嵌入式TCP/IP技術(shù)在恒溫振蕩器中的應(yīng)用

嵌入式TCP/IP技術(shù)在恒溫振蕩器中的應(yīng)用

恒溫振蕩器(又稱恒溫?fù)u床)是一種溫度可控的恒溫的生化儀器，是植物、生物、微生物、遺傳、病毒、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等科研、教育和生產(chǎn)部門作精密培養(yǎng)制備不可缺少的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。而目前大部分恒溫振蕩器的同類產(chǎn)品都不具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的功能。TCP/IP協(xié)議采用一種層次結(jié)構(gòu)，為用戶提供了豐富的應(yīng)用服務(wù)，已成為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的事實(shí)上的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并已得到普遍推廣。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的Internet 網(wǎng)絡(luò)化的研究與應(yīng)用是近幾年來嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，這一技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用[1]。
　　本文為了保證實(shí)時(shí)監(jiān)控恒溫振蕩器的轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)，采用了以ARM7處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)與TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方式進(jìn)行通信訪問，使上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)地掌握恒溫振蕩器的各種參數(shù)狀況，保證對恒溫振蕩器工作過程實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，不需要浪費(fèi)人力和時(shí)間到現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)。
1 總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)架構(gòu)
　　本系統(tǒng)使用的是以ARM7為內(nèi)核、主頻達(dá)72 MHz的32位微處理器LPC2368，可以滿足高速實(shí)時(shí)處理及大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，且具有?nèi)置的以太網(wǎng)模塊，該模塊包含一個(gè)功能齊全的10 Mb/s或100 Mb/s以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)，這個(gè)以太網(wǎng)MAC通過使用加速的DMA硬件來提供優(yōu)化的性能[2]。系統(tǒng)還采用了美國國家半導(dǎo)體公司的DP83848單路10 Mb/s或100 Mb/s以太網(wǎng)收發(fā)器和支持10 Mb/s和100 Mb/s自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度的以太網(wǎng)接口RJ45來組成網(wǎng)絡(luò)通信模塊，同時(shí)此主控芯片也控制溫度和速度等其他多個(gè)模塊。整個(gè)設(shè)計(jì)體系具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)處理能力，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)
2.1 以太網(wǎng)硬件實(shí)現(xiàn)
　　本系統(tǒng)CPU采用飛利浦公司的LPC2368，它是以ARM7為內(nèi)核主頻達(dá)72 MHz的32位微處理器，內(nèi)部集成了一個(gè)以太網(wǎng)模塊，支持10 Mb/s或100 Mb/s PHY器件，帶有分散/集中式DMA的DMA管理器以及幀描述符數(shù)組，通過緩沖和預(yù)取來實(shí)現(xiàn)存儲器通信的優(yōu)化，并且發(fā)送和接收均支持多播幀、廣播幀和超長幀傳輸，允許幀長度為任意值。通過標(biāo)準(zhǔn)的媒體獨(dú)立接口(MII)或標(biāo)準(zhǔn)的簡化MII接口可連接外部PHY芯片，該特性是通過軟件來選擇，然后可對PHY寄存器進(jìn)行訪問。
　　網(wǎng)卡芯片DP83848是10 Mb/s/100 Mb/s單路物理層以太網(wǎng)收發(fā)器件，包含1個(gè)智能電源關(guān)閉，具有低功耗性能。在本系統(tǒng)中DP8384S工作在50 MHz晶振頻率下，具有能量檢測模式的特性，可為系統(tǒng)提供一個(gè)智能節(jié)能工作模式。它是一個(gè)鏈路可控制節(jié)能模式，目的是當(dāng)在線上檢測不到活動的時(shí)候，器件能夠進(jìn)入休眠的低功耗狀態(tài)，即狀態(tài)-能量檢測模式。能量檢測功能通過寄存器設(shè)定來控制，在電源狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換的時(shí)候，電源上電/重置算法遵循其正常流程，而且能量檢測模式并不會影響之前設(shè)定的工作模式。在電源狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，器件將會保留其原先的模式(強(qiáng)制模式或者自動協(xié)商、MDI或者M(jìn)DIX)。能量檢測算法能夠在不同的電源狀態(tài)之間自動或手動轉(zhuǎn)換，當(dāng)一個(gè)電源狀態(tài)的改變未成功或者發(fā)生太多誤差事件時(shí)，能量檢測邏輯能夠發(fā)出中斷信號。能量檢測邏輯在采取動作之前需要多倍數(shù)據(jù)和誤差事件來調(diào)節(jié)一些噪聲。計(jì)數(shù)器深度則由寄存器設(shè)置來確定，并默認(rèn)其為包含數(shù)據(jù)和誤差的一個(gè)事件。
　　最后與常用的以太網(wǎng)接口RJ45連接，該接口支持10 Mb/s和100 Mb/s自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連接速度[3]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)硬件電路連接如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)通信協(xié)議和通信過程
2.2.1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀傳輸和接收
　　在以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳遞靠的是MAC地址，而不是IP地址，IP地址和MAC地址具有映射關(guān)系。1個(gè)以太網(wǎng)包包括：1個(gè)導(dǎo)言區(qū)(preamble)、1個(gè)起始幀定界符和1個(gè)以太網(wǎng)幀。以太網(wǎng)幀由目標(biāo)地址、源地址、1個(gè)可選的VLAN區(qū)、長度/類型區(qū)、有效載荷以及幀校驗(yàn)序列組成，如圖3所示。每一個(gè)以太網(wǎng)幀均由1個(gè)或多個(gè)片段組成，每個(gè)片段對應(yīng)1個(gè)描述符。以太網(wǎng)模塊中的DMA管理器能夠?qū)?個(gè)以太網(wǎng)幀的多個(gè)片段進(jìn)行分散(用于接收)和集中(用于發(fā)送)[4]。

