基于ＡＲＭ和μＣ／ＯＳ－Ⅱ設計的網絡化大田溫度檢測系統探析

摘要：采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＬＰC２２００ ＡＲＭ７實驗平臺為中央處理器，移植非商業化的μＣ／ＯＳ－Ⅱ嵌入式操作系統，構建了網絡化大田溫度檢測系統。該系統使用ＤＳ１８Ｂ２０數字化溫度傳感器單總線方式將數字信號傳輸到ＬＰＣ２２００處理器，通過ＴＣＰ／ＩＰ協議棧將數據上傳到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，達到了實時可靠穩定的目的。

關鍵詞：ＬＰＣ２２００；μＣ／ＯＳ－Ⅱ；ＤＳ１８Ｂ２０；Ｗｅｂ服務器

中圖分類號：Ｓ１２６ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）16－3603-04

Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ ａｎｄ μＣ／ＯＳ－Ⅱ

ＭＡ Ｍｉｎｇ－ｔａｏ

（Ｊｉｌｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｌｉｎ １３２１０１，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｆｉｅｌｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＬＰ２２００ ＡＲＭ７ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｒｏｍ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ａｓ ＣＰＵ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ ｎｏｎ－ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚｅｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ μＣ ／ ＯＳ－Ⅱ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｆｒｏｍ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ＤＳ１８Ｂ２０ ｗａｓ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ＬＰＣ２２００ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｂｕｓ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｕｐｌｏａｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ＴＣＰ ／ ＩＰ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ， ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＬＰＣ２２００； μＣ ／ ＯＳ－Ⅱ； ＤＳ１８Ｂ２０； Ｗｅｂ ｓｅｒｖｅｒ

溫度是農業生產中最重要的因素，對溫度信息的收集和處理對農作物生長起著至關重要的作用［１］。傳感器作為一種獲取信息的重要工具，隨著微處理器技術的迅猛發展以及測控系統自動化、智能化的發展，傳統的傳感器已與各種微處理器相結合，并連入網絡，形成了帶有信息檢測、信號處理、邏輯思維等一系列功能的智能傳感器系統。本研究以體積小、功耗低、可靠性高、抗干擾能力強的嵌入式微處理器為核心，使用數字式的溫度傳感器作為采集單元，構建網絡化大田溫度檢測系統。

１ 整體設計

本設計采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＬＰＣ２２0０ ＡＲＭ７微處理器為核心，被測溫度經數字化的傳感器ＤＳ１８Ｂ２０轉換成數字信號以“單總線”的方式傳入到ＬＰＣ２２００，經過數據處理后根據ＴＣＰ協議經Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網絡送到上位機顯示。以Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＡＲＭ核處理器ＬＰＣ２２0０為核心來實現嵌入式Ｗｅｂ服務器；網絡接口芯片采用Ｒｅａｈｅｋ公司的ＮＥ２０００兼容芯片ＲＴＬ８０１９ＡＳ，內置１０ＢＡＳＥ－Ｔ收發器，通過ＨＲ９０１１７０Ａ器件接入以太網［２］。總體功能框圖如圖１所示。

２ 系統的硬件設計

２．１ ＡＲＭ７微處理器

電路板上的ＬＰＣ２２0０微處理器［３］采用了Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＡＲＭ７ ＴＤＭＩ－Ｓ核。ＡＲＭ７ ＴＤＭＩ－Ｓ處理器是ＡＲＭ通用３２位微處理器家族的成員之一。ＡＲＭ處理器具有優異的性能且功耗很低，其結構是基于精簡指令集計算機（ＲＩＳＣ）原理而設計的指令集和相關的譯碼機制，比復雜指令集計算機要簡單得多［４，５］。

２．２ 電源模塊

ＬＰＣ２２００系列ＡＲＭ７微控制器均要使用２組電源，Ｉ／Ｏ口供電電源為３．３ Ｖ，內核及片內外設供電電源為１．８ Ｖ應用系統。

２．３ 復位電路

由于ＡＲＭ芯片的高速、低功耗和低工作電壓導致其噪聲容限較低，對電源的紋波、瞬態響應性能、時鐘源的穩定性和電源監控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。該開發板的復位電路使用了專用微處理器電源監控芯片，以提高系統的可靠性。

２．４ 系統時鐘電路

ＬＰＣ２2００系列ＡＲＭ７微控制器可使用外部晶振或外部時鐘源，內部ＰＬＬ電路可調整系統設置，使系統運行速度更快（ＣＰＵ最大時鐘頻率為６０ ＭＨｚ）。本平臺使用了外部１１．０５９ ＭＨｚ晶振，目的是使串口波特率更精確，同時能夠支持ＬＰＣ２2００系列ＡＲＭ７微控制器芯片內部的ＰＬＬ功能和ＩＳＰ功能。

