基于Web的数据采集系统设计.pdf

《基于Web的数据采集系统设计.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Web的数据采集系统设计.pdf（4页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术本栏目责任编辑：冯蕾网络通讯及安全第8卷第16期(2012年6月)基于Web的数据采集系统设计朱舞雪，茅正冲，霍中花，高娟，邵阳，王芸芸（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）摘要：该系统采用以Cortex-M3为内核的LM3S8962芯片为微控制器，利用其内置的以太网控制器，将通过PT100温度传感器采集的温度数据，通过LM3S8962处理后，通过以太网传送至远程PC机，使用户能够通过任意的IE浏览器实现对温度的远程监控。该文从硬件和软件两方面介绍了基于web的数据采集系统的设计和实现过程。关键词：

2、LM3S8962；PT100；以太网；TCP/IP中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)16-3844-04Data Acquisition System Design Based on WebZHU Wu-xue,MAO Zheng-Chong,HUO Zhong-hua,GAO Juan,SHAO Yang,WANG Yun-yun(Jiangnan University,Content Networking Academy of Engineering，Wuxi 214122,China)Abstract：The system uses the Co

3、rtex-M3 core LM3S8962 chip microcontroller,use its built-in Ethernet controller,temperature data collected by the PT100 temperature sensors,by the LM3S8962 treatment over Ethernet to remotethe PC,allowing users to any IE browser remote monitoring of the temperature.This article describes the hardwar

4、e and software design and implementation of web-based data acquisition system.Keywords：LM3S8962;PT100;Ethernet;TCP/IP随着当今科学技术的飞速发展，网络技术和控制技术在工业、农业等领域的应用越来越广泛，数据采集的网络化管理和远程监控技术已成为工业发展的必然趋势。M2M（Machine to Machine）的网络通信技术已成为国内外的研究热点，而Web技术为工业设备实现网络化管理提供了一种解决方案。本系统所采用的LM3S8962嵌入式微处理器是由美国Luminary Micro公司

5、设计的，它是整个嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式微处理器与通用的CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。本系统的设计通过外接高精度的温度传感器PT100实现对温度数据的实时采集，然后经过A/D转换电路和算法处理，由LM3S8962实时显示采集的温度。并通过将TCPIP协议栈ulP移植到LM3S8962上，将采集的温度数据通过以太网传送至远程主机，实现用户对温度的远程检测和监控的功能。1 系统总体设计该数据采集系统的整

6、体结构由LM3S8962微处理器、电源模块、PT100温度采集模块、OLED显示模块、以太网接口模块等组成。通过外接高精度的温度传感器PT100实现对温度数据的实时采集。PT100的数据口与LM3S8962的GPIO口相连，然后通过与LM3S8962连接的OLED，显示采集的温度数据。最后采集的温度数据通过搭建的网络接口线便可传送至远程主机。1.1 LM3S8962最小系统设计LM3S8962是LuminaryMicro公司推出的一款基于Cortex-M3内核的ARM芯片，它用8/16位的成本获得了32位的性能。支持最大主频为50MHz的内核，含有64kB的SRAM，256kB的Flash，集

7、成了10/100以太网控制器、CAN控制器、UART接口、SSI接口、ADC模块等。图1为LM3S8962的内部结构方框图。LM3S8962最小系统主要由LM3S8962芯片、时钟模块、复位模块、电源模块组成。8M晶振连接到振荡器引脚，再配合相应的匹配电容即可。电源和地之间要连接多个去耦电容，分布在电路板的不同位置，以提高抗干扰性能。复位电路将按键与电容并联然后串联一个10K的电阻，连接到3.3V的电源来实现。1.2 电源模块设计通过一个开关电源将220V的交流电源转换为5V直流电压给系统供电。一方面利用LDO（低压降）稳压器把5V电压转换成3.3V，供给系统的大部分芯片使用。另一方面通过一个

8、DC/DC升压模块将5V电压转换 为15V供OLED使用。图3为5V电压转3V收稿日期：2012-04-05作者简介：朱舞雪（1991-），女，山东莱阳人，学生；茅正冲，男，江苏启东人，江南大学副教授。E-mail:http:/Tel:+86-551-5690963 5690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.8,No.16,June 2012.3844Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术网络通讯及安全本栏目责任编辑：冯蕾第8卷第16期(2012年6月)和15V的原

9、理图。VCC5VCC15C404.7uFC38120pFC414.7uFC390.1uFR1910kR3317.8kR20200k10uHL10InductorEN+15VD3Diode BAS16SW1FB2GND3VIN4SHNDn5U7FAN5331VIN11VOUT4GND2VIN26SENSE5GND7NC3U102LP8345ILD-3.3DGNDDGNDDGNDDGND4.7uFC1054.7uFC106JP100D+5V+5VD+3.3V+5V to+3.3V 500mA Power Suplpy图2 电源模块原理图1.3 PT100温度采集模块设计PT100温度传感器的温度采

