网络化的智能温度传感器设计

1 网络化智能传感器简介
    网络化智能传感器使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展；从被动检测向主动进行信息处理方向发展；从就地测量向远距离实时在线测控发展。网络化使得传感器可以就近接入网络，传感器与测控设备间再无需点对点连接，大大简化了连接线路，易于系统的维护和扩充。网络化智能传感器一般由信号采集单元、数据处理单元和网络接口单元组成。这3个单元可以是采用不同芯片构成合成式的，也可以是单片式结构。网络化智能传感器的核心便是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器具有体积小、功耗低、可靠性高、可抗干扰能力强等特点。本系统就是采用嵌入式微处理器作为核心，使用数字式的温度传感器作为采集单元。系统设计中采用的是信息技术领域最新的B／S(Brower／Server，浏览器／服务器)结构，用浏览器作为统一的客户端，无需安装软件，使用起来更加方便。

2 系统硬件设计
2．1 总体框架
    采用的嵌入式微处理器LPC2210是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16／32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器。功耗极低，具有多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断，特别适用于工业控制、医疗系统；由于内置了宽范围的串行通信接口，也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软Modem以及其他类型的应用。
    该嵌入式Web智能温度传感器系统设计的总体框架如图1所示。

2．2 电源模块
    LPC2200系列ARM7微控制器均要使用2组电源，I／O口供电电源为3．3 V，内核及片内外设供电电源为1．8 V应用系统。如图2所示，首先由CZl电源接口输入9 V直流电源，二极管D1防止电源反接，经过C1和C2两个电容进行滤波；然后，通过LM7805将电源稳压至5 V，再使用LDO芯片(低压差电源芯片)稳压输出3．3 V及1．8 V电压。

2．3 温度传感器
    温度传感器采用单线数字温度传感器DSl8820，该传感器是Maxim公司生产的、属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。测温范围较广，为一55～+125℃，固有测温分辨率为O．5℃。其支持“一线总线”接口，即从DSl8820读出信息或向DSl8820写入信息仅需要一根口线(单线接口)。温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DSl8820供电，而无需额外电源。DSl8820集温度测量、A／D转换于一体，可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，具有体积小、接口方便、传输距离远等特点。
    DS18820与微处理器LPC2210的连接图如图3所示。注意，应加入一个阻值为5．1 kΩ的上拉电阻。

2．4 网络接口
    网络接口采用的是目前比较常用的lO Mbps嵌入式以太网控制芯片RTL8019。它是一种高度集成的以太网控制芯片，内部集成了DMA控制器、ISA总线控制器、16 KB SRAM和网络PHY收发器。用户可以通过DMA方式把需要发送的数据写入片内SRAM中，让芯片自动将数据发送出去；而芯片在接收到数据后，用户也可以通过DMA方式将其读出。
    RTL8019AS与LPC2210一般通过外部总线进行连接，其连接关系如表1所列。

    由表1可知，RTL8019AS使用LPC2210外部存储控制的Bank2部分，而RTL8019AS的I／O地址为0x00300～Ox0031F，所以RTL8019AS在SA8=l、SA5=O时选通，其数据地址为0x83400000～Ox83400001F。
    NET_RST为LPC2210输出引脚，RTL8019AS中断信号为中断输入信号，且为外部中断。RTL8019AS的SDO～SDl5串了一个470 Ω电阻连接到LPC2210的D0～D15。此外，该系统还加入了LCM接口，可以直接支持SMG240128A点阵图形液晶模块，便于通过液晶实时显示传感器所接收的温度。

3 系统软件分析
3．1 总体设计
    系统开发采用的是ARM公司的ADS1．2作为开发编译环境。移植了μC／OS—II操作系统，主要采用C语言编写。将μC／OS—II移植到ARM处理器上，需要修改3个与ARM体系结构相关的文件：OS_CPU．H、0S_CPU_A．ASM、OS_CPU_C．C。具体移植请参考相关书籍。
    程序首先调用OSinit()初始化μC／OS—II，完成对操作系统内部一些变量、数据结构和宏定义的初始化。在开始多任务之前，还需建立一个名为Task0()的任务，这一点是非常重要的，否则用户的应用程序就会崩溃。主任务中首先调用TargetInit()函数将目标板初始化，模板中包含这个初始化函数，它完成对板上硬件的一些初始化工作。之后启动多任务环境，创建3个任务来实现系统最终的目标。这3个任务包括：传感器对温度的采集和处理；温度比较与液晶显示；建立Web服务器。下面对设计过程中比较关键问题进行详细的阐述。
3．2 软件设计中的关键技术问题
3．2．1 传感器的温度采集
    在对传感器数据采集的软件编程中，采用的是单线总线协议。通过单线总线访问DSl8820的协议包括：初始化DSl8820、ROM操作命令、存储器操作命令和读数据／处理数据。
    根据DSl8820的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：Init_DSl8820为初始化子程序；WriteOneChar为写(命令或数据)子程序；ReadOneChar为读数据子程序。所有的数据读／写均由最低位开始。
    该系统的读字节子程序的流程如图4所示。