２．５ ＤＳ１８Ｂ２０應用電路

ＤＳ１８Ｂ２０應用電路是美國Ｄａｌｌａｓ半導體公司的數字化溫度傳感器，是“一線總線”接口的溫度傳感器。在其內部使用了在板（ＯＮ－ＢＯＡＲＤ）專利技術。測量范圍為－５５～＋１２５ ℃，精度為0．５ ℃。ＤＳ１８Ｂ２０可以程序設定９～１２位的分辨率，它還支持多點組網功能，實現組網多點測溫。系統選用了外部電源供電方式，在外部電源供電方式下，ＤＳｌ８Ｂ２０工作電源由ＶＤＤ引腳接入，此時Ｉ／Ｏ線不需要強上拉，也不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度。同時理論上在總線上可以掛接任意多個ＤＳ１８Ｂ２０傳感器，組成多點測溫系統［６，７］。

２．６ ＬＥＤ顯示電路

本系統采用ＬＥＤ顯示，使用ＺＬＧ７９２０芯片，ＺＬＧ７２９０與微控制器設計硬件電路連接只需要兩根信號線（一根數據線ＳＤＡ，一根時鐘信號線ＳＣＬ）。

２．７ 以太網接口電路

ＲＴＬ８０１９ＡＳ是一種高度集成的全雙工即插即用的以太網控制芯片，它在一塊芯片上集成了ＲＴＬ８０１９內核和一個１６ kＢ的ＳＤＲＡＭ存儲器。能兼容ＲＴＬ８０１９控制軟件和ＮＥ２０００ ８ ｂｉｔ或１６ ｂｉｔ的傳輸。支持ＵＴＰ、ＡＵＩ、ＢＮＣ和ＰＮＰ自動檢測模式，其接口符合Ｅｔｈｅｒｎｅｔ２和ＩＥＥＥ８０２．３（１0Ｂａｓｅ５、 １０Ｂａｓｅ２、１０ＢａｓｅＴ）標準。ＲＴＬ８０１９ＡＳ芯片內部集成了ＤＭＡ控制器、ＩＳＡ總線控制器和集成１６ kＳＲＡＭ、網絡ＰＨＹ收發器。用戶可以通過ＤＭＡ方式把需要發送的數據寫入片內ＳＲＡＭ中，讓芯片自動將數據發送出去；而芯片在接收到數據后，用戶也可以通過ＤＭＡ方式將其讀出。ＲＴＬ８０1９ＡＳ與ＬＰＣ２２0０一般通過外部總線進行連接。接口電路圖如圖２所示。

３ 系統的軟件設計

ＡＤＳ集成開發環境是ＡＲＭ公司推出的ＡＲＭ核微控制器集成開發工具，ＡＤＳ１．２支持ＡＲＭ１０之前所有ＡＲＭ系列的微控制器，支持軟件調試及ＪＴＡＧ硬件仿真調試，支持匯編、Ｃ和Ｃ＋＋源程序，具有編譯效率高、系統庫功能強等特點，可以在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８、 Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００、 ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ以及ＲｅｄＨａｔ Ｌｉｎｕｘ上運行。

３．１ μＣ／ＯＳ－Ⅱ操作系統

μＣ／ＯＳ－Ⅱ的移植，系統開發采用ＡＲＭ公司的ＡＤＳ１．２作為開發編譯環境，移植了μＣ／ＯＳ—Ⅱ操作系統，主要采用Ｃ語言編寫。將μＣ／ＯＳ—Ⅱ移植到ＡＲＭ處理器上，需要修改３個與ＡＲＭ體系結構相關的文件：ＯＳ＿ＣＰＵ.Ｈ、OＳ＿ＣＰＵ＿Ａ.ＡＳＭ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿ Ｃ.Ｃ。

３．２ 傳感器的溫度采集

在對傳感器數據采集的軟件編程中，采用的是單線總線協議。通過單線總線訪問ＤＳｌ８B２０的協議包括：初始化ＤＳ1８B２０、ＲＯＭ操作命令、存儲器操作命令和讀數據／處理數據。根據ＤＳｌ８B２０的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫３個子程序：Ｉｎｉｔ＿ＤＳ1８B２０為初始化子程序；ＷｒｉｔｅＯｎｅＣｈａｒ為寫（命令或數據）子程序；ＲｅａｄＯｎｅＣｈａｒ為讀數據子程序。所有的數據讀／寫均由最低位開始。

