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基于以太网模块IP传感器的研究基于以太网模块IP传感器的研究

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金币
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资源描述:
    收 稿 日 期 :2004204214基 金 项 目 :重 庆 市 自 然 科 学 资 助 项 目 (CSTC2005BB2077)作 者 简 介 :陶 红 艳 (19642) ,女 ,四 川 泸 县 人 ,副 教 授 ,研 究 方 向 :车 辆 技 术 ,检 测 技 术 。文 章 编 号 :100422474 (2006) 0320291203基 于 以 太 网 模 块 IP 传 感 器 的 研 究陶 红 艳 1 ,陈 学 军 2 ,李 恭 琼 1 ,余 成 波 2(1. 重 庆 工 学 院 汽 车 学 院 ,重 庆 400050 ;2. 重 庆 工 学 院 远 程 测 试 与 控 制 技 术 研 究 所 ,重 庆 400050)摘   要 :对 于 工 业 现 场 设 备 的 监 测 控 制 ,人 们 不 再 满 足 于 集 散 控 制 系 统 和 现 场 总 线 控 制 系 统 ,为 此 ,结 合 传 感技 术 和 Internet 技 术 ,将 传 感 器 制 成 网 络 产 品 ,并 实 现 网 络 通 信 TCP/ IP 协 议 。 该 文 系 统 地 介 绍 了 IP 传 感 器 、TCP/ IP 协 议 及 其 实 现 原 理 ,阐 述 了 以 太 网 通 信 模 块 的 实 现 方 案 、 软 件 设 计 ,给 出 了 网 卡 的 复 位 及 初 始 化 事 例 。 所研 制 的 IP 传 感 器 具 有 远 程 数 据 访 问 、 信 息 实 时 发 布 与 共 享 以 及 在 线 编 程 等 功 能 ,为 构 建 具 有 更 高 性 能 价 格 比 的 测控 自 动 化 系 统 成 为 可 能 ,该 模 块 在 远 程 自 动 化 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。关 键 词 : IP 传 感 器 ; TCP/ IP 协 议 ;RTL8019AS ;单 片 机中 图 分 类 号 : TP212       文 献 标 识 码 :AResarch on IP Sensor Based on Ethernet ModuleTAO Hong2yan1 ,CHEN Xue2jun2 ,L I Gong2qiong1 ,YU Cheng2bo2(1. Chongqing Institute of Automobile ,Chongqing Institute of Technology Chongqing 400050 ,China ;2. Research Institute of Remote Test & Control , Chongqing Institute of Technology ,Chongqing 400050 ,China)Abstract :People are no longer to settle for distributing center control system and field2bus control system to mo2nitor the industrial field equipment. Therefore , the sensor technology and internet are adopted to develop IP sensorand realize TCP/ IP protocol. The paper systematically introduces IP sensors , TCP/ IP protocol and its realizingprinciple , sets forth implementations project of Ethernet communication module and its software design , and givesthe practical examples of reset and initialization of network card. The developed IP sensor has functions of remotedata access , real2time information issuance and on2line programming , which make it possible setting up the testingautomatic system with a higher cost performance. This module has the wide application prospects