一種基于以太網(wǎng)的嵌入式數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)

1、    一種基于以太網(wǎng)的嵌入式數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進行控制，并利用ADS軟件進行電路設(shè)計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte1引言隨著科技的進步及對生活質(zhì)量要求的不斷提高,信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展,為家用

2、電器居家環(huán)境集中控制和遠(yuǎn)程遙控提供了可能。將信息技術(shù)與家電控制技術(shù)相融合,在很大程度上實現(xiàn)家庭生活的信息化和自動化,滿足人們舒適、快節(jié)奏的生活需要,當(dāng)家庭采用了監(jiān)控系統(tǒng)之后,各種電子設(shè)備就能夠在幾乎無需過問的情況下進行操作。鑒于這種數(shù)字化家庭的發(fā)展趨勢,遠(yuǎn)程監(jiān)控作為一種理想的有效的而且快捷方便的實現(xiàn)途徑己被廣泛采用。圖1 現(xiàn)場控制卡的硬件框圖2系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(tǒng)將采用上、下位機的方式組建監(jiān)控系統(tǒng)。下位機工作于監(jiān)控現(xiàn)場,采用51系列單片機控制;上位機則用于監(jiān)控中心,使用一臺PC機。單片機通過各種傳感器,采集數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)卡控制芯片實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)接口將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳給異地的PC機,PC機的遠(yuǎn)程監(jiān)控端接收

3、監(jiān)控信息并存儲,然后進行相應(yīng)處理并發(fā)出相應(yīng)的報警信息。同時,PC機也可以向單片機發(fā)送指令,控制單片機的監(jiān)控行為?？刂泼畎l(fā)出去以后,負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制的單片機接受命令,經(jīng)過信息處理以后再執(zhí)行。3監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計對于現(xiàn)場監(jiān)控器和現(xiàn)場控制器都是分別由各自的單片機來組成,現(xiàn)場控制器的硬件設(shè)計與現(xiàn)場監(jiān)控器硬件設(shè)計一樣,都是包含了單片機最小系統(tǒng)的擴展,再加上各自的功能模塊。圖1是現(xiàn)場控制卡的硬件框圖。系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括兩部分內(nèi)容:一是單片機系統(tǒng)的擴展部分設(shè)計,主要是系統(tǒng)存儲器的擴展,存儲器擴展指EPROM, RAM的擴展等。二是功能模塊的設(shè)計,包括通信功能模塊、電機驅(qū)動模塊。3.1單片機系統(tǒng)的擴展3.1.1

4、系統(tǒng)存儲器的擴展本系統(tǒng)使用的單片機為78E58B單片機。78E58B是一款以8051為核心的單片機,它具有集成度高、指令功能強、運算速度快、I/O接口功能強、可靠性高等優(yōu)點,包含32K字節(jié)的片內(nèi)Flash電擦寫程序存儲器:4K字節(jié)附加ROM; 512字節(jié)片內(nèi)RAM;三個16位定時器/計數(shù)器;一個串口。該芯片還包括8個中斷源,2個中斷優(yōu)先級的中斷資源。32K字節(jié)的程序存儲器對于系統(tǒng)來說己經(jīng)足夠了,所以沒有擴展外部程序存儲器,所以在硬件框圖中不必添加外部ROM,節(jié)省了系統(tǒng)開銷,還可以省卻部分電路、連線,減少了干擾源。然而,78E58B只有512字節(jié)的片內(nèi)RAM遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)功能的要求,故采用了8

5、K字節(jié)的靜態(tài)RAM 6264作為外部數(shù)據(jù)存儲器。3.1.2復(fù)位電路設(shè)計本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用了電平式開關(guān)復(fù)位與上電復(fù)位,另外復(fù)位引腳還與網(wǎng)絡(luò)通訊卡上MCU的一個I/O口連接。使用這種復(fù)位電路,當(dāng)該MCU中的程序在運行過程中出現(xiàn)問題的時候,就可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊卡上的MCU使之復(fù)位,重新恢復(fù)正常工作。雖然這種復(fù)位電路干擾易串入復(fù)位端,但是一般不會造成單片機的錯誤復(fù)位。復(fù)位電路如圖2所示,但要注意的是這種復(fù)位電路要與手動的開關(guān)復(fù)位電路隔離,以免復(fù)位功能失效,甚至短路。3.2接口實現(xiàn)3.2.1RS232異步串行通信單元本系統(tǒng)采用RS232最簡單的全雙工通信方式,只用了三根線,即串行接收RXD,串行發(fā)送TX

