嵌入式TCP/IP技術在恒溫振蕩器中的應用

恒溫振蕩器(又稱恒溫搖床)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)制備不可缺少的實驗室設備。而目前大部分恒溫振蕩器的同類產(chǎn)品都不具有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信的功能。TCP/IP協(xié)議采用一種層次結構，為用戶提供了豐富的應用服務，已成為網(wǎng)絡通信協(xié)議的事實上的國際工業(yè)標準，并已得到普遍推廣。同時，嵌入式系統(tǒng)的Internet 網(wǎng)絡化的研究與應用是近幾年來嵌入式應用領域的一個研究熱點，這一技術在許多領域都得到廣泛應用[1]。
　　本文為了保證實時監(jiān)控恒溫振蕩器的轉速、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)絡互聯(lián)的方式進行通信訪問，使上位機能夠實時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時遠程監(jiān)控，不需要浪費人力和時間到現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)。
1 總體設計及系統(tǒng)架構
　　本系統(tǒng)使用的是以ARM7為內(nèi)核、主頻達72 MHz的32位微處理器LPC2368，可以滿足高速實時處理及大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅揖哂袃?nèi)置的以太網(wǎng)模塊，該模塊包含一個功能齊全的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自適應的網(wǎng)絡連接速度的以太網(wǎng)接口RJ45來組成網(wǎng)絡通信模塊，同時此主控芯片也控制溫度和速度等其他多個模塊。整個設計體系具有強大的網(wǎng)絡處理能力，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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2 網(wǎng)絡通信模塊設計
2.1 以太網(wǎng)硬件實現(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72 MHz的32位微處理器，內(nèi)部集成了一個以太網(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，通過緩沖和預取來實現(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。通過標準的媒體獨立接口(MII)或標準的簡化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個智能電源關閉，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)提供一個智能節(jié)能工作模式。它是一個鏈路可控制節(jié)能模式，目的是當在線上檢測不到活動的時候，器件能夠進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定來控制，在電源狀態(tài)發(fā)生轉換的時候，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定的工作模式。在電源狀態(tài)發(fā)生轉換時，器件將會保留其原先的模式(強制模式或者自動協(xié)商、MDI或者MDIX)。能量檢測算法能夠在不同的電源狀態(tài)之間自動或手動轉換，當一個電源狀態(tài)的改變未成功或者發(fā)生太多誤差事件時，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。計數(shù)器深度則由寄存器設置來確定，并默認其為包含數(shù)據(jù)和誤差的一個事件。
　　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自適應的網(wǎng)絡連接速度[3]。本系統(tǒng)設計的以太網(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地址具有映射關系。1個以太網(wǎng)包包括：1個導言區(qū)(preamble)、1個起始幀定界符和1個以太網(wǎng)幀。以太網(wǎng)幀由目標地址、源地址、1個可選的VLAN區(qū)、長度/類型區(qū)、有效載荷以及幀校驗序列組成，如圖3所示。每一個以太網(wǎng)幀均由1個或多個片段組成，每個片段對應1個描述符。以太網(wǎng)模塊中的DMA管理器能夠將1個以太網(wǎng)幀的多個片段進行分散(用于接收)和集中(用于發(fā)送)[4]。