10、集范围为-200+200，显示精度0.1。当数据采集单元接收到远程主机端发送的数据采集指令时，LM3S8962通过内置A/D转换器将PT100温度传感器电路的电压值转换成数字量，再通过计算算法得到PT100的电阻值，由电阻值计算出对应的温度，并通过以太网接口实时在远程主机上显示温度值。温度数据每秒钟更新一次，并周期性地更新显示数据。1.4 以太网接口模块设计图3为LM3S8962内部的以太网控制器，以太网控制器在功能上被划分为两个模块：介质访问控制器（MAC）层和网络物理层。他们分别与ISO模型的第二层和第一层相对应。以太网控制器的基本接口是到MAC层的一个简单总线接口。MAC层提供了以太网帧

11、的发送和接收处理。MAC层还通过一个内部的介质独立接口(MII)给PHY模块提供接口。图3 以太网控制器1.4.1 TCP/IP协议栈uIPuIP是专为8位和16位的嵌入式微控制器设计的微型TCP/IP协议栈,它采用BSD授权,具有良好的互操作性和可移植性。uIP具有如下特性：1）良好的文档和源代码注释。2）代码少。3）占用的内存少,在编译时候可以设置。4）支持ARP、SLIP、IP、UDP、ICMP(ping)和TCP协议。5）提供一套实例程序:web服务器、web客户端、电子邮件发送程序(SMTP客户端)、Telnet服务器、DNS主机名解析程序。6）活动的TCP链接数没有限制,在编译时可

12、以设置。在嵌入式系统的实现中，LM3S8962芯片内置存储空间大小不足以实现所有TCP/IP协议的应用，而本方案中TCP/IP协议主要任务在于完成数据的采集及其网络传输，并不需要实现文件传输等大流量功能，所以此处我们采用了uIP TCP/IP协议栈。图1 LM3S8962内部结构方框图3845Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术本栏目责任编辑：冯蕾网络通讯及安全第8卷第16期(2012年6月)1.4.2 以太网接口电路设计在本系统中，以太网接口的设计方式是整个网络体系结构的关键所在。我们采用以MCU为核心，同时与网络接口芯片相结合的方案，虽然此方式在

13、难易方面没有其他的网络搭建方案有优势，但其却有着低成本的特点。uIP有较好的移植性,所以我们通过对应用层函数重新编写，以及更改配置文件uip_conf.h来实现对以太网接口的控制。选用HR601680作为以太网通信网络变压器。以太网的远程控制终端接口采用以太网卡RTL8139。LM3S8962的网关通过RTL8139的RJ-45接口用五级以上的双绞线同外部网络进行物理联接，利用LM3S8962操作系统内嵌的TCP/IP协议同RTL8139进行通信。LM3S8962的网关同时充当了数据服务器，可以接入以太网，因此用户也可以从设备以外的地方通过以太网访问该服务器。在服务器上构建一个WWW服务器，通

14、过通用的浏览器以B/S（浏览器/服务器)模式浏览网页的方式就可以实现对本服务器的远程访问和控制。1.5 系统软件设计温度数据的采集和发送都采用定时器中断的方式，当温度采集定时中断发生时，将进行温度数据的采集，而当发送温度数据的定时中断被触发时，则通过uip _ send()函数发送温度数据。同时本程序将实时检测TCP连接是否断开，如果是则温度采集器将停止发送温度数据，并在一定时间后重新尝试使用uip _connect()函数发起连接请求。图4描述了该温度采集器的软件实现流程。图4 软件流程图2.5.1 PT100温度采集模块程序设计因为温度传感器PT100要与LM3S8962的GPIO进行数据

15、通信，所以首先要使能GPIO模块，然后再对其进行配置。使能的方法是调用头文件“sysctl.h”里的函数 SysCtlPeripheralEnable（）。如要使能 GPIOB 模块的操作是：SysCtlPeripheralEnable（SYSCTL_PERIPH_GPIOB）;当要访问GPIO引脚时，必须先对其进行正确的配置。LM3S8962的GPIO引脚有两种用法，作为I/O或非I/O。作为I/O时将其配置为输入输出。2.5.2 LM3S8962以太网控制器程序设计要使用以太网控制器，外设必须通过置为RCGC2寄存器的ETH位来使能。Ethernet的API函数被用来配置和控制MAC，用以