　　傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)包中7個(gè)字節(jié)的導(dǎo)言區(qū)用來使接收方的時(shí)鐘和發(fā)送方的時(shí)鐘同步，然后再由幀分界符來表述1個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始，進(jìn)而進(jìn)入數(shù)據(jù)幀的傳輸通信過程，數(shù)據(jù)幀主要是通過目標(biāo)地址和源地址的位置建立通信。6個(gè)字節(jié)的目標(biāo)地址是指目的站點(diǎn)的MAC地址，表明要把數(shù)據(jù)送到哪個(gè)站點(diǎn)。若目標(biāo)地址第1位為0，則這個(gè)字段指定了一個(gè)特定的站點(diǎn)；若為1，則表示目標(biāo)地址為一組地址，而該地址是事先定義好的；若所有位全為1，則表示接收者為局域網(wǎng)上的所有站點(diǎn)，即該地址是一個(gè)廣播地址。6個(gè)字節(jié)的源地址是指源主機(jī)的MAC地址，表明該幀來自哪個(gè)主機(jī)。VLAN是一種將局域網(wǎng)(LAN)設(shè)備從邏輯上劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)段，從而實(shí)現(xiàn)虛擬工作組(單元)的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，如果選用基于MAC地址的VLAN的方法就根據(jù)每個(gè)主機(jī)的MAC地址來劃分，即對每個(gè)MAC地址的主機(jī)都配置分組，它實(shí)現(xiàn)的機(jī)制就是每一塊網(wǎng)卡都對應(yīng)唯一的MAC地址，跟蹤屬于VLAN MAC的地址。在幀傳輸?shù)淖詈筮M(jìn)行幀校驗(yàn)，使用4個(gè)字節(jié)的循環(huán)冗余效驗(yàn)碼進(jìn)行錯(cuò)誤檢驗(yàn)。

2.2.2 TCP/IP協(xié)議
　　TCP/IP協(xié)議是面向連接的、端對端的可靠通信協(xié)議[4]，共分為4層，即網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，如圖4所示。

