[学位论文]基于嵌入式Internet技术的无线数据采集系统.pdf
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1、南京航空航天大学硕士学位论文基于嵌入式Internet技术的无线数据采集系统设计姓名:马晓旺申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:王宏涛2011-01南京航空航天大学硕士论文 i 摘 要 在工业生产和控制中,数据采集系统应用极其普遍,人们通过数据采集系统获取所需要的诸多物理信号,包括温度、压力、位移等,并对其进行分析和处理,从而实时掌握工业现场信息。随着短距离无线通信技术和嵌入式 Internet 技术的快速发展,它们在数据采集系统中得到了广泛的应用,短距离无线通信技术能够解决数据采集系统在复杂环境下的数据传输问题;嵌入式 Internet 技术能够通过将数据接入 Internet 实
2、现网络化远程数据采集。本文设计开发了一套基于嵌入式 Internet 技术的无线数据采集系统,完成了系统软、硬件设计,并利用测试实验对系统的整体性能进行了验证。具体工作内容如下:(1)设计了以 C8051F350 单片机为核心的数据采集电路和以 nRF905 无线收发芯片为核心的无线传输电路,并完成了数据采集处理程序和数据无线收发程序的编写。利用 C8051F350 单片机内部集成的 24 位 A/D 转换器实现高精度数据采集,通过 nRF905 芯片实现采集数据的无线发送。(2)设计了以 C8051F040 单片机、CP2200 以太网控制芯片为核心的嵌入式 Web 服务器电路和以 nRF9
3、05 无线收发芯片为核心的无线传输电路,并完成了无线收发程序和 CP2200 驱动程序的编写、TCP/IP 协议栈程序的精简以及 Web 服务器的实现。利用 C8051F040 控制 nRF905芯片接收采集数据,然后再控制 CP2200 芯片将采集数据接入 Internet,实现了通过浏览器登录嵌入式 Web 服务器页面查看采集数据的功能。(3)利用位移采集实验对系统的整体性能进行了测试,包括网络连通性测试和采集精度验证。测试实验结果表明,本文设计的基于嵌入式 Internet 技术的无线数据采集系统采集精度较高、数据传输可靠,具有良好的应用前景。关键词:关键词:数据采集;短距离无线通信;嵌
4、入式 Internet;TCP/IP 协议;Web 服务器 基于嵌入式 Internet 技术的无线数据采集系统设计 ii Abstract The data acquisition system is generally applied in industrial production and control.Using the data acquisition system for collecting physical signals,such as temperature,pressure,displacement and so on,people analyze and proces
5、s these signals,so as to real-time monitor status of the industrial field.Due to the rapid development of Short-range wireless communication technology and embedded Internet technology,they are widely applied to the data acquisition system.The Short-range wireless communication technology is used fo
6、r transmitting data in complex environment,and the embedded Internet technology is used for achieving the remote data acquisition by exporting data into Internet.A wireless data acquisition system based on the embedded Internet technology is designed in this paper,software and hardware of system are
7、 accomplished,and the test experiments are used to verify the system performance.The main research contents are as follows:(1)A data acquisition circuit based on C8051F350 MCU(Micro Controller Unit)and a wireless transmitting circuit based on the single-chip RF(Radio Frequency)transceivers nRF905 ar
8、e designed;data acquisition and processing programs,wireless transmission/reception programs are compiled.C8051F350 integrated 24-bit A/D converter is used to acquire the high-precision measured data,and nRF905 is used to transmit the measured data.(2)An embedded web server circuit based on C8051F04
