基于ARM的温度采集与以太网传输系统的设计

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 文章编号 : 167121742 (2008) 0420433205 基于 ARM 的温度采集与以太网传输系统的设计 徐　萍 , 　卿粼波 , 　李金平 , 　何小海 (四川大学图像信息研究所 ,四川 成都 610064) 　　摘要 :基于 ARM 的温度采集与以太网传输系统重点是实现稳定地采集实时温度、批量传送采集结果。系统采 用基于 ARM 内核 L PC2214 对温度传感器 LM235 输出的模拟信号进行采集 ;用 DM9000 控制以太网传输采集结 果。基于 DM9000 的以太网传输具有较高的可靠性 ,适合批量数据传输 ,并且可实现较远距离通信。此外 ,为方便 调试和扩展 ,设计串口通信模块和 J TA G仿真调试接口模块。最终 ,实现对温度的实时采集与传输。 关 　键 　词 :以太网 ;温度采集 ;L PC2214 ;LM235 ;DM9000 中图分类号 : TP393. 09 　　　　　　文献标识码 :A 收稿日期 :2007212213 ;修订日期 :2007212229 1 　引言 目前 ,常用的数据采集装置多采用单片机进行控制 ,这样的系统处理能力非常有限。ARM 技术是嵌入式系 统方面的主流技术 ,其应用领域也越来越广泛。目前市场上的 ARM 芯片速度可达几百兆 ,以此为主控芯片可实 现高速、高精度且具有一定处理能力的数据采集处理系统。此外 ,远程传输温度信息在实际生活中也越来越重 要。采用以太网传输采集信息不仅能够实现较远距离通信 ,而且能够将信息传输到指定的 PC 机。 2 　系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 总体设计 系统主要有数据采集部分 ,数据传输部分以及辅助调试部分 ,分别负责温度信号的采集 ,温度信息的传送 ,系 统调试。系统主要器件有 :L PC2214、DM9000、LM235、J TA G和串口接口。其中 ,L PC2214 作为系统的核心芯 片 ,具有成本低、内部资源丰富的优点 ,负责进行模拟信号的处理 ;温度传感器 LM235 采集模拟信号 (电流信号) , 具有良好的线性性和精度 ;DM9000 控制以太网网络传输部分 ; HR601680 电压隔离器负责转换电压以符合以太 网通信标准 ;J TA G用于仿真调试 ;串口接口用于调试数据的正确采集 ,以及测试 DM9000 芯片的工作状况。整 个系统还包括电源 (电压)滤波模块 ,ARM 系统复位模块 ,时钟电路等。 　 图 1 　设计框架 基于 ARM 的数据采集与传输系统的设计框架 如图 1 所示。LM235 将温度信息转换成模拟电流信 号输出 ;该信号经调理电路送至 L PC2214 的 A/ D 转 换模拟信道 0。转换结果通过串口显示出来 ,以便进 行校正达到预期结果。在完成数据的正确采集后 , 再将数据进行处理 ,由 DM9000 控制 ,进行以太网传 输。 3 　系统硬件设计 系统主要涉及 2 部分 :数据采集模块和数据传输模块。 3 . 1 　数据采集模块硬件设计 系统采用的温度传感器是 LM235 ,直接以 K 分度 ,最初 1 ℃的精确度。LM235 测量范围在 - 40 ℃到 + 第 23 卷第 4 期 2008 年 8 月 成　都　信　息　工　程　学　院　学　报 JOURNAL OF CHEN GDU UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLO GY Vol. 23 No. 4 Aug. 2008 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 125 ℃,而在 0 ℃到 100 ℃的范围内其输出具有非常良好的线性性。假设某一时刻的输出电压为 V OU T ,此时的温 度为 T K ,它们之间的关系如计算公式 (1) 所示 ( T K 单位为 K) 。其中 A 表示标定温度为 T TO时的电压值。在 28 ℃进行标定后 ,则在 100 ℃的范围内误差小于 1 ℃。 　V OU T = A 3 ( T K/ T TO) (1) LM235 输出的模拟信号送至 L PC2214 芯片上的 A/ D 转换器。此 A/ D 转换器基本时钟由 VPB 时钟提供。 可编程分频器可将时钟调整至逐步逼近转换所需的 4. 5MHZ(最大) 。10 位逐次逼近式 A/ D 转换器 ,且 10 位转 换时间 ≥2. 44μs ,这样可以满足数据采集的精度与实时性[1 ] 。 3 . 2 　辅助调试模块 UART0 作为辅助调试模块 ,不仅利于了解数据采集情况 ,降低校正温度采集精度的难度 ,方便观察实时采 集的数据 ,而且可以事先对 DM9000 进行调试 ,确保能正常稳定地工作。相反 ,如果缺少它 ,除非系统一次性调 试成功 ,否则很难发现问题的所在。因此 ,对于整个系统调试而言 ,大大降低了调试工作的难度 ,缩短了系统调试 周期。此外 ,L PC2214 信号引脚电平类型为 TTL 类型 ,PC 机串口采用的是 RS232 电平 ,为解决电平匹配问题 , 连接时需要使用 RS232 转换器。系统采用的连接法如图 2 所示。 　 图 2 　使用串口与 PC 机通信 3 . 3 　基于 DM9000 的网络传输 3. 3. 