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1、一种基于以太网的嵌入式数字监控系统ronggang导语：本文根据监控系统的开展现状,提出了一个基于以太网的嵌入式数字家庭监控系统的设计方案,并初步比拟完好的完成了该监控系统的开发摘要:本文根据监控系统的开展现状,提出了一个基于以太网的嵌入式数字家庭监控系统的设计方案,并初步比拟完好的完成了该监控系统的开发。系统采用嵌入式现场监控器进展数据收集,现场监控器由数据收集卡和网络通讯卡组成,现场控制卡负责接收监控中心发出的控制命令,它们都是由一块51单片机控制,其软件开发都是使用了C51和51汇编程序。关键字:监控系统;嵌入式系统;单片机随着科技的进步及对生活质量要求的不断进步,信息技术和网络化技术的
2、开展,为家用电器居家环境集中控制和远程遥控提供了可能。将信息技术与家电控制技术相交融,在很大程度上实现家庭生活的信息化和自动化,知足人们舒适、快节奏的生活需要,当家庭采用了监控系统之后,各种电子设备就可以在几乎无需过问的情况下进展操纵。鉴于这种数字化家庭的开展趋势,远程监控作为一种理想的有效的而且快捷方便的实现途径己被广泛采用。align=center图1现场控制卡的硬件框图/align2系统总体设计本系统将采用上、下位机的方式组建监控系统。下位机工作于监控现场,采用51系列单片机控制;上位机那么用于监控中心,使用一台PC机。单片机通过各种传感器,收集数据,通过以太网卡控制芯片实现的网络接口将
3、监控数据传给异地的PC机,PC机的远程监控端接收监控信息并存储,然后进展相应处理并发出相应的报警信息。同时,PC机也可以向单片机发送指令,控制单片机的监控行为。控制命令发出去以后,负责现场控制的单片机承受命令,经过信息处理以后再执行。3监控系统硬件设计对于现场监控器和现场控制器都是分别由各自的单片机来组成,现场控制器的硬件设计与现场监控器硬件设计一样,都是包含了单片机最小系统的扩展,再加上各自的功能模块。图1是现场控制卡的硬件框图。系统硬件设计主要包括两局部内容:一是单片机系统的扩展局部设计,主要是系统存储器的扩展,存储器扩展指EPROM,RAM的扩展等。二是功能模块的设计,包括通讯功能模块、
4、电机驱动模块。3.1单片机系统的扩展3.1.1系统存储器的扩展本系统使用的单片机为78E58B单片机。78E58B是一款以8051为核心的单片机,它具有集成度高、指令功能强、运算速度快、I/O接口功能强、可靠性高等优点,包含32K字节的片内Flash电擦写程序存储器:4K字节附加ROM;512字节片内RAM;三个16位定时器/计数器;一个串口。该芯片还包括8个中断源,2个中断优先级的中断资源。32K字节的程序存储器对于系统来讲己经足够了,所以没有扩展外部程序存储器,所以在硬件框图中不必添加外部ROM,节省了系统开销,还可以省却局部电路、连线,减少了干扰源。然而,78E58B只有512字节的片内
5、RAM远远不能知足系统功能的要求,故采用了8K字节的静态RAM6264作为外部数据存储器。3.1.2复位电路设计本系统的复位电路采用了电平式开关复位与上电复位,另外复位引脚还与网络通讯卡上MCU的一个I/O口连接。使用这种复位电路,当该MCU中的程序在运行经过中出现问题的时候,就可以通过网络通讯卡上的MCU使之复位,重新恢复正常工作。固然这种复位电路干扰易串入复位端,但是一般不会造成单片机的错误复位。复位电路如下图,但要留意的是这种复位电路要与手动的开关复位电路隔离,以免复位功能失效,甚至短路。3.2接口实现3.2.1RS232异步串行通讯单元本系统采用RS232最简单的全双工通讯方式,只用了
6、三根线,即串行接收RXD,串行发送TXD和接地线GND。将“串行发送和“串行接收穿插连接,地线直接相连,其余信号线都不用。用软件来实现通讯的“握手、空闲检测等功能。并且选用MAX232串口通讯信号转换芯片来实现RS232与TTL的电平和正负逻辑电平的转换。通过MAX232的TTL和RS-232的输入/输出端口,自动的调节了单片机的TTL电平信号和RS-232的串口通讯信号的电平匹配。设计这局部硬件单元,主要是为了系统调试的需要。在调试阶段,通过串行通讯端口,向计算机输出调试的结果,有利于观察系统运行的状态。另外一个目的是为了将来系统扩展的需要,可以方便的通过串行通讯端口,向系统输入必要的命令和
7、信息。3.2.2单片机双机并行互连的实现方法实现现场控制卡和网络通讯卡的连接实际上就是实现两卡上单片机的互连。本来单片机带有串口,利用串口进展互连通讯非常方便,但是系统中的单片机的串口都要用于对外连接,所以单片机的串口就不能用做系统内单片机之间的通讯接口了。但是,单片机的并行端口也能互相连接来进展数据通讯,因此就通过单片机的并行端口来实现现场控制卡和网络通讯卡直接的互连。在本系统中,可根据不同的使用要求,来采用不同的并行连接方法。目前可用的连接方法包括以下三种:单向并行通讯接口;主从并行通讯接口;无主从双向并行通讯接口。3.3驱动电机电路3.3.1驱动电路单片机本身具备一定的驱动才能,其I/O
