基于嵌入式实时操作系统和TCP/IP协议的单片机测控系统

摘要

将嵌入式系统与网络相结合,构造能与网络相连接的智能节点,是目前控制、通讯、计算机等多学科的研究热点.这种智能节点可以是复杂昂贵的工业实时控制设备,也有可能是小巧经济可以接入Internet的智能家电.该文的工作致力于将嵌入式实时操作系统(RTOS)uC/OS-Ⅱ和应用最广泛的网络协议TCP/IP协议相结合,移植到51系列单片机上.这样的系统由内置64K程序Flash存储器的WinbondW5168EBP单片机,32K扩展数据存储器和RTL8019AS以太网络接口控制芯片构成.该系统最大的特点是在8位单片机上实现了HTTP协议.系统配置成功后,成为局域网中有独立IP地址的一个节点.局域网中的任一一台PC在IE浏览器的地址栏输入配置给系统的IP地址,就可以访问到存储在该系统中的超文本页面.通过对页面上的控制按钮进行直接操作,可以达到控制系统电平输出的目的.连入网络内的PC只要能够运行IE浏览器,不要进行任何其他软件设置和添加任何其他硬件设备,就具备了对测控设备进行操作的能力.单片机上实现TCP/IP的意义和价值在于:将原来孤立的控制单元改造成能够融合进控制网络和信息网络的节点.同时,以太网上运行的TCP/IP协议是一个开放的标准,它并不由某个厂商所控制.开放性和公开性使得开发具有自主知识产权的系统成为可能.该论文研究实现的基于RTOS和TCP/IP协议的分布式单片机测控系统,主要做了以下几个方面的工作:1实现了公开源码的嵌入式操作系统uC/OS-Ⅱ在51系列单片机Winbond W78E516BP上的移植,修正了参考资料普遍存在的错误.(见该文2.9小节,p27-28):2通过合理选择,实现了TCP/IP协议栈中的部分内容.值得重点指出的是用8位单片机实现了HTTP协议,从而使得单片机成为了可以用IE浏览器直接访问的节点;3分析了基于TCP/IP协议的分布式单片机测控系统的实时工作性能,进行了延迟时间的试验测试.提出了工业以太网的性能敏感因素和改进办法;4系统在船舶电站仿真系统中用于网络数据通信和远程控制.

目录

文摘

英文文摘

论文独创性声明和论文使用授权声明

第一章绪论

1.1课题来源与意义

1.2当前研究现状

1.3基于TCP/IP协议的嵌入式单片机测控系统概述

1.3.1系统硬件结构

1.3.2系统软件系统

1.3.3系统应用模型

1.4论文的主要研究内容与结构安排

第二章实时操作系统(RTOS)μC/OS-Ⅱ在51系列单片机上的移植

2.1嵌入式系统与嵌入式操作系统的关系

2.1.1什么是嵌入式系统

2.1.2嵌入式系统于嵌入式实时操作系统的关系

2.1.3引入嵌入式实时操作系统的意义

2.2开发工具选择

2.3 μC/OS-Ⅱ的特点

2.3.1μC/OS-Ⅱ简介

2.3.2μC/OS-Ⅱ的总体结构

2.4μC/OS-Ⅱ在51单片机上移植实现的要求

2.5文件OS_CFG.H的移植

2.6文件OS_CPU.H的移植

2.7文件OS_CPU_C.C的移植

2.8文件OS_CPU_A.ASM的移植

2.8.1 OSStartHighdy()的移植

2.8.2 OSCtxSw()的移植

2.8.3 OSIntCtxSw()的移植

2.8.4 OSTickISR()的移植

2.9本章小结

第三章TCP/IP协议在单片机上的实现

3.1 TCP/IP简介

3.1.1 TCP/IP的历史

3.1.2 TCP/IP的层次结构

3.2链路层以太网驱动程序的实现

3.3网络层ARP、IP协议的实现

3.3.1 ARP协议的实现

3.3.2 IP协议的实现

3.4传输层ICMP、TCP协议的实现

3.4.1 ICMP协议的实现

3.4.2 TCP协议的实现

3.5应用层HTTP协议的实现

3.6本章小结

第四章系统软硬件综合

4.1基于嵌入式实时操作系统TCP/IP协议

4.2硬件结构

4.2.1 RTL8019AS的工作方式

4.2.2单片机的口地址与RTL8019AS口地址之间的映射关系

4.2.3原理图与实物照片

第五章运行TCP/IP协议的测控系统时间性能分析

5.1带有碰撞检测的载波侦听多点访问法(CSMA/CD)的以太网及其延迟

5.2性能分析

5.3本系统的时间性能试验数据

第六章系统在船舶电站仿真系统中的应用

6.1在船舶电站仿真控制领域中的应用

6.2系统其它应用领域

第七章结论与展望

7.1结论

7.2发展和展望

7.2.1改进延迟的途径

7.2.2 IP地址分配问题

致谢

参考文献

附录