基于ＡＲＭ和μＣ／ＯＳ－Ⅱ设计的网络化大田温度检测系统探析

马明涛

摘要：采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＬＰC２２００ ＡＲＭ７实验平台为中央处理器，移植非商业化的μＣ／ＯＳ－Ⅱ嵌入式操作系统，构建了网络化大田温度检测系统。该系统使用ＤＳ１８Ｂ２０数字化温度传感器单总线方式将数字信号传输到ＬＰＣ２２００处理器，通过ＴＣＰ／ＩＰ协议栈将数据上传到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，达到了实时可靠稳定的目的。

关键词：ＬＰＣ２２００；μＣ／ＯＳ－Ⅱ；ＤＳ１８Ｂ２０；Ｗｅｂ服务器

中图分类号：Ｓ１２６文献标识码：Ａ文章编号：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

温度是农业生产中最重要的因素，对温度信息的收集和处理对农作物生长起着至关重要的作用［１］。传感器作为一种获取信息的重要工具，随着微处理器技术的迅猛发展以及测控系统自动化、智能化的发展，传统的传感器已与各种微处理器相结合，并连入网络，形成了带有信息检测、信号处理、逻辑思维等一系列功能的智能传感器系统。本研究以体积小、功耗低、可靠性高、抗干扰能力强的嵌入式微处理器为核心，使用数字式的温度传感器作为采集单元，构建网络化大田温度检测系统。

１整体设计

本设计采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＬＰＣ２２0０ ＡＲＭ７微处理器为核心，被测温度经数字化的传感器ＤＳ１８Ｂ２０转换成数字信号以“单总线”的方式传入到ＬＰＣ２２００，经过数据处理后根据ＴＣＰ协议经Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络送到上位机显示。以Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＡＲＭ核处理器ＬＰＣ２２0０为核心来实现嵌入式Ｗｅｂ服务器；网络接口芯片采用Ｒｅａｈｅｋ公司的ＮＥ２０００兼容芯片ＲＴＬ８０１９ＡＳ，内置１０ＢＡＳＥ－Ｔ收发器，通过ＨＲ９０１１７０Ａ器件接入以太网［２］。总体功能框图如图１所示。

２系统的硬件设计

２．１ＡＲＭ７微处理器

电路板上的ＬＰＣ２２0０微处理器［３］采用了Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＡＲＭ７ ＴＤＭＩ－Ｓ核。ＡＲＭ７ ＴＤＭＩ－Ｓ处理器是ＡＲＭ通用３２位微处理器家族的成员之一。ＡＲＭ处理器具有优异的性能且功耗很低，其结构是基于精简指令集计算机（ＲＩＳＣ）原理而设计的指令集和相关的译码机制，比复杂指令集计算机要简单得多［４，５］。

２．２电源模块

ＬＰＣ２２００系列ＡＲＭ７微控制器均要使用２组电源，Ｉ／Ｏ口供电电源为３．３ Ｖ，内核及片内外设供电电源为１．８ Ｖ应用系统。

２．３复位电路

由于ＡＲＭ芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限较低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。该开发板的复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片，以提高系统的可靠性。

２．４系统时钟电路

ＬＰＣ２2００系列ＡＲＭ７微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部ＰＬＬ电路可调整系统设置，使系统运行速度更快（ＣＰＵ最大时钟频率为６０ ＭＨｚ）。本平台使用了外部１１．０５９ ＭＨｚ晶振，目的是使串口波特率更精确，同时能够支持ＬＰＣ２2００系列ＡＲＭ７微控制器芯片内部的ＰＬＬ功能和ＩＳＰ功能。

２．５ＤＳ１８Ｂ２０应用电路

ＤＳ１８Ｂ２０应用电路是美国Ｄａｌｌａｓ半导体公司的数字化温度传感器，是“一线总线”接口的温度传感器。在其内部使用了在板（ＯＮ－ＢＯＡＲＤ）专利技术。测量范围为－５５～＋１２５ ℃，精度为0．５ ℃。ＤＳ１８Ｂ２０可以程序设定９～１２位的分辨率，它还支持多点组网功能，实现组网多点测温。系统选用了外部电源供电方式，在外部电源供电方式下，ＤＳｌ８Ｂ２０工作电源由ＶＤＤ引脚接入，此时Ｉ／Ｏ线不需要强上拉，也不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度。同时理论上在总线上可以挂接任意多个ＤＳ１８Ｂ２０传感器，组成多点测温系统［６，７］。

