tcpip的数据采集智能信息终端设计
摘 要 由于嵌入式系统具有诸多优点，它的集成程度高，非常可靠，一般不容易出现各种故障，另外构建成本很低能够有效地在各种工业应用中发挥出色地作用。所以本次设计的智能数据采集系统采用了嵌入式操作系统，该智能数据采集系统可以让某些工作可以不用人去完成。不仅提高了工作效率，并且不会发生人员操作会发生失误的状况。如果将本次设计的智能数据采集系统应用于实际的工业生产当中，将会有效地提高企业的生产效率，减少诸多工业环节的人力投入，从而大大改善企业效益。 本次的数据采集智能信息终端设计是基于TCP/IP。μC/OS-II作为一种绝大多数代码是C语言的操作系统可以进行对任务和时间以及内存等的管理，因此适用于本次智能数据采集系统设计。为了适应更广的应用范围，应采用多种方式和PC进行通信，包括通用串行总线和串口还有以太网等。硬件部分和软件部分作为本次设计中最关键的两个方面存在很多重要的问题需要被解决。以太网部分还有通用串行总线部分是硬件设计需要解决的两个难点。软件部分设计主要有μC/OS-II嵌入式操作系统，通用串行总线主机的驱动以及实现其协议栈，TCP/IP网口驱动以及其协议栈的实现。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.1.1嵌入式系统 1
1.2解决的问题 2
1.3设计的内容 2
第二章 系统总体设计 3
2.1μC/OSII操作系统的选择 3
2.2微处理器的选择 3
2.3系统硬件设计方案 4
2.4系统软件设计方案 4
第三章 系统硬件设计 6
3.1 硬件总体设计 6
3.2 电路设计 6
3.2.1 电源电路 6
3.2.2 存储模块电路 7
3.2.3 以太网接口电路 8
3.2.4 USB主机电路 9
3.2.5 JTAG接口电路 11
3.2.6 电路的焊接 12
第四章 系统软件设计 14
4.1系统初始化模块 14
4.1.1初始化运行环境 14
4.1.2应用程序的初始化 14<
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br /> 4.2 μC/OSII系统植入 14
4.2.1 OS_CPU.H植入 15
4.2.2 OS_CPU.C植入 16
4.2.3 OS_CPU_A.S植入 16
4.3以太网部分软件模块 18
4.3.1 TCP/IP协议及相关函数 18
4.3.2 TCP/IP协议栈实现 21
4.3.3 系统主程序 21
第五章 设备调试 25
5.1项目概述 25
5.1.1工作原理 25
5.1.2说明及故障分析 25
5.2调试过程 26
5.2.1接线 26
5.2.2程序设置 26
5.2.3测试 28
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 课题背景和意义
生产力的发展很大程度上得益于机械设备性能的提高。同时现代社会对生产力的需求也大大促进了机械设备技术的提高。促使自动化程度高的机械设备越来越成为发展的主流，与此同时对机械设备的精度和效率有更精准和更高的要求。机械设备的发展使生产力的发展得到质的飞越，从而大大减少了人力的投入，节约了社会能源；当然矛盾总是相互依存的，机械设备也会有些问题的存在，就是它一旦出现故障，带来的损失非常大，比如：会产生高额的维修费，还有停产带来的一系列损失。为了降低机械故障带来的损失，在不拆机，不破坏机械结构的情况下，技术人员会对机械的性能进行状态监测，定期进行记录，通过对记录数据的研究和结合以往的状况进行综合分析，从而识别机械设备的零件的实时技术状态。也根据这些数据对机械未来的运作和可能发生的异常有个很好的掌握，一旦发生故障，可以准确的分析判断，及时的解决问题。
目前，现代工业生产的发展迫切的需要远程数据采集系统，在各种状况都有可能突发的工业现场以前独立的数据监控系统，只可以对数据进行现场的采集，已经远远不能满足现代工业的要求。而远程数据采集不光可以远程采集数据，还可以对远程故障进行诊断分析和控制问题的继续恶化。
现有的远程数据采集系统中，通常采用的通讯途经主要有三种：电话线路传输、无线传输和网络传输。基于TCP/IP的远程数据采集系统，既是嵌入式数据采集系统的发展，也是远程数据采集系统的细分。它在工业应用中有着极其迫切的需求和非常广阔的市场。
1.1.1嵌入式系统
嵌入式系统的优点特别多，也可以说是一种“混血儿”，有计算机、半导体、电子等技术的多种基因，所以它有特别强大的功能，在性能上也是特别稳定的，所以对体积和功耗方面的要求也相当严格，而且其软件和硬件可分割移植,已经成为炙手可热的应用技术。