in the field of theremote automation.Key words :IP sensor ; TCP/ IP ;RTL8019AS ;MCU目 前 ,正 在 采 用 的 RS2232 接 口 、 RS2485 接 口 、RS2422 接 口 的 网 络 传 感 器 ,存 在 一 些 不 足 :首 先 ,传输 距 离 有 限 ;其 二 ,与 PC 机 进 行 串 行 通 信 ,一 台 PC机 最 多 可 挂 接 此 类 传 感 器 的 数 量 受 到 限 制 ;其 三 ,在远 距 离 传 输 信 号 时 很 容 易 受 线 路 干 扰 及 环 境 噪 声 的影 响 ,还 会 造 成 信 号 衰 减 ,且 布 线 复 杂 ;并 且 其 所 传输 的 数 据 量 将 受 到 影 响 ,速 度 慢 ,数 据 传 输 实 时 性 受到 限 制 。 为 此 ,许 多 大 公 司 都 纷 纷 推 出 了 现 场 总 线标 准 ,虽 然 极 大 的 方 便 了 工 业 测 控 ,但 是 这 些 现 场 总线 的 开 放 性 及 兼 容 性 受 到 了 限 制 。 随 着 以 太 网 逐 渐渗 入 到 社 会 生 活 的 各 个 角 落 ,并 且 在 以 太 网 上 运 行的 TCP/ IP 协 议 是 一 个 开 放 性 的 标 准 ,它 并 不 由 某个 厂 商 所 控 制 。 为 此 ,本 文 作 者 结 合 传 感 技 术 和 In2ternet 技 术 ,提 出 了 基 于 以 太 网 模 块 IP 传 感 器 的 研究 ,具 有 极 其 重 要 的 应 用 价 值 和 学 术 意 义 。1   IP 传 感 器 的 系 统 组 成IP 传 感 器 是 在 传 统 传 感 器 的 基 础 上 嵌 入 了TCP/ IP 协 议 ,采 用 以 太 网 标 准 接 口 ,实 现 了 现 场 设备 和 因 特 网 直 接 通 讯 。 因 此 , IP 传 感 器 主 要 由 传 感器 单 元 、 信 号 采 集 及 处 理 单 元 、 微 处 理 器 和 以 太 网 接口 单 元 等 部 分 组 成 (见 图 1) 。 其 工 作 原 理 是 通 过 将被 测 参 量 转 换 为 电 信 号 ,并 经 过 电 信 号 调 理 和 A/ D采 集 转 换 为 数 字 信 号 ,再 经 过 微 处 理 器 的 数 据 处 理(包 括 零 位 漂 移 、 温 度 漂 移 的 补 偿 、 滤 波 及 校 准 后 ) ,由 TCP/ IP 协 议 实 现 TCP/ IP 数 据 包 的 封 装 ,最 后通 过 以 太 网 接 口 模 块 完 成 与 网 络 数 据 交 换 。图 1   IP 传 感 器 系 统 框 图2   嵌 入 单 片 机 的 TCP/ IP协 议 简 介 及 实 现 原 理IP 传 感 器 的 以 太 网 接 口 模 块 实 现 的 关 键 在 于TCP/ IP 通 信 协 议 的 实 现 。 TCP/ IP 通 信 协 议 的 实第 28卷 第 3期 压   电   与   声   光 Vol. 28 No. 32006年 6月 PIEZO EL ECTECTRICS & ACOUSTOOPTICS J un. 2006现 方 法 主 要 采 用 协 议 栈 移 植 ,针 对 嵌 入 式 系 统 ,将TCP/ IP 协 议 栈 移 植 到 微 处 理 器 系 统 中 。 TCP/ IP协 议 是 一 个 庞 大 的 协 议 族 ,包 含 了 不 同 层 次 的 多 个协 议 族 , TCP 和 IP 只 是 其 中 的 两 种 协 议 ,因 此 其 对系 统 资 源 消 耗 较 大 。 本 文 针 对 8 位 的 单 片 机 ,利 用TCP/ IP 协 议 中 的 UDP (用 户 数 据 报 协 议 ) 、 IP (网 络报 文 协 议 ) 、 ARP (地 址 解 析 协 议 ) 及 简 单 的 应 用 层协 议 成 功 地 实 现 了 单 片 机 的 网 络 互 连 ,既 提 高 了 数据 传 输 的 速 度 ,又 保 证 了 数 据 传 输 的 正 确 性 。 TCP/IP 协 议 对 应 于 开 放 系 统 互 连 ( OSI) 模 型 , TCP/ IP通 常 采 用 一 种 简 化 的 4 层 模 型 ,分 别 为 应 用 层 、 传 输层 、 互 连 网 络 层 和 网 络 接 口 层 [122 ] 。 图 2 为 各 种 协 议间 的 关 系 。图 2   TCP/ IP 体 系 统 结 构 及 其 协 议 族2. 1   应 用 层在 本 系 统 中 ,单 片 机 系 统 传 递 来 自 Et hernet 和数 据 终 端 的 数 据 ,应 用 层 只 对 大 的 数 据 报 作 打 包 拆报 处 理 。 因 此 应 用 层 根 据 需 要 可 在 单 片 机 内 完 成 ,也 可 由 单 片 机 转 给 用 户 端 终 设 备 完 成 。2. 