嵌入式TCP/IP協(xié)議在接收機(jī)杜瓦性能參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用*

徐 進(jìn)，陳卯蒸，李 健

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)烏魯木齊天文站，新疆 烏魯木齊 830011;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

在射電天文領(lǐng)域中，核心觀(guān)測(cè)設(shè)備是射電天文望遠(yuǎn)鏡，而射電天文望遠(yuǎn)鏡的核心部件是接收微弱電磁波信號(hào)的接收機(jī)系統(tǒng)。由于射電天文觀(guān)測(cè)對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度要求很高，而接收機(jī)靈敏度又主要取決于接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲系數(shù)［1］。為了降低接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲溫度，目前射電天文領(lǐng)域廣泛采用的是制冷接收機(jī)系統(tǒng)。制冷接收機(jī)的杜瓦真空度和制冷溫度是對(duì)接收機(jī)進(jìn)行制冷和維護(hù)的重要指標(biāo)，也是判斷接收機(jī)制冷系統(tǒng)工作正常與否的重要參數(shù)指標(biāo)。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的真空度和溫度是保證射電觀(guān)測(cè)順利進(jìn)行的前提條件。

隨著互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)硬件的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)快速增長(zhǎng)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的同時(shí)，各種儀器儀表、家電設(shè)備以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備逐漸趨于網(wǎng)絡(luò)化，便于共享網(wǎng)絡(luò)中豐富的信息資源。另一方面，由于以太網(wǎng)擁有速度快、容量大、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，且技術(shù)已日趨成熟，使得其在各領(lǐng)域中得到迅速發(fā)展。在電子設(shè)備日趨網(wǎng)絡(luò)化的背景下，通過(guò)單片機(jī)控制以太網(wǎng)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是當(dāng)前一個(gè)熱門(mén)的研究方向。通過(guò)單片機(jī)控制芯片編程就可以完全拋開(kāi)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任意終端之間或單片機(jī)與終端之間的通信，即在脫離PC環(huán)境下實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)芯片與其它微處理器之間的接口，從而建立基于非PC平臺(tái)的局域網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為主控芯片驅(qū)動(dòng)美國(guó)MICROCHIP公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60，從而構(gòu)建了一個(gè)微型網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)是以美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)系列ATmega16為主處理芯片，通過(guò)內(nèi)部的10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換由傳感器DT470與真空計(jì)DV-5采集的溫度與真空度模擬量，然后經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口電路與以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)主要分為單片機(jī)電路、網(wǎng)絡(luò)接口電路、液晶顯示電路和數(shù)據(jù)采集電路等幾部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，是數(shù)據(jù)采集的核心。它首先將外圍設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)以太網(wǎng)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程主機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。

以太網(wǎng)控制器采用了美國(guó)MICROCHIP公司生產(chǎn)的帶SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)微控制器ENC28J60，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mbps［2］，能夠滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的要求。它將數(shù)據(jù)以幀格式進(jìn)行封裝，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層與底層建立連接.保證數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)恼９ぷ鳌?/p>

液晶采用12232型液晶模塊，12232是一種內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字庫(kù)和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示7.5×2個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字。與外部CPU接口采用并行或串行方式控制。

溫度傳感器采用Lake Shore公司型號(hào)為DT-470的硅二極管低溫溫度傳感器，它可采集的溫度范圍是1.4～500 K［3］。該傳感器的封裝、內(nèi)部特性和四線(xiàn)精確測(cè)量系統(tǒng)等都很好的符合低溫采集的特殊需要，此外，對(duì)于低溫傳感器最重要的特性之一就是它在長(zhǎng)期使用下的穩(wěn)定性，而DT-470可達(dá)到0.2 mK/熱沖擊循環(huán)［4］，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。真空計(jì)采用的是TELEDYNE HASTINGS公司生產(chǎn)的真空計(jì)DV-5。

圖1 總體硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the entire hardware system