1 　网络控制芯片 DM9000 简介 网络控制芯片采用 DM9000 ,是 DAV ICOM 公 司生产的一款 10/ 100M 自适应单芯片以太网控制 器 ,集成 MAC 层控制器、PHY 层控制器和片内 4 K 双字 SRAM 缓冲器 ,支持 8 位、16 位、32 位微处理器接口 ,支持 M II 接口 ,采用低功耗、高性能设计。DM9000 还 可提供一个 M II 接口用以连接 HPNA 设备或其他支持 M II 接口的收发两用机。DM9000 的 PHY可接 10 Based2 T 的 U IP3 ,4 ,5 和 100Based ⋯TX的 U IP5。与 IEEE 802. 3u Spec. 兼容。它的自动协商功能将自动设计 DM9000 使其最大地发挥能力优势。DM9000 同样支持 IEEE 802. 3x 全双工控制。DM9000 的编程非常简单 ,所以用户 可以将软件驱动轻松地搬至任何系统。 3. 3. 2 　以太网接口的硬件实现 DM9000 具有 3 种不同的配置模式 :默认模式、I/ O 限定模式和 EEPROM 模式。3 种模式的优先级为 EEP2 ROM 最高 , I/ O 引脚模式其次 ,默认模式最低。EEPROM 模式 ,DM9000 的配置信息存储在外部的串行 EEP2 ROM 里 ,系统上电复位时 ,DM9000 通过 SPI 接口 ,自动将配置信息读出 ; I/ O 限定引脚模式 ,DM9000 的配置信 息 (包括总线宽度、I/ O 基址、中断极性等)由特定的引脚的电平决定 ,在系统上电复位时完成 ;特定引脚都内置了 60 千欧的下拉电阻 ,默认为低电位 ,即默认模式。 DM9000 的寄存器地址映射在微处理器系统的 I/ O 空间上 ,其地址分配为 : TXD[ 2 :0 ]管脚 3 10H + 300H ,共 支持 8 套地址 ,默认为 300H。主机接口支持两个访问端口 ,一个索引端口 ,引脚 CMD 为 0 ;一个数据端口 ,引脚 CMD 为 1 ,发送到寻址端口的内容为数据端口访问的端口号 (即寄存器的地址) 。在访问任何寄存器之前 ,该寄 存器的地址必须保存在寻址端口。DM9000 不允许直接访问芯片内部的寄存器 ,需要通过数据端口和索引端口 来读写[3 ] 。 4 　系统软件设计与实现 4 . 1 　数据采集的软件实现 软件设计主要完成温度模拟信号的 A/ D 转换 ,再将温度数字信号封装成符合以太网通信标准的数据包 ,同 时完成对 DM9000 芯片的 IP 地址和 MAC 地址的探测 ,以及对 DM9000 的初始化 ,从而实现数据包的发送功能 , 最后通过以太网传输给 PC 机。 数据采集 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 设计如图 3 所示。 434 成 　都 　信 　息 　工 　程 　学 　院 　学 　报　　　　　　　　　　　第 23 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　　　 图 3 　数据采集流程图 　　　 图 4 　网络通信流程图 4 . 2 　网络通信模块 通信模块主要完成对 DM9000 芯片的 IP 地址和 MAC 地址的探测 ,DM9000 的初始化以及实现数据报的发 送功能。要正确地实现以太网通信 ,则必须先保证 DM9000 的正常工作 ,网络通信模块设计的流程图如图 4 所 示。 5 　系统性能测试 5 . 1 　数据采集的调试过程及分析 在数据采集过程中 ,温度校正值是在 28 ℃时采集 250 次转换值 ,然后取其平均值作为标定值 A ,在小于 100 ℃范围内 ,误差不超过 1 ℃。LM235 在 0 ℃到 100 ℃的范围内其输出具有非常良好的线性性。假设某一时刻 的输出电压为 V OU T ,此时的温度为 T K ,它们之间的关系如计算公式 (2)所示 ( T K 单位为 K) 。其中 A 表示标定 温度为 T TO ( T TO = 28 ℃)时的电压值 ( A = 1508. 4 mV) ,故此时输出电压与温度成 10mV/ K的线性关系。为了 使人一目了然地观测温度值 ,将温度转换以摄氏度 ( ℃)为单位 ,最终温度 Q 转换公式如 (3) 所示。为保证采集数 据的精度 ,系统采集 1000 次温度值 ,然后取其平均值作为一次数据采集结果 ,因此采集到的温度值稳定 ,精度较 高。在标准温度为 28. 2 ℃时 ,系统温度校正后采集到的温度如图 5 所示。 图 5 　串口显示实时温度 　V OU T = A 3 ( T K/ T TO) (2) 　Q = 28 + ( V OU T - 1508 . 4) / 5 (3) 5 . 2 　以太网传输部分的调试过程及分析 在网卡驱动中 ,需要先确定网卡芯片正常才能对其操作。在探测网卡芯片的函数中 ,将会读取网卡芯片的 534第 4 期 　　　　　　　　　徐萍等 :基于 ARM 的温度采集与以太网传输系统的设计 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net V ID(厂商 ID ,寄存器 28H 和 29H) 和 PID (产品 ID ,寄存器 2AH 和 2BH) ,然后将读取出来的数据跟已知的 (DM9000 芯片固定为 90000A46)比较 ,当二者相同时 ,就认为 DM9000 芯片正常 ;否则 ,认为 DM9000 芯片不正 常。这里是采用串口测试 DM9000 芯片的工作状态 ,并用串口显示了器件的相关信息。