9、0 MCU and CP2200 ethernet control chip is designed,and a wireless transmitting circuit based on the single-chip RF transceivers nRF905 is also designed.Wireless transmission/reception programs and CP2200 driver programs are compiled,TCP/IP protocol stack is simplified,and the implementation of web s
10、erver is accomplished.C8051F040 is exerted to control nRF905 for data reception,and then control CP2200 to export data into Internet,so that users can log on the embedded web server through browser to view the measured data.(3)The displacement acquisition experiment is used to verify the performance
11、 of network and acquisition accuracy on system.The results of the experiment show that the designed system has the characteristics of high-precision and reliability,and will have a good application prospect.Keywords:Data Acquisition,Short-range Wireless Communication,Embedded Internet,TCP/IP Protoco
12、l,Web Server 南京航空航天大学硕士论文 v 图清单 图清单 图 2.1 系统硬件总体结构框图.6 图 2.2 数据的采集和无线发送工作流程图.8 图 2.3 数据的无线接收和 Internet 接入工作流程图.8 图 3.1 C8051F350 内部功能框图.11 图 3.2 数据采集模块硬件电路图.12 图 3.3 电压采集程序流程图.16 图 4.1 nRF905 引脚图.18 图 4.2 TY-nRF905-SMA 与 C8051F350 连接电路图.19 图 4.3 TY-nRF905-SMA 与 C8051F040 连接电路图.20 图 4.4 SPI 串行接口与 5 个
13、内部寄存器.20 图 4.5 nRF905 发送时序图.25 图 4.6 发送数据流程图.25 图 4.7 nRF905 接收时序图.26 图 4.8 nRF905 接收数据流程图.27 图 5.1 电源电路图.29 图 5.2 CP2200 接口电路图.30 图 5.3 JTAG 接口连接图.32 图 5.4 IP 发送函数流程图.37 图 5.5 IP 接收函数流程图.37 图 5.6 ICMP 报文的封装格式.38 图 5.7 Ping 应答程序流程图.39 图 5.8 TCP 建立连接的三次握手报文序列.41 图 5.9 TCP 关闭连接的四次握手报文序列.42 图 5.10 TCP
14、超时重传流程图.45 图 5.11 TCP 数据接收流程图.46 图 5.12 TCP 数据报发送流程图.46 图 5.13 CP2200 接收接口功能框图.49 图 5.14 HTTP 的客户端/服务器端交互过程.50 图 5.15 CGI 工作原理图.51 图 6.1 Ping 测试结果.54 图 6.2 Web 页面.55 图 6.3 测量结果显示.55 图 6.4 txt 数据显示.56 基于嵌入式 Internet 技术的无线数据采集系统设计 vi 表清单 表 4.1 nRF905 工作模式.18 表 4.2 SPI 串行接口指令.21 表 4.3 配置寄存器.23 表 5.1 CP
15、2200 工作方式选择.31 表 5.2 ARP 报文的以太网封装形式.33 表 5.3 ARP 报文格式.33 表 5.4 IP 数据报格式.35 表 5.5 ICMP 报文类型及对应值.38 表 5.6 Ping 报文格式.39 表 5.7 TCP 报头格式.40 表 6.1 LVDT 传感器线性标定实验数据.53 表 6.2 通道 0 测量数据.56 表 6.3 通道 1 测量数据.56 南京航空航天大学硕士论文 vii 注释表 SoC 片上系统 SAW 声表面滤波器 CRC 循环冗余校验 TCB 传输控制模块 LVDT 线性可变差动变送器 C5 千分表示值检定仪 L 传感器位移值 U
16、采集电压值 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名:日 期:南京航空航天大学硕士论文 1第一章 绪论 1.1 课题的研究背景与意义 数据采集技术是信息科学的一个重要组成部分,信息技术的核心是信息获取、通信和计算机技术,通
17、常被称为 3C 技术(即 Collection,Communication and Computer),其中信息获取是基础和前提,而数据采集技术则是信息获取的主要手段。在人们的工业生产和控制过程中,数据采集系统有着极其广泛的应用,人们利用数据采集系统获取所需要的诸多物理信号,包括温度、压力、位移等,并对其进行分析和处理,从而实现对工业现场设备的监控,为安全生产、提高产品质量和降低成本提供必要的信息1。伴随着微电子技术和计算机技术的飞速发展,数据采集系统的性能得到了较大的拓展和提高,人们对数据采集的精度、传输方式等也有了更高的要求。传统的数据采集方式是基于 MCU(Micro controlle