2 軟件實(shí)現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來(lái)的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速傳輸。參考開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)模型，TCP/IP協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，從上到下依次為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層，每一層只對(duì)相鄰層提供服務(wù)［5］。由于TCP/IP協(xié)議過(guò)于復(fù)雜，對(duì)存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度等的要求比較高，如果想在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)此協(xié)議將占用大量的系統(tǒng)資源，勢(shì)必影響系統(tǒng)的測(cè)控、數(shù)據(jù)處理等功能，故單片機(jī)系統(tǒng)接入以太網(wǎng)必須將其原有的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化。

數(shù)據(jù)鏈路層部分由ENC28J60的驅(qū)動(dòng)程序提供一個(gè)與物理層的接口，完成數(shù)據(jù)收發(fā)和物理編碼轉(zhuǎn)換等功能。

網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議有IP、ARP、ICMP等。其中IP協(xié)議是核心協(xié)議，它主要完成主機(jī)到主機(jī)之間的通信，因?yàn)橐蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的最大傳送單元為1500字節(jié)，而本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量不會(huì)超過(guò)1500字節(jié)，故可通過(guò)置位IP數(shù)據(jù)報(bào)首部中的“不分片”位，將數(shù)據(jù)報(bào)當(dāng)作只有一個(gè)分片來(lái)處理，以簡(jiǎn)化對(duì)分片數(shù)據(jù)的處理。ARP協(xié)議主要完成物理地址的映射，包括靜態(tài)映射和動(dòng)態(tài)映射，在此采用動(dòng)態(tài)映射。ICMP協(xié)議可以彌補(bǔ)IP協(xié)議沒(méi)有差錯(cuò)報(bào)告和差錯(cuò)糾正機(jī)制的不足。

傳輸層的主要協(xié)議有傳輸控制協(xié)議TCP和用戶(hù)數(shù)據(jù)協(xié)議UDP，該層通過(guò)明確定義的通道及某些特性來(lái)獲取數(shù)據(jù)(例如定義網(wǎng)絡(luò)連接的端口號(hào)等)。在本系統(tǒng)中使用UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。

應(yīng)用層要有一個(gè)定義清晰的會(huì)話(huà)過(guò)程，如通常所說(shuō)的Http、Ftp、Telnet等。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)系統(tǒng)接收來(lái)自數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應(yīng)用層只對(duì)該數(shù)據(jù)作打包拆報(bào)處理。

在程序設(shè)計(jì)方面考慮到單片機(jī)的處理能力，不采用直接利用公式轉(zhuǎn)換的方法，而是采用查詢(xún)的方法。查詢(xún)法的具體做法是將采集到的電壓所對(duì)應(yīng)的模擬值經(jīng)過(guò)預(yù)處理后存儲(chǔ)在FLASH中，將AD轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)字值當(dāng)作FLASH的地址值，再經(jīng)過(guò)查找該地址上所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)得到實(shí)際的模擬值(真空與溫度)，最后將得到的經(jīng)過(guò)處理后的模擬值在LCD上顯示，并應(yīng)用以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)再進(jìn)行下一步處理。

主程序流程圖如圖2，上位機(jī)程序是采用VB語(yǔ)言在Visual Basic 6.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)的監(jiān)測(cè)界面，監(jiān)測(cè)界面如圖3。

圖2 程序流程圖Fig.2 Flowchart of the program

圖3 監(jiān)控界面Fig.3 Monitoring interface

3 數(shù)據(jù)分析

DT-470標(biāo)準(zhǔn)電壓溫度轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)電壓溫度轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)如圖 4［3］。

圖4 DT－470電壓溫度轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)Fig.4 Transformation between voltage and temperature

圖4中兩曲線(xiàn)對(duì)比可以看出，實(shí)測(cè)所得的電壓溫度轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)與LAKESHORE公司所提供的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換曲線(xiàn)的輪廓基本一致。幾個(gè)主要測(cè)試點(diǎn)的值見(jiàn)表1。由于5 V參考電壓不夠穩(wěn)定 (實(shí)際值只有4.98 V)及放大模擬電路的影響，數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一些誤差，但偏差在±0.3 K以?xún)?nèi)，且相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。

表1 典型數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of typical measured and calibrated temperature values