程序预先设置了器件的 IP 为 :192. 168. 0. 111 ( IP 地址为 32 位 ,用 4 个字节表示) ,端口号为 :123456 (UDP 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 中规定端口号为 16 位 , 即端口号范围在 065535) 。探测芯片结果如图 6 所示。 图 6 　器件探测结果 确定网卡芯片正常后 ,系统采用以太网通信 ,将处理过后的温度值传输给 PC 机。采用 TCPUDPDebug1025 软件观察 PC 机接收到的数据包。设置目标 IP :192. 168. 0. 111 ,为 DM9000 的 IP 地址 ;设置端口号 :12345 ,为器 件的端口地址 ,这样便可以监测到 DM9000 发来的数据包。观测的结果如图 7 所示 ,数据得以正确且较稳定地传 送。 图 7 　以太网传送所采集的数据 表 1 是系统记录的实验室 6C702 一天的温度情况。 表 1 　2007 年 6 月 11 日的温度记录 时间 8 :30 10 :30 12 :30 14 :30 16 :30 18 :30 20 :30 22 :00 标准温度 ( ℃) 22. 3 25. 3 26. 5 27. 5 28. 4 28. 2 28. 3 28. 4 系统采集温度 ( ℃) 22. 3 25. 3 26. 4 27. 5 28. 3 28. 4 28. 1 28. 5 经测试 ,系统能稳定地采集实时温度信息 ,采集的数据具有较高的精度 ,并能够稳定地与 PC 机通信。 634 成 　都 　信 　息 　工 　程 　学 　院 　学 　报　　　　　　　　　　　第 23 卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 6 　结束语 基于 ARM 的温度采集与以太网传输系统具有电路设计简单 ,方便实用 ,成本低 ,数据实时准确的特点。该 系统也可以用于检测其他信号 ,如湿度等 ,其基本原理是相同的 ;此外以太网能实现较远距离通信 ,故只需要一名 工作人员在工作室就可通过 PC 机实时监控多个工作现场的温度、湿度等相关信息 ,使得工业用途更加广泛。在 这里 ,要特别感谢周建斌教授在工作中给予的指导。 参考文献 : [ 1 ] 　周立功. ARM 嵌入式系统基础教程[ M ] . 北京 :北京航空航天大学出版社 ,2005. [2 ] 　罗浩 ,谢华成. 一种新的基于 ARM 的数据采集系统设计[J ] . 信阳师范学院学报 (自然科学版) ,2006 , (02) : 203 - 205. [ 3 ] 　秦伟 ,孟庆春. 基于 ARM 处理器的数据采集系统的设计[J ] . 自动化技术与应用 ,2006 , (10) :63 - 65. [ 4 ] 　段海龙. 基于 ARM 的嵌入式以太网通信的实现[ M ] . 北京 :中国学术期刊电子出版社 ,2006. [ 5 ] 　Randall R. Stewart . Stream Control Transmission Protocol (SCTP) [ M ] . 北京 :清华大学出版社 ,2003. Design of temperature acquisition and Ethernet transmission system based on ARM XU Ping , 　Q IN G Lin2bo , 　L I Jin2ping , 　HE Xiao2hai ( Institute of Image System , SCU , Chengdu 610064 , China) Abstract :A temperature acquisition and Ethernet t ransmission system based on ARM is designed , which focuses on the acquisition of the real2time temperature and transmission in batch. The system uses the ARM kernel L PC2214 to acquire the analog signal that comes from the LM235 temperature sensor. The DM900 Ethernet t ransmission with higher reliability is appropriate for large amount of data t ransmission and realization of the long - distance communica2 tion. In order to facilitate debugging and expansion a serial communication module and J TA G debugging interface module simulation are designed. The temperature in the real2time acquisition transmission is realized. Key words :Ethernet ; temperature acquisition ; LL PC2214 ; LM235 ; DM900 734第 4 期 　　　　　　　　　徐萍等 :基于 ARM 的温度采集与以太网传输系统的设计