嵌入式微处理器应用广泛并且种类繁多,相对来说8051结构的产品大家都比较熟悉。嵌入式系统处理器一般有两类:第一类是以一般计算机的CPU为处理器;另外一类占用空间特别小的、单片的DSP和微控制器，其功率消耗低、可靠、拥有较多外设资源,因此嵌入式系统主要选择该类器件。
ARM芯片功能强大,因此它的应用越来越广泛。在RISC中，ARM微处理器也有很多强大之处，比如可以支持16/32位双指令集，拥有很多寄存器所以运行速度快，还有它的灵活性高，在指令长度不发生变化的情况下可以寻址。同时它还有价格优惠，性能优越，占用空间小，消耗功率低等优点。
1.2解决的问题
本设计主要是为了解决工业现场设备的检测、数据收集的难题。通过嵌入式系统完成工业现场设备、仪表、传感器与信息管理系统的有机结合，从而达到对工业现场的实时监测的目的，进一步能够更迅速更准确地对工业现场的各种状况作出评估和处理。
各种通信协议之间可以通过通信平台来进行通信，各种终端设备需要嵌入相应的通信接口，从而可以实现设备到设备和设备到主机的通信，如门禁系统、监控系统等。本设计内容有以太网接口和USB接口。
1.3设计的内容
设计的主要内容是实现以太网协议、通用串行总线、串行通信的移植和串口到网口，通用串行总线到网口数据传输的实现。采用的是μC/OSII的嵌入式系统作为操作系统，硬件选用的是STM32F103作为微处理器。研究内容可以细分为搭建基于STM32F103的硬件平台，将μC/OSII系统移植到ARM平台需进行代码的编写，把嵌入式系统融合到网络中，完成通用串行总线和以太网数据之间的的透明传输等几个方面。
第二章 系统总体设计
硬件部分和软件部分作为本次设计中最关键的两个方面存在很多重要的问题需要被解决。
在设计硬件时需要完成系统中各个模块相互间的连接电路，如微处理器和串口还有通用串行总线以及以太网等各个模块，还有控制信号的处理；
软件设计主要有串口与网口、通用串行总线与网口相互间的数据传输，还要完成USB主机驱动，这个过程中还要完成硬件系统启动，智能数据采集系统在应用当中必然是要满足能够使数个任务同时进行的要求从而采用了嵌入式作为操作系统，为了完成以太网通讯需要实现TCP/IP协议，为了满足串行数据收发的需要应该安装有串口驱动程序，另外为了实现对通用串行总线设备的操作以及数据处理需要安装通用串行总线主机驱动程序。
2.1μC/OSII操作系统的选择
本课题选择嵌入式作为操作系统。嵌入式操作系统稳定可靠且功能强大。在多种嵌入式系统中μC/OSII优点尤其突出，在网上可以很容易地得到μC/OSII操作系统的源代码，在应用中可以十分方便的进行移植，能够非常方便的应用于各种应用场合，可实时进行多任务操作，因此该系统十分适应于微控制器设计。由于μC/OSII操作系统源代码免费易得，其在众多领域中的应用已经越来越广泛。因此基于这些考虑在本次智能数据采集系统设计中使用μC/OSII作为操作系统。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景和意义 1
1.1.1嵌入式系统 1
1.2解决的问题 2
1.3设计的内容 2
第二章 系统总体设计 3
2.1μC/OSII操作系统的选择 3
2.2微处理器的选择 3
2.3系统硬件设计方案 4
2.4系统软件设计方案 4
第三章 系统硬件设计 6
3.1 硬件总体设计 6
3.2 电路设计 6
3.2.1 电源电路 6
3.2.2 存储模块电路 7
3.2.3 以太网接口电路 8
3.2.4 USB主机电路 9
3.2.5 JTAG接口电路 11
3.2.6 电路的焊接 12
第四章 系统软件设计 14
4.1系统初始化模块 14
4.1.1初始化运行环境 14
4.1.2应用程序的初始化 14<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
br /> 4.2 μC/OSII系统植入 14
4.2.1 OS_CPU.H植入 15
4.2.2 OS_CPU.C植入 16
4.2.3 OS_CPU_A.S植入 16
4.3以太网部分软件模块 18
4.3.1 TCP/IP协议及相关函数 18
4.3.2 TCP/IP协议栈实现 21
4.3.3 系统主程序 21
第五章 设备调试 25
5.1项目概述 25
5.1.1工作原理 25
5.1.2说明及故障分析 25
5.2调试过程 26
5.2.1接线 26
5.2.2程序设置 26
5.2.3测试 28
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 课题背景和意义