　　網(wǎng)絡(luò)接口層負(fù)責(zé)將IP數(shù)據(jù)報(bào)以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送和接收，具體過程為數(shù)據(jù)從TCP/IP應(yīng)用程序通過TCP傳遞到傳輸層TCP，然后交給IP。IP協(xié)議提供邏輯地址信息，并將數(shù)據(jù)封裝在分組中。接著IP分組進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)接口層創(chuàng)建1個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)幀，以便進(jìn)入物理網(wǎng)路，數(shù)據(jù)幀最后被轉(zhuǎn)換成在網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)上傳送的(bit)流。
　　TCP/IP的核心層是網(wǎng)絡(luò)層(IP)和傳輸層(TCP)，對應(yīng)的主要協(xié)議是IP和TCP兩大協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層提供計(jì)算機(jī)間的IP分組傳輸，包括高層數(shù)據(jù)的分組生成、底層數(shù)據(jù)報(bào)的分組組裝，以及路由處理、流量控制、擁塞處理等問題。IP數(shù)據(jù)報(bào)中含有發(fā)送它的主機(jī)的地址(源地址)和接收它的主機(jī)的地址(目的地址)。傳輸層(TCP)作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)之間的接口，根據(jù)端口通過TCP傳輸控制協(xié)議提供應(yīng)用程序間的通信，包括格式化信息流和提供可靠傳輸，實(shí)際上也就是將TCP數(shù)據(jù)送往一個(gè)由IP地址與端口號組成的套接字(Socket)。
　　應(yīng)用層提供常用的應(yīng)用服務(wù)程序，如HTTP服務(wù)、SMTP服務(wù)等。HTTP應(yīng)用程序在Web服務(wù)器上運(yùn)行的是面向?qū)ο蟮膮f(xié)議，工作方式為收聽請求，然后響應(yīng)請求，向請求方發(fā)回文件[5]。
2.2.3 本系統(tǒng)TCP/IP通信過程
　　TCP/IP協(xié)議軟件上的數(shù)據(jù)傳輸可分為3個(gè)階段：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和斷開連接。它的實(shí)現(xiàn)過程可以用狀態(tài)機(jī)來描述。建立連接有2種方法，即主動打開和被動打開。服務(wù)器端是被動打開，然后一直在偵聽連接請求；而客戶端是主動打開，發(fā)送連接請求以建立連接。斷開連接有2種方式：主動斷開連接和被動斷開連接。在需要主動斷開連接時(shí)，發(fā)送1個(gè)FIN數(shù)據(jù)包，接收到對FIN數(shù)據(jù)包的確認(rèn)后，再發(fā)送1個(gè)RESET數(shù)據(jù)包，即可順利完成1次主動斷開連接。
　　本系統(tǒng)中通信過程主要分為4個(gè)部分：
　　(1)網(wǎng)卡芯片DP83848和RJ45組成的硬件接口。
　　(2)TCP/IP協(xié)議棧。用這個(gè)協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)卡芯片已經(jīng)完全固化了從MAC層、網(wǎng)絡(luò)層到傳輸層所需要的協(xié)議，因此，用戶無需了解這些協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)代碼。
　　(3)接收和發(fā)送緩沖區(qū)。主控芯片LPC2368通過以太網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)上其他主機(jī)進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)都是通過這些緩沖區(qū)來進(jìn)行交換的。
　　(4)以太網(wǎng)物理層接口。網(wǎng)卡芯片DP83848實(shí)現(xiàn)10/100BaseT以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)功能。
　　在主機(jī)端訪問由嵌入式ARM芯片LPC2368為主控的從機(jī)，然后在主機(jī)顯示出由LPC2368控制下的恒溫振蕩器的速度和溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。具體過程是：先對底層進(jìn)行初始化，包括對LPC2368主控芯片上的局域網(wǎng)控制器配置端口和對DP83848的物理層的設(shè)備、讀寫狀態(tài)寄存器、MAC配置和控制寄存器、接收和發(fā)送端描述符寄存器、局域網(wǎng)地址寄存器、以及指定DP83848工作模式具體是10 Mb/s還是100 Mb/s；然后進(jìn)行定時(shí)編程，處理網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP堆棧和用戶事件；再設(shè)置監(jiān)聽TCP通信的端口，進(jìn)行端口連接，服務(wù)器則被動打開等待呼叫，之后就可以確定是否接收數(shù)據(jù)包然后進(jìn)行幀處理等；最后實(shí)現(xiàn)動態(tài)的HTTP服務(wù)器，等到被連接之后才發(fā)送1個(gè)HTTP的幀頭，存儲HTML代碼，這里的HTML代碼存放在自定義的一個(gè)數(shù)組當(dāng)中，該數(shù)組包括溫度和速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，只要在應(yīng)用層程序中調(diào)用該數(shù)組，就可以訪問到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并把得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示到網(wǎng)頁頁面上，以此實(shí)現(xiàn)對恒溫振蕩器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
??? 恒溫振蕩器網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)的程序流程如圖5所示。

