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网址：www.sciencedirect.com

能源程序17（2012）983 – 989

2012年未来电力和能源系统国际会议

嵌入式单片机网络测控系统的设计

GAO Guanwang, WANG Yanpeng, SHA Zhanyou

河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄

摘要

本文介绍了一种基于以太网的嵌入式单片机网络测控系统，采用8052内核的高速单片机，通过对以太网专用芯片的控制，实现了TCP / IP协议的功能。由于系统可以作为一个独立的系统使用，网络中的任何计算机都可以通过标准的TCP/IP协议控制系统或将命令和数据传输到系统。该系统由数字式温度传器组成，可用于测量工业现场温度，并将结果通过网络传输到计算机，从而得到温度曲线。其测量和控制范围均为-10～ 125℃，精度为plusmn;1℃。该系统具有结构简单，通用性强，通过网络通信，使用灵活，成本低等优点，可通过各种智能传感器进行调整，具有较好的扩展能力。它可用于远程数据采集，远程测量和控制等领域。

copy;2012由Elsevier Ltd.出版海南大学负责选拔和/或同行评议。

根据CC BY-NC-ND许可开放访问

关键词：嵌入式单片机网络测控系统；以太网；系统参数；数字温度传感器

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MCU，PC或IPC组成。 （2）基于PC总线的测控系统。 （3）分布式控制系统（DCS）。 （4）基于局域网的DCS系统。 （5）由2线4mA～20mA标准信号开发的HART总线，是智能现场设备与自动控制设备之间使用的一种现场总线。 （6）20世纪90年代以来，随着互联网的高速发展，获取和交换信息变得更加快捷，方便，更加经济。 因此测控系统可以成为全球网络的客户。 目前，基于互联网的远程控制系统正在推动测控技术的发展，并已在核电站，输油管道，

1876-6102copy;2012 Elsevier Ltd.版权所有海南大学选择和/或同行评议。 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。DOI：10.1016/ j.egypro.2012.02.197

电网运行和机器人等监测领域得到应用。基于互联网的远程控制系统具有信息传递快，互动性强，成本低等优点，可实现数据共享。^[1]

现有的网络控制设备主要采用MODEM芯片，PPP协议通过电话网络拨号到互联网或专网。该方法虽然可以实现网络控制和数据传输，但依赖于电话，使其使用成本显着增加。另外，由于电话网络的限制，传输速度不超过几百kbps（通常只有几十kbps或更低），并且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。^[2]以太网是一种广泛使用的局域网标准，可以由IEEE-802.3标准定义，并且可以支持10Mbps，100Mbps或1000Mbps带宽，通常使用双绞线或光纤作为传输介质。其特点是价格低廉，技术成熟，应用灵活。

2. Edesign Plandesign的设计方案Plandesign Plandesign Plandesign平面嵌入式微控制器网络系统

它是一种基于以太网网络系统的嵌入式单片机测控系统，以8052微处理器为核心。它通过控制作为特殊以太网芯片的RTL8019AS实现了以太网上TCP / IP的常见ARP，IP，ICMP，TCP和UDP协议部分功能。它可以在以太网上用作独立系统。以太网上的任何计算机都可以通过标准的TCP / IP协议，传输控制命令或其中的数据访问系统。系统功能具有以下特点：（1）结构简单; （2）成本低，适用于多节点; （3）强大的适应性可以用于各种设备; （4）它可以通过互联网进行通信。该系统采用串行接口进行数据采集，可适应各种智能传感器，扩展能力强，可广泛用于远程数据采集，远程控制等。

嵌入式单片机网络系统的电路图和系统程序流程图分别如图1，图2所示

为了实现与微控制器的标准TCP / IP协议，华邦公司的W78E58单片机产品被用作电路设计中的主控制芯片。 W78E58单片机可以满足以下三个条件：第一，它与MCS-51系列单片机兼容，第二，内部程序存储器为32KB，足以写入大型程序，第三，快速时钟频率可以达到40MHz的水平。

图1.嵌入式mC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的功能模块：一个是数据采集通道，它通过MAX232接口芯片连接到W78E58的串行输入/输出端口，二是完成读写 通过W78E58 P0端口和P2端口对以太网接口芯片和32KB外部RAM（62256）进行操作或控制。 所以传感器（或控制器）的数据或来自网络的控制信号首先被接收到以太网芯片，然后送到W78E58单片机进行数据处理，然后从串口传输到89C51单片机，89C51将数据封装成标准的TCP / IP数据包，然后发送到远程主机。 为了使网络系统适应不同的传感器和网络主机，该系统还连接了一个2Kbit外部闪存AT24C02，用于存储系统参数，如IP地址，端口，串口设置等。

图2.系统程序流程图

两个发光二极管连接到两条串行数据线以指示串行数据状态。

3.嵌入式微控制器网络系统电路设计

网络传感器采用美国DALLAS公司的DS1821 1-wire可编程数字温度传感器。 MCU采用Atmel公司的AT89C51单片机，与MCS-51系列单片机完全兼容。它具有4KB的Flash程序存储器来存储用户程序，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，它接收控制命令，数据，并通过串口传输温度和状态值。串口电平转换芯片采用MAXIM公司的MAX232芯片。