３．３ Ｗｅｂ服務器的建立

要在微處理器中建立Ｗｅｂ服務器，主要需要實現ＴＣＰ／ＩＰ協議棧的移植。設計中主要采用ＺＬＧ／ＩＰ軟件包，由廣州周立功單片機發展有限公司開發的面向嵌入式系統開發的ＴＣＰ／ＩＰ協議棧是ＺＬＧ系列中間件的重要成員之一。ＺＬＧ／ＩＰ提供實現Ｉｎｔｅrnet網絡上ＩＰ接點的功能，是一種高性能的嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ協議棧軟件。它使用μＣ／ＯＳ－Ⅱ實時操作系統的信號機制來實現一個多任務并行、可重入的協議棧，完全使用ＡＮＳＩ Ｃ編寫，可以像μＣ／ＯＳ－Ⅱ一樣支持多種ＣＰＵ。ＺＬＧ／ＩＰ還具有層次清晰、易于升級和修改等特點［８，９］。

Web服務器關鍵部分程序：

void TaskE(void *pdata)

{

uint8 Temp=0;

uint16 TempLength;

int addrlen;

int ei;

unsigned char ip_add[4]={192，168，0，1};

uint8 tempdata[400];

//uint8 err;

SOCKETs;

struct sockaddr servaddr，cliaddr;

Arp_Request(ip_add，0);

OSTimeDly(60);

servaddr.sin_family=0;

servaddr.sin_addr[0]=NetPort[0].My_Ip[0];

servaddr.sin_addr[1]=NetPort[0].My_Ip[1];

servaddr.sin_addr[2]=NetPort[0].My_Ip[2];

servaddr.sin_addr[3]=NetPort[0].My_Ip[3];

servaddr.sin_port=80;

s=*socket( 0， 0， 0);

ei=bind( (SOCKET * )s， (struct sockaddr*)servaddr，sizeof(servaddr));

ei=listen( (SOCKET * )s， 4 );

if(ei!=4)

while(1);

while (1)

{

Temp=accept( (SOCKET * )s， (struct sockaddr*)cliaddr，addrlen );

if(Temp!=0xff)

{

TempLength=recv( Temp，tempdata ，400， 0 );

if(tempdata[5]==‘ ’)

{

send( Temp，httpweb ，169， 0 );

//OSTimeDly(10);

send( Temp，web ，395， 0 );

}

else if(tempdata[5]==‘1’)

{

send( Temp， httpgif，169， 0 );

//OSTimeDly(10);

send( Temp，bmp ，442， 0 );

}

memset(tempdata， 0，400);

OSTimeDly(20);

close(Temp);

}

}

}

３ 小結

系統經過測試運行良好，能方便快捷地通過瀏覽器查詢溫度傳感器所采集的溫度值。本文主要介紹了系統硬件和μＣ／ＯＳ－Ⅱ的移植、ＴＣＰ／ＩＰ協議棧的分析使用、溫度數據采集等設計，經過測試，該嵌入式Wｅｂ服務器可以在ＬＰＣ 2000微處理器目標板上穩定運行且效率良好。本系統的大部分程序都采用標準Ｃ程序［１０］，在網絡接口上采用ＺＬＧ ＴＣＰ／ＩＰ軟件包，具有很好的移植性，有良好的應用前景，對農業的現代化、智能化發展起到了一定的支撐作用。

參考文獻：

［１］ ＬＡＢＲＯＳＳＥ Ｊ Ｊ． 嵌入式實時操作系統μＣ／ＯＳ－Ⅱ［Ｍ］．邵貝貝，譯．北京：北京航空航天大學出版社，２００３．

［２］ 何 軒，夏應清，李 祥．基于ＡＲＭ微處理器的嵌入式以太網接口［Ｊ］．電氣時代，２００５（１）：119-120．

［３］ 董靜薇，鞠麗麗．基于ＬＰＣ２２１０的遠程數據采集終端設計［Ｊ］．工業控制計算機，２００７，２０（１２）：３３－３４，３７．

［４］ 周立功．ＡＲＭ嵌入式系統基礎教程［Ｍ］．第二版．北京：北京航空航天大學出版社，２００４．

［５］ 周立功．ＡＲＭ嵌入式軟件開發實例（一）［Ｍ］．北京：北京航空航天大學出版社，２００４．

［６］ 郭兆正，王 東．ＤＳ１８Ｂ２０在花棚溫度監測中的應用［Ｊ］．渤海大學學報（自然科學版），２００４，２５（４）：３８７－３９０．

［７］ 余成波．傳感器與自動檢測技術［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００９．

［８］ 李 磊，楊柏林，胡維華． 嵌入式Ｗｅｂ服務器軟件的設計和實現［Ｊ］．計算機工程與設計，２００３，２４（１０）：１００－１０２．

［９］ 劉桂雄，馮云慶．基于ＩＰ傳感和網絡接口的環境測控平臺設計［Ｊ］．傳感器技術，２００３，７（２２）：２２－２５．

［１０］ 申笑顏，許 紅，曹偉平．基于嵌入式Ｃ實現檢測定制與數據處理［Ｊ］．微計算機信息，２００８，２４（５）：６２－６３．