2   传 输 层传 输 层 主 要 为 两 个 网 络 节 点 上 的 应 用 程 序 提 供端 到 端 的 通 信 ,通 过 明 确 定 义 的 通 道 及 某 些 特 性 获取 数 据 ,如 定 义 网 络 连 接 的 端 口 号 等 ,实 现 该 层 协 议的 TCP (传 输 控 制 协 议 )和 UDP (用 户 数 据 报 协 议 ) 。2. 3   互 连 网 络 层互 连 网 络 层 让 信 息 可 以 发 送 到 相 邻 的 TCP/ IP网 络 上 的 任 一 节 点 上 ,IP 协 议 就 是 该 层 中 传 送 数 据的 机 制 。 IP 协 议 是 TCP/ IP 协 议 栈 的 核 心 ,包 含 了ICMP (控 制 报 文 协 议 ) 和 IGMP ( Internet 组 管 理 协议 ) 。 IP 协 议 提 供 对 数 据 大 小 的 重 新 组 装 功 能 ,以适 应 不 同 网 络 对 报 文 的 要 求 。 IP 的 责 任 是 把 数 据从 源 传 送 到 目 的 地 ,不 负 责 保 证 传 送 的 可 靠 性 和 流量 控 制 。 对 于 本 系 统 的 IP 协 议 的 实 现 比 较 简 单 ,采取 只 接 受 IPV4 (即 32 位 IP 地 址 )和 IP 头 长 度 为 20字 节 的 包 ,且 只 处 理 一 包 ,不 允 许 IP 包 分 段 (本 系 统不 设 置 接 收 队 列 ) ,不 处 理 与 ICMP、 TCP、 UDP 无关 的 内 容 。 以 上 互 连 网 络 层 和 传 输 层 由 单 片 机 来 处理 实 现 。2. 4   网 络 接 口 层它 包 括 以 太 网 驱 动 程 序 和 物 理 接 口 (网 络 芯 片 )网 络 层 数 据 必 须 先 交 付 给 以 太 网 的 驱 动 程 序 ,由 它将 网 络 层 数 据 打 包 并 交 付 给 物 理 接 口 ,完 成 数 据 发送 ,反 之 ,解 包 原 理 一 样 。3   以 太 网 接 口 模 块 的 硬 件 组 成 及 工 作 原理 [324 ]3. 1   硬 件 组 成IP 传 感 器 的 以 太 网 接 口 模 块 主 要 是 完 成 对 以太 网 和 单 片 机 之 间 的 数 据 转 换 。 电 路 主 要 由 主 控 器89C52、 R TL8019AS、 RAM62256、 锁 存 器74 HC373N、 EEPROM 93C46、 20F001N、 RJ 45 及 状态 灯 L ED 等 组 成 。 具 体 电 路 框 图 如 图 3 所 示 。图 3   IP 传 感 器 的 以 太 网 接 口 模 块 电 路 原 理 图3. 2   工 作 原 理整 个 以 太 网 接 口 模 块 的 工 作 控 制 由 单 片 机89C52 来 完 成 ,通 过 R TL8019AS 来 实 现 与 网 络 数据 交 换 。 单 片 机 的 P0 ( P0. 0 ~ P0. 7 ) 口 经74 HC373N 作 为 地 址 锁 存 后 连 接 62256 的 低 8 位 地址 (A0~ A7) ,并 且 低 5 位 与 R TL8019AS 的 SA0~SA4 相 连 ,P0 口 直 接 作 为 数 据 口 与 62256 的 8 位 数据 线 相 连 (D0~ D7) 并 且 与 R TL8019AS 的 SD0~SD7 相 连 ;单 片 机 的 P2 ( P2. 0~ P2. 6) 口 作 为 高 8位 地 址 线 与 62256 的 高 位 地 址 线 (A8~ A14) 相 连 。单 片 机 的 AL E 信 号 与 74 HC373N 的 G信 号 相 连 。单 片 机 的 读 信 号 线 RD、 写 信 号 线 WR、 P1. 0 信 号 线分 别 与 R TL8019AS 的 IORB、 IOWB、 RSTDRV 相连 。 R TL8019AS 通 过 20F001N 再 与 8 芯 非 屏 蔽 双绞 线 的 RJ 45 标 准 接 口 相 连 接 。 20F001N 是 一 个 外接 的 隔 离 滤 波 器 , 起 到 提 高 抗 干 拢 能 力 。 本 来R TL8019AS 内 有 8 kbit 的 RAM 可 用 来 作 为89C52 的 数 据 存 储 器 ,但 因 为 R TL8019AS 芯 片 读写 速 度 慢 ,再 者 又 因 为 以 太 网 的 包 最 大 可 有 1500 多字 节 ,89C52 单 片 机 是 无 法 存 储 这 么 大 的 包 的 ,所 以采 用 外 扩 存 储 器 62256 来 提 高 单 片 机 的 数 据 传 输 速度 和 复 杂 的 TCP/ IP 的 处 理 。 同 时 这 外 部 的 RAM也 用 作 串 行 口 的 输 入 输 出 缓 冲 ,以 使 单 片 机 可 以 高速 的 吞 吐 数 据 。 用 户 的 一 些 设 置 采 用 24C02 来 存储 。292 压   电   与   声   光 2006 年  
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