    温度传感器采集的关键任务程序代码如下：

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3．2．2 Web服务器的建立
    要在微处理器中建立Web服务器，主要需要实现TCP／IP协议栈的移植。设计中主要采用ZLG／IP软件包，它是广州周立功单片机发展有限公司开发的面向嵌入式系统开发的TCP／IP协议栈，是ZLG系列中间件的重要成员之一。ZLG／IP提供实现Internet网络上IP接点的功能，是一种高性能的嵌入式TCP／IP协议栈软件。它使用μC／OS—II实时操作系统的信号机制来实现一个多任务并行、可重入的协议栈，完全使用ANSI C编写，可以像μC／OS—II那样支持多种CPU。ZLG／IP还具有层次清晰、易于升级和修改等特点。该ZLG／IP软件包具体可见参考文献。
    ZLG／IP采用模块化层次结构设计，其结构如图5所示。

    图5中，TCP／IP应用程序是用户自己编写的μC／OS—II任务，是ZLG／IP的使用者，位于整个程序的最高层。TCP／IP应用程序调用ZLG／IP提供的Socket API接口函数对网络进行相应的操作。Socket API接口位于TCP／IP协议与应用程序之间，是用户操作协议栈程序的工具，在应用程序中通过调用Socket API接口函数来对协议栈软件进行操作。TCP、UDP处理模块是协议栈程序中处理传输层协议的模块，负责对传输层的数据进行封装和解拆，保存传输层连接状态。点划线内部就是接收处理，包括IP报、ARP报、ICMP报的处理，及以太网层的数据接收驱动。接收驱动模块在接收到数据后先进行分类，若是IP报就由IP处理模块处理，若是ARP报就进行ARP协议处理。ARP请求报调用以太网发送模块发送ARP应答报。IP处理模块把数据分类，TCP或UDP报则转由上层的传输层模块处理，而ICMP协议处理模块负责对IC—MP协议进行处理。IP发送模块负责封装IP报，并把封装好的IP报传送到下层发送模块。IP发送模块有4个上层模块调用：分别是Socket API接口、UDP处理、TCP处理和ICMP处理。它们把相应的参数传送给IP发送模块，由IP发送模块来封装。Ethernet发送驱动模块是属于以太网层的处理模块，负责封装以太网报和数据的发送，调用它的模块有ARP处理模块和IP发送模块。
    由于使用的是B／S结构，则编程是采用的是TCP通信的Socket API。编写TCP通信的任务时分为服务器方式和客户机方式两种。服务器方式是需要监听连接，只有在与客户机建立连接后才能进行数据处理。客户机方式是主动连接服务器，也是在连接成功后才能进行数据处理。图6是TCP通信时服务器端和客户机端通信的函数应用图。

    在编程时温度传感器有其唯一的一个IP地址，即192．168．O．174。子网掩码是255．255．255．0，网关地址与IP地址相同。Web服务器建立在微处理器中，个人PC机为客户端，当个人需要查询温度传感器的值时，通过HTTP协议在浏览器中输入该传感器的IP地址(即ht—tp：／／192．168．O．174)，便可进入该系统的网页温度浏览界面。
    Web服务器任务程序代码如下：

结 语
    本系统已经过测试运行良好，能方便地通过浏览器实时查询温度传感器所采集的温度值。网络化智能传感器是如今传感器技术发展的一个新的方向，本系统采用嵌入式技术实现了一个基本的基于网络的智能化传感器，其中设计的重点主要是对TCP／IP通信协议的实现，即将TCP／IP协议栈移植到系统中，然后调用相关的API函数实现网络通信。而Web功能的实现主要采用了B／S模式，通过上层的HTTP协议实现了浏览器与嵌入式网络传感器的交互。实现传感器的网络化控制可以很好地应用在对家电设备的控制或工业现场的控制中，具有良好的应用前景。