基于嵌入式以太网的数据采集系统的研究

摘要

随着Ethernet在诸多领域的广泛应用，许多原本独立的设备和系统开始与Ethernet互联，使越来越多的信息资源共享成为可能。基于嵌入式Ethernet技术的数据采集系统就为这种信息资源的共享提供了物质手段。它在工业控制领域有着迫切的需求和广阔的市场，因此越来越多的企业和个人致力于这方面的研究。 针对原油管道泄漏检测的实际要求，文中设计了一个基于嵌入式Ethernet的远程数据采集系统。该系统将8位MCU与以太网芯片连接，在MCU上嵌入精简的TCP/IP协议栈uIP及实时操作系统μC/OS-Ⅱ。在执行数据采集任务时，MCU对现场采集的数据进行处理，并驱动以太网芯片将数据发送到远程在线监测系统。 硬件部分主要由六个模块组成：信号调理模块、时间校对模块、存储器模块、网络控制模块、WDT模块和电源管理模块。论文分析了嵌入式系统与以太网的连接，并根据该MCU的实际要求，设计了电平转换电路。软件上，根据8位单片机本身资源有限的特点，精简了TCP/IP协议族，包括UDP，ICMP，IP，ARP协议，使之运行在8位单片机上。另外，为了增加系统的可靠性使TCP/IP协议栈更好的运行，课题的程序设计引入了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ。文中详细介绍了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的任务调度机制和移植其到51系列单片机C8051F020的过程及需要注意的问题，以及如何在嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ上嵌入TCP/IP协议栈。 在分析了系统的软、硬件部分的基础上，设计了一个网络化单片机数据采集系统。整个系统包含两大部分：数据采集网络和远程PC监测平台。其中，数据采集网络由多个嵌入式远程数据采集终端组成。采集终端所具备的信号采集、数据传输控制和网络传输的嵌入式精简的TCP/IP协议栈ulP都用C语言编程实现。远程PC的软件监测平台构建于LabVIEW开发环境下，模块化地实现了远程终端的管理、网络数据的交互功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2常用的数据采集系统

1.3嵌入式系统及其发展趋势

1.4以太网简介

1.4.1以太网概述

1.4.2以太网的发展趋势

1.5本课题研究的内容及工作安排

第2章μC/OS-Ⅱ及精简TCP/IP协议栈uIP

2.1 μC/OS-Ⅱ的选择及使用

2.2 μC/OS-Ⅱ的任务机制

2.2.1 μC/OS-Ⅱ内核的多任务管理

2.2.2 μC/OS-Ⅱ任务间通信

2.3 μC/OS-Ⅱ的移植

2.4嵌入式TCP/IP协议栈uIP

2.4.1嵌入式TCP/IP协议栈的特点

2.4.2免费的TCP/IP协议栈——uIP

2.5本章小结

第3章 系统的硬件设计

3.1嵌入式以太网接口分析

3.1.1接口组成

3.1.2以太网控制芯片——RTL8019AS

3.2嵌入式设备网络互连的设计

3.2.1 C8051F020单片机简介

3.2.2网络控制模块与主处理器的连接及自身设置

3.2.3 WDT模块

3.2.4硬件电路图

3.3网络隔离部分电路

3.4 RS232电平转换电路

3.5本章小结

第4章 系统的软件设计

4.1 μC/OS-Ⅱ与uIP TCP/IP协议栈的结合

4.2协议族简介

4.2.1 TCP/IP协议族简介

4.2.2协议分层

4.3网络层协议的实现

4.3.1 IP协议的实现

4.3.2 ICMP协议的实现

4.3.3 IP协议的C代码实现流程

4.4传输层协议的实现

4.4.1用户数据报协议UDP的实现

4.4.2传输控制协议TCP的实现

4.5 RTL8019AS以太网驱动程序

4.5.1网卡的初始化

4.5.2寄存器操作

4.5.3数据发送与接收程序设计

4.6本章小结

第5章 原油管道的远程数据采集系统

5.1数据的前向通道

5.1.1信号获取

5.1.2信号调理模块

5.2传输模块设计

5.3网络数据交互流程

5.4远程采集终端的管理

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