16、访问PHY设置的寄存器，以便发送和接收以太网数据包，并配置和控制可用的中断。该驱动程序包含在src/ethernet.c中，src/ethernet.h包含应用使用的API定义。以太网数据由以太网帧来传送。基本的帧格式如图5所示。图5 以太网帧LM3S8962以太网控制器的初始化程序如下：SysCtlPeripheralEnable（SYSCTL_PERIPH_ETH）;/使能以太网控制器EthernetInitExpClk(ETH_BASE,SysCtlClockGet()；/设置以太网的时钟速率EthernetConfigSet(ETH_BASE,(ETH_CFG_TX_DPLXEN|ET

17、H_CFG_TX_CRCEN|ETH_CFG_TX_PADEN);/配置以太网控制器EthernetEnable(ETH_BASE);/使能以太网控制器IntEnable(INT_ETH);/使能以太网中断3846Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术网络通讯及安全本栏目责任编辑：冯蕾第8卷第16期(2012年6月)EthernetIntEnable(ETH_BASE,ETH_INT_RX);/使能接收包中断IntMasterEnable();/使能处理器的中断Web服务器建立在LM3S8962控制器中，PC机通过网线连接到温度采集系统的RJ45接口，

18、并配置以太网的IP地址，子网掩码。作为客户端的PC机，在任意的IE浏览器输入web服务器的IP地址，即可点击浏览采集的温度数据。3 结束语该文所描述的数据采集系统的设计是以LM3S8962微处理器为核心。LM3S8962的效率高、可靠性好，同时具有相当丰富的外设接口，使用LM3S8962作为该数据采集系统的微控制器，有利于简化硬件电路设计过程,同时利用其内置的以太网控制器能大大简化电路结构，降低复杂度，节省设计成本。Web接口使得用户可以在任何一台有互联网接入能力的带有Web浏览器的设备访问到该LM3S8962嵌入式数据采集系统，实现对数据采集的远程检测和监控功能。目前，以web技术为基础的远

19、程采集与监控已成为工业的发展趋势。工业监测系统与web技术的结合实现了集控制、管理、信息、网络于一体的综合自动化。该文为实现远程温度数据的采集提供了一个高性价比、切实可行的解决方案，其在智能家居、工业控制、农业生产等领域具有广阔的应用前景和发展空间。参考文献：1 卞金洪.基于LM3S8962的温度采集器设计J.盐城工学院学报:自然科学版,2009(7).2 檀永,陈小平.基于FAT16文件系统的嵌入式温度记录器J.单片机与嵌入式系统应用,2008(5).3 张璇.基于LM3S8962的嵌入式微系统设计J.电脑知识与技术,2011(23).4 余威明.LM3S8962以太网温度采集系统设计J.微

20、计算机信息,2011(10).5 ZHAO Zhen-qi.The Long-Distance Examination System Based on Web DatabaseJComputer Knowledge and Technology,2005.6 Can Fdibeli MOzkasap OzllurReha CivanlarEmbedded Web Server-Based Home Appllance NetworksJJournal of Net-workand Computer Applications,2007(4).7NU Er-fu-la-ti,ZHOU Nan,QI

21、U Xiao-bin.Design and implementation of customizable data acquisition system based on webJ.Agriculture Network Information,2007(5).（上接第3810页）5 后续研究内容及该文研究意义该文描述了多核处理器和Linux之间的接口，为软件开发提供了一个良好的框架。但是我们看到，多核硬件平台还为我们提供了丰富的硬件加速接口，如何利用这些硬件加速功能，如加密功能，内容过滤功能等是我们下一步的研究重点。多核系统应用与网络设备平台最近在美国和欧洲市场有迅猛发展，而国内许多网络设备

22、厂家仍处于试验和观望的状态。该文所描述的网络平台软件介绍是在这种崭新的网络应用平台下的尝试，对未来如何利用多核系统构建高性能、应用复杂的平台有重要的借鉴作用。参考文献：1 Cavium Octeon simple executive software programming guideZ.2 Robert L.Linux内核设计与实现M.北京：机械工业出版社,20063 Wehrle L.Linux内核中网络协议的设计与实现M.北京：清华大学出版社 20064 王育民,刘建伟.通信网的安全理论与技术M.西安：西安电子科技大学出版社,19995 兰振平,孙岩国,唐树森,等.基于Linux系统的I

23、Psec Vpn在IPv6中的研究J.计算机工程与设计，2006(1):106-108.6 Anderson T E.The performance of spin lock alternatives for sharedmoney multiprocessorsJ.IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,19901(1):6-16.7 Flood C H,Detlefs D,Shavit N,Zhang X.Parallel garbage collection for shared memory multiprocessorsC/Monterey,California:JVM01 Proc of the JavaTMVirtual Machine Research and Technology Symposium on JavaTMVirtual Machine Research and Technology Symposium,2001.3847