18、r Unit)及 A/D 转换芯片获取数据,然而随着微电子和集成电路技术的发展,众多公司竞相开发了内部集成 A/D 转换器的高度集成化的SoC(System on Chip)芯片,即将一些常用模拟部件和数字部件集成到芯片内部,从而大大优化了系统的硬件设计2。数据采集系统的通信方式从广义上可以分为有线传输和无线传输两种方式3。有线传输一般采用总线的方式传输数据,例如 RS485 总线、CAN 总线等,目前大部分的数据采集系统都是采用有线传输方式传输数据,因为利用有线传输方式传输数据时传输速率高且稳定可靠;无线传输方式是采用电磁波为介质传输数据,例如蓝牙技术、射频技术等,能够有效解决一些布线较为困
19、难的复杂环境下的数据传输。随着无线通信技术的迅猛发展,无线传输技术得到了越来越广泛的应用,无线传输相比于有线传输,具有应用灵活、可移动性强、维护方便等优点4。对于数据采集系统中的无线通信技术应用,通常采用的是短距离无线通信技术,因为短距离无线通信技术一般都能够满足数据采集系统的传输要求,且相比于长距离无线通信技术具有成本低廉、开发周期较短等特点。目前应用较为广泛的短距离无线通信技术有红外技术、蓝牙技术、Wi-Fi 技术以及普通射频技术等。(1)红外技术是利用红外线实现点对点通信的技术,它的软硬件技术都已经比较成熟,目前广泛应用于小型设备间的无线通信5-6。红外技术具有体积小、功耗低、连接方便和
20、简单易用等优点,但是也具有较为显著的缺点,即只能进行视距传输,设备间不能有遮挡物,且必须相互间对准。(2)蓝牙技术是工作于 2.4GHz 的高速率短距离无线通信技术,支持点到点和点到多点的连接,可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网,多个微微网又可以互联成特殊分散网,基于嵌入式 Internet 技术的无线数据采集系统设计 2形成灵活的多重微微网的拓扑结构,从而实现各类设备间的快速通信7-8。目前,蓝牙技术主要应用于便携式计算机、移动电话、无线耳机等日常消费产品中。(3)Wi-Fi 技术属于无线局域网的一种,通常是指符合 IEEE802.11b 标准的网络产品,是利用无线接入手段的新型局域
21、网解决方案9。Wi-Fi 技术具有传输速率高、可靠性高、建网速度快捷、可移动性好、网络结构弹性化和组网灵活等特点。(4)普通射频技术,主要是指采用无线射频收发芯片,配置相应外围电路,并通过单片机控制实现数据的无线传输10-12。该技术无需用户对无线通信原理和工作机制具有非常深入的了解,只要根据射频芯片提供的操作接口进行正确操作,即可进行无线数据通信。目前使用比较广泛的射频芯片有 Nordic 公司生产的 nRF 系列、TI 公司生产的 CC 系列等。近年来,由于计算机技术特别是网络通信技术的迅猛发展,Internet 已经深入到社会生活的方方面面,逐渐成为当今社会信息流通的重要渠道。如何将目前
22、广泛应用的数据采集系统接入Internet,使得现场设备实现网络化远程监测,采集数据能够得到共享,成为当前研究的热点。数据采集系统的 Internet 接入,需要解决的核心问题就是嵌入式的 Internet 接入13-14。近年来,已经有很多公司提出了一些解决方案,包括 Netsilicon 公司的 Net+Works 技术、CMX 公司的CMX-MicroNet 技术以及 Connect One 公司的 ichip 技术等。也有一些公司针对嵌入式 Internet的接入开发了一些专用网络处理芯片,包括 Realtek 公司生产的 RTL8019AS 芯片、Cirrus Logic公司生产的
23、CS8900A 芯片以及 Slicon Labs 公司生产的 CP2200 芯片等等。目前应用较为广泛的嵌入式 Internet 接入技术主要包括以下几种方案15:(1)MCU+网络接口芯片+TCP/IP 协议 该方案的软件设计工作量较大,主要是 TCP/IP 协议的编写。这就要求设计者对 TCP/IP 协议非常的了解,根据嵌入式系统的特点,对标准的 TCP/IP 协议进行合理的简化,达到系统所需设计要求。但是目前市场上提供网络接口芯片的公司一般都会提供已经裁剪过的 TCP/IP 协议包,所有对于设计来说,只要对原有的协议进行适当的修改就可以了,大大削减了软件开发时间和精力。(2)MCU+网络
24、接口芯片+内嵌 TCP/IP 协议的小型操作系统 该方案和前一种方案基本相同,只是在软件上无需进行 TCP/IP 协议的设计,因为采用了经过验证后的内嵌 TCP/IP 协议的小型操作系统,设计者可以把精力投入到应用层的设计开发上。该方案对 MCU 芯片硬件要求较高,因为要在芯片内部实现操作系统,所以芯片必须有较大的内存空间和较高的处理速度,从而导致整体设计成本的提高。(3)MCU+TCP/IP 协议芯片 该方案由 MCU 及内部固化 TCP/IP 协议的芯片组成应用系统的核心,其 MCU 应用系统内部支持 TCP/IP 协议,可以直接拨号上网而无需其他支持。由于 TCP/IP 协议芯片价格比较
25、昂贵,南京航空航天大学硕士论文 3所以该方案的整体设计成本较高。(4)SoC 芯片(内嵌了网络接口芯片和 TCP/IP 协议)该方案采用完全集成的 MCU 芯片,即芯片内部集成了网络接口芯片和 TCP/IP 协议,实现嵌入式 Internet 的接入。对于设计者来说,设计工作量很小,但是硬件的成本也必然较高。当然,在不久的将来,SoC 必然成为嵌入式 Internet 接入方法的主流方式。近年来,国内外许多人把短距离无线通信技术、嵌入式 Internet 技术应用到数据采集系统中去,取得了丰硕的研究成果。高鹏等16提出一种基于 MSP430 单片机和 nRF905 无线收发芯片的无线监测系统设
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