　　傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)包中7個字節(jié)的導言區(qū)用來使接收方的時鐘和發(fā)送方的時鐘同步，然后再由幀分界符來表述1個數(shù)據(jù)幀的起始，進而進入數(shù)據(jù)幀的傳輸通信過程，數(shù)據(jù)幀主要是通過目標地址和源地址的位置建立通信。6個字節(jié)的目標地址是指目的站點的MAC地址，表明要把數(shù)據(jù)送到哪個站點。若目標地址第1位為0，則這個字段指定了一個特定的站點；若為1，則表示目標地址為一組地址，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，即該地址是一個廣播地址。6個字節(jié)的源地址是指源主機的MAC地址，表明該幀來自哪個主機。VLAN是一種將局域網(wǎng)(LAN)設備從邏輯上劃分成一個個網(wǎng)段，從而實現(xiàn)虛擬工作組(單元)的數(shù)據(jù)交換技術，如果選用基于MAC地址的VLAN的方法就根據(jù)每個主機的MAC地址來劃分，即對每個MAC地址的主機都配置分組，它實現(xiàn)的機制就是每一塊網(wǎng)卡都對應唯一的MAC地址，跟蹤屬于VLAN MAC的地址。在幀傳輸?shù)淖詈筮M行幀校驗，使用4個字節(jié)的循環(huán)冗余效驗碼進行錯誤檢驗。

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)絡接口層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，如圖4所示。

　　網(wǎng)絡接口層負責將IP數(shù)據(jù)報以數(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分組進入網(wǎng)絡接口層，網(wǎng)絡接口層創(chuàng)建1個或多個數(shù)據(jù)幀，以便進入物理網(wǎng)路，數(shù)據(jù)幀最后被轉換成在網(wǎng)絡傳輸介質上傳送的(bit)流。
　　TCP/IP的核心層是網(wǎng)絡層(IP)和傳輸層(TCP)，對應的主要協(xié)議是IP和TCP兩大協(xié)議。網(wǎng)絡層提供計算機間的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)報中含有發(fā)送它的主機的地址(源地址)和接收它的主機的地址(目的地址)。傳輸層(TCP)作為網(wǎng)絡應用程序與網(wǎng)絡之間的接口，根據(jù)端口通過TCP傳輸控制協(xié)議提供應用程序間的通信，包括格式化信息流和提供可靠傳輸，實際上也就是將TCP數(shù)據(jù)送往一個由IP地址與端口號組成的套接字(Socket)。
　　應用層提供常用的應用服務程序，如HTTP服務、SMTP服務等。HTTP應用程序在Web服務器上運行的是面向對象的協(xié)議，工作方式為收聽請求，然后響應請求，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個階段：建立連接、傳輸數(shù)據(jù)和斷開連接。它的實現(xiàn)過程可以用狀態(tài)機來描述。建立連接有2種方法，即主動打開和被動打開。服務器端是被動打開，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，發(fā)送1個FIN數(shù)據(jù)包，接收到對FIN數(shù)據(jù)包的確認后，再發(fā)送1個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。用這個協(xié)議棧進行數(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)議的實現(xiàn)方法和實現(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)絡上其他主機進行通信的數(shù)據(jù)都是通過這些緩沖區(qū)來進行交換的。
　　(4)以太網(wǎng)物理層接口。網(wǎng)卡芯片DP83848實現(xiàn)10/100BaseT以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)功能。
　　在主機端訪問由嵌入式ARM芯片LPC2368為主控的從機，然后在主機顯示出由LPC2368控制下的恒溫振蕩器的速度和溫度等實時數(shù)據(jù)。具體過程是：先對底層進行初始化，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；然后進行定時編程，處理網(wǎng)絡、TCP/IP堆棧和用戶事件；再設置監(jiān)聽TCP通信的端口，進行端口連接，服務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)包然后進行幀處理等；最后實現(xiàn)動態(tài)的HTTP服務器，等到被連接之后才發(fā)送1個HTTP的幀頭，存儲HTML代碼，這里的HTML代碼存放在自定義的一個數(shù)組當中，該數(shù)組包括溫度和速度等實時數(shù)據(jù)，只要在應用層程序中調(diào)用該數(shù)組，就可以訪問到實時數(shù)據(jù)，并把得到的實時數(shù)據(jù)顯示到網(wǎng)頁頁面上，以此實現(xiàn)對恒溫振蕩器的遠程監(jiān)控。
??? 恒溫振蕩器網(wǎng)絡通信實現(xiàn)的程序流程如圖5所示。

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

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