6、D和接地線GND。將“串行發(fā)送”和“串行接收”交叉連接,地線直接相連,其余信號線都不用。用軟件來實現(xiàn)通信的“握手”、空閑檢測等功能。并且選用MAX232串口通信信號轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)RS232與TTL的電平和正負(fù)邏輯電平的轉(zhuǎn)換。通過MAX232的TTL和RS-232的輸入/輸出端口,自動的調(diào)節(jié)了單片機的TTL電平信號和RS-232的串口通信信號的電平匹配。設(shè)計這部分硬件單元,主要是為了系統(tǒng)調(diào)試的需要。在調(diào)試階段,通過串行通信端口,向計算機輸出調(diào)試的結(jié)果,有利于觀察系統(tǒng)運行的狀態(tài)。另外一個目的是為了將來系統(tǒng)擴展的需要,可以方便的通過串行通信端口,向系統(tǒng)輸入必要的命令和信息。3.2.2單片機雙機并行互

7、連的實現(xiàn)方法實現(xiàn)現(xiàn)場控制卡和網(wǎng)絡(luò)通訊卡的連接實際上就是實現(xiàn)兩卡上單片機的互連。本來單片機帶有串口,利用串口進行互連通信非常方便,但是系統(tǒng)中的單片機的串口都要用于對外連接,所以單片機的串口就不能用做系統(tǒng)內(nèi)單片機之間的通信接口了。但是,單片機的并行端口也能相互連接來進行數(shù)據(jù)通信,因此就通過單片機的并行端口來實現(xiàn)現(xiàn)場控制卡和網(wǎng)絡(luò)通訊卡直接的互連。在本系統(tǒng)中,可根據(jù)不同的使用要求,來采用不同的并行連接方法。目前可用的連接方法包括以下三種:單向并行通信接口;主從并行通信接口;無主從雙向并行通信接口。3.3驅(qū)動電機電路3.3.1驅(qū)動電路單片機本身具備一定的驅(qū)動能力,其I/O口的電流在l0m A左右,像驅(qū)動

8、發(fā)光二極管之類的器件并不需要特殊的驅(qū)動電路,但是對于直流電機這類負(fù)載較大的器件,單片機無法為其提供較大的電流,尤其在直流電機剛啟動時,電機的啟動電流往往會達(dá)到其正常工作電流的數(shù)倍,所以,這一類的器件就需要專門的驅(qū)動電路完成對其的驅(qū)動,而單片機只是完成對其控制方面的工作。驅(qū)動電路的基本功能是要有足夠的電流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。原理圖如圖3所示。圖3 單片機驅(qū)動直流電機原理框圖3.3.2光耦合器光耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起,通過光線實現(xiàn)藕合,構(gòu)成電-光-電的轉(zhuǎn)換器件。光耦合器可用于較遠(yuǎn)距離的信號隔離傳送?？梢云鸬礁綦x兩個系統(tǒng)地線的作用,是兩個系統(tǒng)的電源相互獨立,消除地電位不同所產(chǎn)生的影響,具有

9、很強的抑制噪聲干擾的能力。    還可以作為信號隔離轉(zhuǎn)換、脈沖系統(tǒng)間的電平匹配、強電與弱電之間隔離、高壓開關(guān)等。光耦合器的應(yīng)用時系統(tǒng)具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。4監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1現(xiàn)場控制卡的軟件開發(fā)本系統(tǒng)的控制軟件就是用在C語言程序中嵌入用匯編語言開發(fā)的功能模塊的方法開發(fā)的。設(shè)計用到的工具是KEIL公司的MCS-51系列單片機集成開發(fā)環(huán)境。它的功能非常強大,實現(xiàn)從文本代碼編輯到生成可用于燒到目標(biāo)ROM的二進制或者HEX格式的文件的所有功能。集合了文本編輯器、C語言編譯器、匯編編譯器、連接定位器、目標(biāo)處理器模擬仿真器以及庫文件管理器等51開發(fā)工具套件。軟件

10、開發(fā)采用項目管理方式,多個模塊(多個文件、放在一個項目當(dāng)中,管理方便。軟件的流程圖如圖4所示。圖4 軟件流程圖4.2現(xiàn)場控制卡和網(wǎng)絡(luò)通訊卡間的通信通過并口擴展,系統(tǒng)采用兩個8位并口分別用作數(shù)據(jù)的輸入與輸出,并采用一個8位并口用作聯(lián)絡(luò)信息的傳送,該并口的高4位和低4位分別用于聯(lián)絡(luò)信號的輸入和輸出。通信采用的是查詢法,通過查詢聯(lián)絡(luò)信息的狀態(tài)來指導(dǎo)完成整個通信過程。這些聯(lián)絡(luò)信息分別與系統(tǒng)內(nèi)的三種內(nèi)部通信相對應(yīng),包括配置信息的傳輸、控制信息的傳輸和環(huán)境信息的傳輸。4.2.1配置信息的傳輸配置信息的傳輸主要是在系統(tǒng)剛啟動時進行,由網(wǎng)絡(luò)通訊卡發(fā)起。首先由網(wǎng)絡(luò)通訊卡將第一個字節(jié)的配置信息輸出到網(wǎng)絡(luò)通訊卡的輸