生产力的发展很大程度上得益于机械设备性能的提高。同时现代社会对生产力的需求也大大促进了机械设备技术的提高。促使自动化程度高的机械设备越来越成为发展的主流，与此同时对机械设备的精度和效率有更精准和更高的要求。机械设备的发展使生产力的发展得到质的飞越，从而大大减少了人力的投入，节约了社会能源；当然矛盾总是相互依存的，机械设备也会有些问题的存在，就是它一旦出现故障，带来的损失非常大，比如：会产生高额的维修费，还有停产带来的一系列损失。为了降低机械故障带来的损失，在不拆机，不破坏机械结构的情况下，技术人员会对机械的性能进行状态监测，定期进行记录，通过对记录数据的研究和结合以往的状况进行综合分析，从而识别机械设备的零件的实时技术状态。也根据这些数据对机械未来的运作和可能发生的异常有个很好的掌握，一旦发生故障，可以准确的分析判断，及时的解决问题。
目前，现代工业生产的发展迫切的需要远程数据采集系统，在各种状况都有可能突发的工业现场以前独立的数据监控系统，只可以对数据进行现场的采集，已经远远不能满足现代工业的要求。而远程数据采集不光可以远程采集数据，还可以对远程故障进行诊断分析和控制问题的继续恶化。
现有的远程数据采集系统中，通常采用的通讯途经主要有三种：电话线路传输、无线传输和网络传输。基于TCP/IP的远程数据采集系统，既是嵌入式数据采集系统的发展，也是远程数据采集系统的细分。它在工业应用中有着极其迫切的需求和非常广阔的市场。
1.1.1嵌入式系统
嵌入式系统的优点特别多，也可以说是一种“混血儿”，有计算机、半导体、电子等技术的多种基因，所以它有特别强大的功能，在性能上也是特别稳定的，所以对体积和功耗方面的要求也相当严格，而且其软件和硬件可分割移植,已经成为炙手可热的应用技术。
嵌入式微处理器应用广泛并且种类繁多,相对来说8051结构的产品大家都比较熟悉。嵌入式系统处理器一般有两类:第一类是以一般计算机的CPU为处理器;另外一类占用空间特别小的、单片的DSP和微控制器，其功率消耗低、可靠、拥有较多外设资源,因此嵌入式系统主要选择该类器件。
ARM芯片功能强大,因此它的应用越来越广泛。在RISC中，ARM微处理器也有很多强大之处，比如可以支持16/32位双指令集，拥有很多寄存器所以运行速度快，还有它的灵活性高，在指令长度不发生变化的情况下可以寻址。同时它还有价格优惠，性能优越，占用空间小，消耗功率低等优点。
1.2解决的问题
本设计主要是为了解决工业现场设备的检测、数据收集的难题。通过嵌入式系统完成工业现场设备、仪表、传感器与信息管理系统的有机结合，从而达到对工业现场的实时监测的目的，进一步能够更迅速更准确地对工业现场的各种状况作出评估和处理。
各种通信协议之间可以通过通信平台来进行通信，各种终端设备需要嵌入相应的通信接口，从而可以实现设备到设备和设备到主机的通信，如门禁系统、监控系统等。本设计内容有以太网接口和USB接口。
1.3设计的内容
设计的主要内容是实现以太网协议、通用串行总线、串行通信的移植和串口到网口，通用串行总线到网口数据传输的实现。采用的是μC/OSII的嵌入式系统作为操作系统，硬件选用的是STM32F103作为微处理器。研究内容可以细分为搭建基于STM32F103的硬件平台，将μC/OSII系统移植到ARM平台需进行代码的编写，把嵌入式系统融合到网络中，完成通用串行总线和以太网数据之间的的透明传输等几个方面。
第二章 系统总体设计
硬件部分和软件部分作为本次设计中最关键的两个方面存在很多重要的问题需要被解决。
在设计硬件时需要完成系统中各个模块相互间的连接电路，如微处理器和串口还有通用串行总线以及以太网等各个模块，还有控制信号的处理；
软件设计主要有串口与网口、通用串行总线与网口相互间的数据传输，还要完成USB主机驱动，这个过程中还要完成硬件系统启动，智能数据采集系统在应用当中必然是要满足能够使数个任务同时进行的要求从而采用了嵌入式作为操作系统，为了完成以太网通讯需要实现TCP/IP协议，为了满足串行数据收发的需要应该安装有串口驱动程序，另外为了实现对通用串行总线设备的操作以及数据处理需要安装通用串行总线主机驱动程序。
2.1μC/OSII操作系统的选择
本课题选择嵌入式作为操作系统。嵌入式操作系统稳定可靠且功能强大。在多种嵌入式系统中μC/OSII优点尤其突出，在网上可以很容易地得到μC/OSII操作系统的源代码，在应用中可以十分方便的进行移植，能够非常方便的应用于各种应用场合，可实时进行多任务操作，因此该系统十分适应于微控制器设计。由于μC/OSII操作系统源代码免费易得，其在众多领域中的应用已经越来越广泛。因此基于这些考虑在本次智能数据采集系统设计中使用μC/OSII作为操作系统。
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