8、口的电流在l0mA左右,像驱动发光二极管之类的器件并不需要特殊的驱动电路,但是对于直流电机这类负载较大的器件,单片机无法为其提供较大的电流,尤其在直流电机刚启动时,电机的启动电流往往会到达其正常工作电流的数倍,所以,这一类的器件就需要专门的驱动电路完成对其的驱动,而单片机只是完成对其控制方面的工作。驱动电路的根本功能是要有足够的电流驱动电机转动。原理图如图3所示。align=center图3单片机驱动直流电机原理框图/align3.3.2光耦合器光耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起,通过光线实现藕合,构成电-光-电的转换器件。光耦合器可用于较远间隔的信号隔离传送。可以起到隔离两个系统地线的
9、作用,是两个系统的电源互相独立,消除地电位不同所产生的影响,具有很强的抑制噪声干扰的才能。还可以作为信号隔离转换、脉冲系统间的电平匹配、强电与弱电之间隔离、高压开关等。光耦合器的应用时系统具有较高的电气隔离和抗干扰才能。4监控系统软件设计4.1现场控制卡的软件开发本系统的控制软件就是用在C语言程序中嵌入用汇编语言开发的功能模块的方法开发的。设计用到的工具是KEIL公司的MCS-51系列单片机集成开发环境。它的功能非常强大,实现从文本代码编辑到生成可用于烧到目的ROM的二进制或HEX格式的文件的所有功能。集合了文本编辑器、C语言编译器、汇编编译器、连接定位器、目的处理器模拟仿真器以及库文件治理器
10、等51开发工具套件。软件开发采用工程治理方式,多个模块多个文件、放在一个工程当中,治理方便。软件的流程图如图4所示。align=center图4软件流程图/align4.2现场控制卡和网络通讯卡间的通讯通过并口扩展,系统采用两个8位并口分别用作数据的输入与输出,并采用一个8位并口用作联络信息的传送,该并口的高4位和低4位分别用于联络信号的输入和输出。通讯采用的是查询法,通过查询联络信息的状态来指导完成整个通讯经过。这些联络信息分别与系统内的三种内部通讯相对应,包括配置信息的传输、控制信息的传输和环境信息的传输。4.2.1配置信息的传输配置信息的传输主要是在系统刚启动时进展,由网络通讯卡提议。首
11、先由网络通讯卡将第一个字节的配置信息输出到网络通讯卡的输出并口上,并同时输出“发送配置信息0001的联络信号。数据收集卡以一定的频率扫描联络信号输入口,收到“发送配置信息的联络信号后,马上读取相应的数据输入口,获得第一个字节的配置信息,并发出“收到配置信息0010的联络信号,完成第一个字节的传送。接着,网络通讯卡与现场控制卡继续以几乎一样的方法传送第二个字节的配置信息,稍有不同的只是把联络信号“发送配置信息和“收到配置信息都按位取反,即第二次通讯的联络信号变为“发送配置信息1110和“收到配置信息1101,直到数据传送完毕,双方以“传输完毕1111的联络信息完毕本次通讯。通过这种方法,网络通讯
12、卡和现场控制卡只要分别输出一次联络信号,就可以传送一个字节的数据,协议简单,数据传输快捷。4.2.2控制信息的传输控制信息的传输同样是由网络通讯卡提议的。当网络通讯卡从数据收集卡上获取到报警信息或者是处于监控中心的用户有需求时,从上位机发送控制命令以后,网络通讯卡将一个字节的控制信息输出到相应的并口上,并通过其输出联络线输出“发送控制信息0100的联络信息,现场控制卡收到“发送控制信息的联络信息以后,马上读取相应的数据,并发送“收到控制信息1000。现场控制卡收到该信号以后,以“传输完毕1111完毕本次通讯。4.2.3环境信息的传输环境信息的传输由网络通讯卡提议,并不断地循环进展。首先,网络通
13、讯卡将所要读取环境信息的编号通过数据并口输出,并输出联络信号“环境信息查询1100。数据收集卡收到该信号后,通过数据输入并口获得网络通讯卡要查询的环境信息的通道编号,把相应的环境信息数据通过数据输出并口输出,同时输出联络信号“环境信息送到1010。网络通讯卡收到该信号后,就可以继续查询下一个环境信息了。4.3监控数据库目前用于数据库开发的开发环境有很多,例如:Delphi,VisualBasic,PowerBuilder和SQLServer等。随着VisualC+的数据库开发功能的不断加强,它作为一种方便易用的开发工具在实际开发中被广泛应用。本系统监控数据库设计便采用的是VisualC+,其界
14、面包括系统登录、软件主界面、用户信息治理和工作人员信息治理、环境信息和报警信息治理和监控器配置信息治理。5本文作者创新点本文实现了一整套比拟完好的嵌入式监控系统。文中介绍了整个系统的解决方案,现场控制卡的硬件设计、软件设计,以及现场控制卡与网络通讯卡之间的通讯。本系统与一般监控系统相比,主要特点是现场监控设备能直接上网,而系统又利用了Ethernet:作为监控信息的网络传输信道,并采用了廉价的51系列单片机作为现场监控设备的MCU,以及使用了源代码公开的C/OS-实时内核最为现场监控设备的软件平台,使系统具备了较高的性价比。参考文献:1杨武刚.单片机典型模块设计实例导航M.人民邮电出版社，2004.52黄颖、张小飞.网络监控系统的设计和实现J.计算机工程与应用，2003.223黄乐天,谢意.实用高精度智能恒温加热器系统设计J.2005,10-1:36-384孙媛、王水清.基于以太网嵌入式家庭监控网络系统的设计J.江南大学学报自然科学版2003.15周文举.基于单片机红外无线通讯的抄表系统J.微计算机信息,2006,2-2:45-47、113