3 其他模塊設(shè)計(jì)
3.1? 轉(zhuǎn)速模塊
　　主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的功能。在運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)置速度值，再通過DA輸出改變可控硅的導(dǎo)通角進(jìn)行電機(jī)速度的調(diào)節(jié)。運(yùn)行狀態(tài)又分為A、B、C、D四段運(yùn)行：首先是按照A段設(shè)置的轉(zhuǎn)速參數(shù)運(yùn)行，當(dāng)A段運(yùn)行時(shí)間結(jié)束就調(diào)入B段參數(shù)，B段開始運(yùn)行；當(dāng)B段運(yùn)行時(shí)間結(jié)束時(shí)就調(diào)入C段參數(shù)，C段就開始運(yùn)行；同理，C段運(yùn)行時(shí)間結(jié)束時(shí)調(diào)入D段參數(shù)，從而開始D段參數(shù)的運(yùn)行；當(dāng)D段運(yùn)行時(shí)間結(jié)束時(shí)，就設(shè)置待機(jī)狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，判斷轉(zhuǎn)速是否超出設(shè)置速度±5轉(zhuǎn)且超時(shí)大于2 min，選擇是否進(jìn)入超欠速轉(zhuǎn)速處理動作的執(zhí)行；否則就退出超欠速程序，繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制調(diào)整。???
3.2 溫度模塊
??? 主要實(shí)現(xiàn)溫度控制以及超溫和欠溫溫度調(diào)整的功能。溫度控制主要是通過制冷和加熱這兩個(gè)手段來調(diào)節(jié)。首先是在運(yùn)行的狀態(tài)下設(shè)置溫度參數(shù)值，然后由A/D轉(zhuǎn)換來采集振蕩器箱體內(nèi)部環(huán)境溫度，按照箱內(nèi)溫度和設(shè)置溫度的偏差，再根據(jù)PID溫度控制的算法[6]進(jìn)行分區(qū)域控制。該恒溫振蕩器劃分了3個(gè)區(qū)間進(jìn)行處理：(1)當(dāng)設(shè)置溫度處于(箱內(nèi)溫度-4℃)箱內(nèi)溫度區(qū)間時(shí)，控制打開制冷風(fēng)扇和加熱時(shí)間；(2)當(dāng)設(shè)置溫度低于箱內(nèi)溫度4℃區(qū)間時(shí)，制冷常開，控制加熱時(shí)間；(3)當(dāng)設(shè)置溫度大于箱內(nèi)溫度區(qū)間時(shí)，制冷不開，控制加熱時(shí)間，直到把溫度調(diào)整在誤差范圍之內(nèi)為止。如果恒溫振蕩器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，但箱內(nèi)溫度超出設(shè)置值的正負(fù)4℃且時(shí)間大于5 min時(shí)，就執(zhí)行超溫處理動作；否則，退出超欠溫程序，繼續(xù)進(jìn)行溫度控制。
??? 本文闡述了基于TCP/IP的恒溫振蕩器的設(shè)計(jì)原理，以嵌入式ARM芯片LPC2368為主控芯片控制多個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)說明了基于TCP/IP的控制模塊對于恒溫振蕩器的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)，目前市場上的大部分同類產(chǎn)品都不具備該項(xiàng)功能。另外，通過硬件與軟件的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)恒溫振蕩器的調(diào)速和調(diào)溫的功能，保證了恒溫振蕩器的恒溫恒轉(zhuǎn)速持續(xù)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。根據(jù)本設(shè)計(jì)制造的恒溫振蕩器具有很強(qiáng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性，能夠滿足用戶遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)的使用需求。

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