真空測(cè)量采用Teledyne Hastings公司生產(chǎn)的真空計(jì)，型號(hào)為DV-5。真空測(cè)量不像溫度測(cè)量有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比表，本文的解決辦法是采用一個(gè)比對(duì)系統(tǒng)來(lái)衡量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。真空比對(duì)系統(tǒng)框圖如圖5。

圖5 真空比對(duì)系統(tǒng)框圖Fig.5 The block diagram of the vacuum calibration system

圖6 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.6 Measured presure values versus calibration values

本測(cè)試系統(tǒng)由4部分組成，即真空泵、真空室、比對(duì)系統(tǒng)以及測(cè)量系統(tǒng)。其中主要部分是測(cè)量系統(tǒng)和比對(duì)系統(tǒng)。比對(duì)系統(tǒng)采用LEBOLD公司生產(chǎn)的CENTER ONE(一個(gè)單通道真空計(jì)控制器)作為真空標(biāo)準(zhǔn)計(jì)來(lái)使用，在整個(gè)測(cè)量范圍中它的測(cè)量誤差≤0.05%［6］。測(cè)量系統(tǒng)與比對(duì)系統(tǒng)通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)通信。幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)的對(duì)比數(shù)據(jù)如表2。比對(duì)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6。

由圖6可以看出在壓強(qiáng)在150 ubar以下時(shí)，各點(diǎn)連線(xiàn)基本呈45°的斜線(xiàn)，這說(shuō)明壓強(qiáng)在150 ubar以下時(shí)該測(cè)量系統(tǒng)與比對(duì)系統(tǒng)所顯示的數(shù)據(jù)是相同的，測(cè)量精度較高，最大偏差在±10 ubar范圍內(nèi)，相對(duì)誤差小于10%，對(duì)于熱偶真空規(guī)誤差在壓強(qiáng)小于5×103 ubar時(shí)為±20%［7］，該系統(tǒng)的測(cè)量精度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由DV-5熱偶真空規(guī)的數(shù)據(jù)資料可知，DV-5的測(cè)量范圍［8］為0.133～133 ubar，因而在高于150 ubar時(shí)測(cè)量精度下降很明顯。但在射電天文望遠(yuǎn)鏡制冷接收機(jī)系統(tǒng)的杜瓦內(nèi)是低壓系統(tǒng)，壓強(qiáng)在高于150 ubar時(shí)就失去實(shí)際意義，因此這種精度能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要。

表2 典型數(shù)據(jù)對(duì)比Table 2 Comparison of typical measured and calibrated pressure values

4 總結(jié)與展望

本文將嵌入式TCP/IP協(xié)議應(yīng)用在射電天文領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)杜瓦溫度與真空度的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試分析，該系統(tǒng)能夠高效與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，PC機(jī)所接收到的溫度值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的誤差在±0.3 K范圍內(nèi)，接收到的真空值誤差在±10 ubar范圍內(nèi)，能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

由于本系統(tǒng)目前只實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)測(cè)，在未來(lái)可以嘗試實(shí)現(xiàn)接入Internet，實(shí)現(xiàn)真正意義上的在任何地點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

［1］王綬琯，吳盛殷，崔振興，等.射電天文方法 ［M］.北京:科學(xué)出版社，1988.

［2］ENC28J69數(shù)據(jù)手冊(cè) ［DB/OL］.http//www.microchip.com.

［3］DT-470 Manual［DB/OL］.http//www.lakeshore.com.

［4］S S Courts，P R Swinehart.Long-term Stability of a Cryogenic Diode Thermometer ［J］.Advances in Cryogenic Engineering，2002(613):1636－1643.

［5］沈文，黃力岱，吳宗鋒.AVR單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)例—TCP/IP篇 ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［6］Leybold Vakuum.Center One Operating Manual［EB/OL］.http://www.leyboldvac.com.

［7］JB/T 6873－93中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).熱偶真空技術(shù)條件 ［S/OL］.2005－05－18［2005－11－01］.http://www.chvacuum.com/uploads/zhenkongjisbiaozhunhuibian/JBT6873 －2005.pdf.

［8］A Teledyne Technologies Company.VT-5 Manual［EB/OL］.http://www.tld-h.com.