web服務(wù)器任務(wù)程序代碼如下：

結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)測(cè)試運(yùn)行良好，能方便地通過(guò)瀏覽器實(shí)時(shí)查詢(xún)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(gè)新的方向，本系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本的基于網(wǎng)絡(luò)的智能化傳感器，其中設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要是對(duì)TCP／IP通信協(xié)議的實(shí)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。而Web功能的實(shí)現(xiàn)主要采用了B／S模式，通過(guò)上層的HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了瀏覽器與嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器的交互。實(shí)現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化控制可以很好地應(yīng)用在對(duì)家電設(shè)備的控制或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制中，具有良好的應(yīng)用前景。