《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Internet的嵌入式網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表硬件設(shè)計(jì)
摘要: 本文闡述了以單片機(jī)和以太網(wǎng)控制芯片為核心的嵌入式網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。
Abstract:
Key words :

 引言

  隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,利用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),組成網(wǎng)絡(luò)嵌入式虛擬儀表" title="虛擬儀表">虛擬儀表,將處于不同地域的多個(gè)儀表組成一個(gè)統(tǒng)一的整體,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理,可大大提高儀表系統(tǒng)的功能。遠(yuǎn)程虛擬儀表提出了一種全新的網(wǎng)絡(luò)儀表技術(shù)和方法,把Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、以及虛擬儀表技術(shù)結(jié)合起來,項(xiàng)目的研究以電網(wǎng)電量測(cè)量和分析的實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)。

  從實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表功能模塊化角度考慮,把網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表分為虛擬儀表主機(jī)和嵌入式網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表終端兩部分,本文主要討論應(yīng)用AT89C52單片機(jī),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制芯片RTL8019AS和測(cè)量、信號(hào)轉(zhuǎn)換、鍵盤/顯示等部件,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和測(cè)量的嵌入式網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表終端的硬件設(shè)計(jì),總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,該系統(tǒng)由單片機(jī)、通信協(xié)議控制模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、存儲(chǔ)擴(kuò)展模塊、串行A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、以及接口擴(kuò)展模塊構(gòu)成。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通信協(xié)議控制電路


圖1 系統(tǒng)總體框圖

  通信協(xié)議控制電路由網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS、串行EEPROM 93LC66、帶濾波的RJ45接口組成(見圖2)。


圖2 通信協(xié)議控制電路

  RTL8019AS主要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議控制,內(nèi)部有遠(yuǎn)程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介質(zhì)訪問控制)邏輯、數(shù)據(jù)編解碼邏輯和其他端口。遠(yuǎn)程DMA接口是指單片機(jī)對(duì)RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫的總線,單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道,完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。

  MAC邏輯完成以下功能:當(dāng)單片機(jī)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū),然后發(fā)出傳送命令,當(dāng)RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后,再開始此幀的發(fā)送;RTL819接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗(yàn)后,由FIFO存到接收緩沖區(qū);收滿一幀后,以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖,以減少對(duì)本地DMA請(qǐng)求的頻率。

  RTL8019AS內(nèi)部有兩塊RAM區(qū)。一塊16K字節(jié),地址為0x4000~0x7fff;一塊32字節(jié),地址為0x0000~0x001f。RAM按頁存儲(chǔ),每256字節(jié)為一頁。一般將RAM的前12頁(即0x4000~0x4bff)存儲(chǔ)區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū);后52頁(即0x4c00~0x7fff)存儲(chǔ)區(qū)作為接收緩沖區(qū)。要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包就必須通過DMA讀寫RTL8019AS內(nèi)部的16KB RAM。它實(shí)際上是雙端口的RAM,是指有兩套總線連接到該RAM,一套總線RTL8019AS讀或?qū)懺揜AM,即本地DMA;另一套總線是單片機(jī)讀或?qū)懺揜AM,即遠(yuǎn)程DMA。

  89C52通過P2.7、/WR、/RD來劃分RTL8019AS和62256的地址空間。P2.7接62256的/CE引腳,低電平時(shí)選擇62256;高電平時(shí)選擇RTL8019AS的地址空間。

RTL8019AS初始化配置采用Serial EEPROM器件 93LC66A實(shí)現(xiàn),用來設(shè)置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太網(wǎng)" title="以太網(wǎng)">以太網(wǎng)物理地址。RTL8019AS通過引腳EECS、EESK、EEDI控制93LC66A的CS、SK、DI引腳,通過EEDO接收93LC66A的DO引腳的狀態(tài)。RTL8019AS復(fù)位后讀取93LC66A的內(nèi)容并設(shè)置內(nèi)部寄存器的值,如果93LC66A中內(nèi)容不正確,RTL8019AS就無法正常工作。

  RTL8019AS和網(wǎng)絡(luò)連接電路,采用10BASE-T布線標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通訊,而RTL8019AS內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器,所以網(wǎng)絡(luò)接口的電路比較簡單。和Internet的連接采用了集成了濾波器的RJ45接口(RJ_10102),TPIN±為接收線,TPOUT±為發(fā)送線,經(jīng)隔離后分別與RJ-45接口的RX±、TX±端相連,通過RJ45接入以太網(wǎng)。

89C52的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

  89C52內(nèi)部有256字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。但是,當(dāng)單片機(jī)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集或處理大批量數(shù)據(jù)時(shí),僅靠片內(nèi)提供的RAM是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此,為單片機(jī)擴(kuò)展了一片SRAM芯片62256使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)到32K字節(jié)。

  按圖2的連線,片選端直接與P2.7相連,當(dāng)P2.7為“0”時(shí)選中62256,當(dāng)P2.7為“1”時(shí)則選中RTL8019AS內(nèi)部的地址空間,單片機(jī)的尋址8000H-801FH對(duì)應(yīng)RTL8019AS的300H-31FH空間。

鍵盤、顯示控制電路

  鍵盤電路為矩陣式鍵盤掃描,鍵盤矩陣分為4行3列。在4×3的12個(gè)鍵盤的使用中,有10個(gè)鍵定義了雙鍵或三鍵功能,從而可以實(shí)現(xiàn)28種操作功能,使現(xiàn)場(chǎng)儀表的操作能力大大加強(qiáng)。

  液晶采用北京青云創(chuàng)新科技公司生產(chǎn)的LCM103顯示模塊,這是10位8段液晶顯示模塊,顯示控制電路如圖3所示,單片機(jī)通過控制液晶顯示模塊的/CS、/WR、DATA信號(hào)就可達(dá)到好的顯示效果。


圖3 液晶顯示電路

A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路

  作為測(cè)量儀器儀表的基本功能,擴(kuò)展了對(duì)外的A/D和 D/A電路,A/D采用MAXIM公司的單5V電源供電、低功耗、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX187、D/A采用MAXIM公司的單5V電源供電、低功耗、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX539,A/D、D/A的接口電路如圖4所示。


圖4 A/D、D/A與單片機(jī)的接口電路

  由于D/A和A/D電路體積小、功耗低,分辨率也能滿足一定的要求,特別適合網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端。A/D轉(zhuǎn)換用于對(duì)經(jīng)分壓后的外部交直流電壓信號(hào)進(jìn)行幅度和頻率測(cè)量。D/A轉(zhuǎn)換用來產(chǎn)生模擬信號(hào)的輸出,以適應(yīng)一些應(yīng)用的需要。

結(jié)語

  基于Internet的網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表系統(tǒng)把Internet技術(shù)、電量測(cè)量技術(shù)、虛擬儀表技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等相結(jié)合,利用Internet直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬儀表的測(cè)量及控制,將從嵌入式終端采集來的電量數(shù)據(jù),通過虛擬儀表主機(jī)的控制軟件對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、處理、圖形或數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)管理,并將分析后的結(jié)果回傳給終端。不同于傳統(tǒng)的RS-232串行通信的上、下位機(jī)方式和局域網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線方式,利用現(xiàn)有的Internet能實(shí)現(xiàn)千里之外的信號(hào)測(cè)量及控制,具有完全儀表化操作界面,實(shí)踐證明,Internet的遠(yuǎn)程虛擬儀表是完全可行的。
 

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