11、出并口上,并同時輸出“發(fā)送配置信息”(0001)的聯(lián)絡(luò)信號。數(shù)據(jù)采集卡以一定的頻率掃描聯(lián)絡(luò)信號輸入口,收到“發(fā)送配置信息”的聯(lián)絡(luò)信號后,馬上讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入口,獲得第一個字節(jié)的配置信息,并發(fā)出“收到配置信息”(0010)的聯(lián)絡(luò)信號,完成第一個字節(jié)的傳送。接著,網(wǎng)絡(luò)通訊卡與現(xiàn)場控制卡繼續(xù)以幾乎相同的方法傳送第二個字節(jié)的配置信息,稍有不同的只是把聯(lián)絡(luò)信號“發(fā)送配置信息”和“收到配置信息”都按位取反,即第二次通信的聯(lián)絡(luò)信號變?yōu)椤鞍l(fā)送配置信息”(1110)和“收到配置信息”(1101),直到數(shù)據(jù)傳送完畢,雙方以“傳輸結(jié)束”(1111)的聯(lián)絡(luò)信息結(jié)束本次通信。通過這種方法,網(wǎng)絡(luò)通訊卡和現(xiàn)場控制卡只要分

12、別輸出一次聯(lián)絡(luò)信號,就可以傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù),協(xié)議簡單,數(shù)據(jù)傳輸快捷。4.2.2控制信息的傳輸控制信息的傳輸同樣是由網(wǎng)絡(luò)通訊卡發(fā)起的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊卡從數(shù)據(jù)采集卡上獲取到報警信息或是處于監(jiān)控中心的用戶有需求時,從上位機發(fā)送控制命令以后,網(wǎng)絡(luò)通訊卡將一個字節(jié)的控制信息輸出到相應(yīng)的并口上,并通過其輸出聯(lián)絡(luò)線輸出“發(fā)送控制信息”(0100)的聯(lián)絡(luò)信息,現(xiàn)場控制卡收到“發(fā)送控制信息”的聯(lián)絡(luò)信息以后,馬上讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù),并發(fā)送“收到控制信息”(1000)?，F(xiàn)場控制卡收到該信號以后,以“傳輸結(jié)束(1111)”結(jié)束本次通訊。4.2.3環(huán)境信息的傳輸環(huán)境信息的傳輸由網(wǎng)絡(luò)通訊卡發(fā)起,并不斷地循環(huán)進行。首先,網(wǎng)絡(luò)通訊

13、卡將所要讀取環(huán)境信息的編號通過數(shù)據(jù)并口輸出,并輸出聯(lián)絡(luò)信號“環(huán)境信息查詢”(1100)。數(shù)據(jù)采集卡收到該信號后,通過數(shù)據(jù)輸入并口獲得網(wǎng)絡(luò)通訊卡要查詢的環(huán)境信息的通道編號,把相應(yīng)的環(huán)境信息數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸出并口輸出,同時輸出聯(lián)絡(luò)信號“環(huán)境信息送到”(1010)。網(wǎng)絡(luò)通訊卡收到該信號后,就可以繼續(xù)查詢下一個環(huán)境信息了。4.3監(jiān)控數(shù)據(jù)庫目前用于數(shù)據(jù)庫開發(fā)的開發(fā)環(huán)境有很多,例如:Delphi, Visual Basic, PowerBuilder和SQL Server等。隨著Visual C+的數(shù)據(jù)庫開發(fā)功能的不斷加強,它作為一種方便易用的開發(fā)工具在實際開發(fā)中被廣泛應(yīng)用。 本系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫設(shè)計便采用的是Visual C+,其界面包括系統(tǒng)登錄、軟件主界面、用戶信息管理和工作人員信息管理、環(huán)境信息和報警信息管理和監(jiān)控器配置信息管理。5本文作者創(chuàng)新點本文實現(xiàn)了一整套比較完整的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。文中介紹了整個系統(tǒng)的解決方案,現(xiàn)場控制卡的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計,以及現(xiàn)場控制卡與網(wǎng)絡(luò)通訊卡之間的通信。本系統(tǒng)與一般監(jiān)控系統(tǒng)相比,主要特點是現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備能直接上網(wǎng),而系統(tǒng)又利用了Ethernet:作為監(jiān)控信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸信道,并采用了廉價的51系列單片機作為現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的MCU,以及使用了源代碼公開的C/OS-實時內(nèi)核最為現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的軟件平臺,使系統(tǒng)具備了較高的性價比。參考文獻:1 楊武剛. 單片機典型