DS1821有两种工作模式：1-Wire模式和恒温模式。 1-Wire模式适用于数字温度计或温度测量系统;在恒温模式下，用户需要编程构成温度控制系统。两种工作模式可以相互转换。 AT89C51芯片将控制命令和串口接收到的数据转换为DS1821的1线信号，然后发送给DS1821，完成控制DS1821。 DS1821返回状态值或温度值的1-wire信号。 AT89C51识别并转换这些信号并从串行端口发出。^[3]

W78E58微控制器使用22.1184 MHz晶体振荡器，如图3所示。 上电复位电路由C1和R3组成。 系统上电时，预置开关S1-1用于设置进入设置状态或正常工作状态。 P1.5（网络标签RESET）连接到网卡的RESET引脚，完成对网卡的复位功能。

图3. W78E58 MCU电路图

RAM存储器62256通过典型电路连接到MCU。 74HC373用于锁存低8位地址总线。 62256地址范围是0x0000〜0x7FFF。外部存储器AT24C02上的SDA和SCL引脚分别连接到MCU P1.7和P1.6引脚。 W78E58软件模拟P1.6，P1.7引脚上I2C总线的时序，完成AT24C02的读写操作。写保护引脚连接到低电平，不执行写保护。在将A0，A1，A2引脚连接到GND时，读写地址分别为0xA1和0xA0。 CPUTXD和CPURXD的串行接口芯片MAX232引脚分别连接到TXD和RXD的MCU引脚。

该系统可以使用任何与NE2000兼容的ISA接口网卡。为了满足嵌入式网络系统的基本要求，新的网卡可以在计算机上设置自己的设置程序。具体程序如下：

（1）进入ms-dos操作系统，运行网卡设置程序。

（2）根据表1设置网卡。

表I.网络卡设置

参数	设定值
运行模式	跳线
中型	自动检测
全双工	真
I/O 口	200H
中断	3

（3）选择“是”退出设置程序，这些设置生效。 从计算机中拔出此卡，将其插入系统板。

4.系统参数自定义设置

网络系统提供初始化参数的自定义功能。用户可以使用Windows操作系统的“超级系统”工具，灵活方便地设置所有系统初始化参数。

首先，将系统串口连接到计算机串口，这里是COM2。从“开始”菜单中选择“程序” - “附件” - “通讯”，然后出现一个“连接描述”对话框，等待输入连接名称，进入“设置”并点击“好”。

然后出现一个“连接到”窗口，在“连接”位置，选择系统和计算机之间的连接端口COM2，然后单击“确定”。然后在“COM2属性”设置窗口中设置COM2的通讯参数。点击“确定”进入超级系统主界面。

为了在配置参数的过程中获得更好的结果，有必要更详细地设置“超系统”。点击工具栏上的“属性”按钮，打开“属性”对话框。选择“设置”，在ASCII设置窗口中点击“ASCII代码集”按钮。完成这些设置后，系统返回主界面，处于等待连接状态的“超级系统”。

将预置开关S1-1置于“OFF”位置，绿灯显示串口数据传输，红灯显示网络数据传输。

5.网络感知系统的程序设计本质及应用

MCU通过定时完成向DS1821的写入和读取数据。定时传输数据位和命令字决定需要哪种操作。

5.1.写时机

作为写周期的开始，MCU将I / O引脚（1线总线）从高电平拉至低电平。写时序包括两种类型：写“1”时序和写“0”时序。时间至少保持60ms，两个写周期之间至少有1m的恢复时间。

I / O线变为低电平后，DS1821在15ms～60ms时间内进行采样。如果I / O线是一位“1”写的高电平，如果I / O线是一位“0​​”写的低电平。写时序波形如图4所示。

当MCU开始写入“1”周期时，必须将I / O线拉至低电平然后释放，在15ms时间内拉高电平。当MCU开始写入“0”周期时，还应将I / O线拉入低电平，并保持60ms的时间。

图4.读写周期波形a）写周期b）读周期

5.2. 阅读时间

当MCU将I / O线从高电平拉到低电平时，读周期将开始，并且I / O线至少保持1ms的低电平时间。 在读取时序下降沿出现后，DS1821输出数据在15ms内生效。 在此期间，MCU应释放I / O线，以便它处于输入状态以读取数据。 读时序在15ms后终止，由于外部上拉电阻，I / O线再次变为高电平读取一位数据需要至少60ms时间，两位数据之间至少有1ms的恢复时间。读时序 波形如图4b所示。

使用温度控制系统测量一定的工业现场温度，然后通过网络将数据传输到计算机，最终得到温度曲线如图5所示。

图5.温度曲线

系统测量和控制范围均为-10〜 125℃，温度测量误差不超过plusmn;1 ℃,分辨率为0.1 ℃.

结论

网络测控技术在工业系统中发挥着重要作用。 以太网是一种广泛使用的LAN标准，由IEEE-802.3定义，可支持10Mbps，100Mbps和1000Mbps带宽，通常使用双绞线或光纤作为传输介质。 其特点是价格低廉，技术成熟，应用灵活。

基于以太网的嵌入式单片机网络测控系统具有性能先进，应用灵活，成本低等特点，可以推广应用。

参考文献

[1] Zhang Kaihong, Zhao Wei. Web-based measuring and controlling system-networked instrument Electrical Measurement amp; Instrumentation㧘2002. ͳ11㧘p5-8

[2] Sha Zhanyou etc. Principle and application of intelligent precision pressure sensor on network, Semiconductor Technology, 2003.ͳ7㧘p38-40

[3] Sha Zhanyou etc. Principle and application of intelligent integration temperature sensor, China Machine Press, 2002.7㧘p106-111

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