２．６ＬＥＤ显示电路

本系统采用ＬＥＤ显示，使用ＺＬＧ７９２０芯片，ＺＬＧ７２９０与微控制器设计硬件电路连接只需要两根信号线（一根数据线ＳＤＡ，一根时钟信号线ＳＣＬ）。

２．７以太网接口电路

ＲＴＬ８０１９ＡＳ是一种高度集成的全双工即插即用的以太网控制芯片，它在一块芯片上集成了ＲＴＬ８０１９内核和一个１６ kＢ的ＳＤＲＡＭ存储器。能兼容ＲＴＬ８０１９控制软件和ＮＥ２０００ ８ ｂｉｔ或１６ ｂｉｔ的传输。支持ＵＴＰ、ＡＵＩ、ＢＮＣ和ＰＮＰ自动检测模式，其接口符合Ｅｔｈｅｒｎｅｔ２和ＩＥＥＥ８０２．３（１0Ｂａｓｅ５、 １０Ｂａｓｅ２、１０ＢａｓｅＴ）标准。ＲＴＬ８０１９ＡＳ芯片内部集成了ＤＭＡ控制器、ＩＳＡ总线控制器和集成１６ kＳＲＡＭ、网络ＰＨＹ收发器。用户可以通过ＤＭＡ方式把需要发送的数据写入片内ＳＲＡＭ中，让芯片自动将数据发送出去；而芯片在接收到数据后，用户也可以通过ＤＭＡ方式将其读出。ＲＴＬ８０1９ＡＳ与ＬＰＣ２２0０一般通过外部总线进行连接。接口电路图如图２所示。

３系统的软件设计

ＡＤＳ集成开发环境是ＡＲＭ公司推出的ＡＲＭ核微控制器集成开发工具，ＡＤＳ１．２支持ＡＲＭ１０之前所有ＡＲＭ系列的微控制器，支持软件调试及ＪＴＡＧ硬件仿真调试，支持汇编、Ｃ和Ｃ＋＋源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特点，可以在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８、 Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００、 ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ以及ＲｅｄＨａｔ Ｌｉｎｕｘ上运行。

３．１μＣ／ＯＳ－Ⅱ操作系统

μＣ／ＯＳ－Ⅱ的移植，系统开发采用ＡＲＭ公司的ＡＤＳ１．２作为开发编译环境，移植了μＣ／ＯＳ—Ⅱ操作系统，主要采用Ｃ语言编写。将μＣ／ＯＳ—Ⅱ移植到ＡＲＭ处理器上，需要修改３个与ＡＲＭ体系结构相关的文件：ＯＳ＿ＣＰＵ.Ｈ、OＳ＿ＣＰＵ＿Ａ.ＡＳＭ、ＯＳ＿ＣＰＵ＿ Ｃ.Ｃ。

３．２传感器的温度采集

在对传感器数据采集的软件编程中，采用的是单线总线协议。通过单线总线访问ＤＳｌ８B２０的协议包括：初始化ＤＳ1８B２０、ＲＯＭ操作命令、存储器操作命令和读数据／处理数据。根据ＤＳｌ８B２０的初始化时序、写时序和读时序，分别编写３个子程序：Ｉｎｉｔ＿ＤＳ1８B２０为初始化子程序；ＷｒｉｔｅＯｎｅＣｈａｒ为写（命令或数据）子程序；ＲｅａｄＯｎｅＣｈａｒ为读数据子程序。所有的数据读／写均由最低位开始。

３．３Ｗｅｂ服务器的建立

要在微处理器中建立Ｗｅｂ服务器，主要需要实现ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的移植。设计中主要采用ＺＬＧ／ＩＰ软件包，由广州周立功单片机发展有限公司开发的面向嵌入式系统开发的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈是ＺＬＧ系列中间件的重要成员之一。ＺＬＧ／ＩＰ提供实现Ｉｎｔｅrnet网络上ＩＰ接点的功能，是一种高性能的嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ协议栈软件。它使用μＣ／ＯＳ－Ⅱ实时操作系统的信号机制来实现一个多任务并行、可重入的协议栈，完全使用ＡＮＳＩ Ｃ编写，可以像μＣ／ＯＳ－Ⅱ一样支持多种ＣＰＵ。ＺＬＧ／ＩＰ还具有层次清晰、易于升级和修改等特点［８，９］。

Web服务器关键部分程序：

void TaskE(void *pdata)

{

uint8 Temp=0;

uint16 TempLength;

int addrlen;

int ei;

unsigned charip_add[4]={192，168，0，1};

uint8 tempdata[400];

//uint8 err;

SOCKET s;

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小结

系统经过测试运行良好，能方便快捷地通过浏览器查询温度传感器所采集的温度值。本文主要介绍了系统硬件和μＣ／ＯＳ－Ⅱ的移植、ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的分析使用、温度数据采集等设计，经过测试，该嵌入式Wｅｂ服务器可以在ＬＰＣ 2000微处理器目标板上稳定运行且效率良好。本系统的大部分程序都采用标准Ｃ程序［１０］，在网络接口上采用ＺＬＧ ＴＣＰ／ＩＰ软件包，具有很好的移植性，有良好的应用前景，对农业的现代化、智能化发展起到了一定的支撑作用。

参考文献：

［１］ ＬＡＢＲＯＳＳＥ Ｊ Ｊ． 嵌入式实时操作系统μＣ／ＯＳ－Ⅱ［Ｍ］．邵贝贝，译．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．

［２］ 何轩，夏应清，李祥．基于ＡＲＭ微处理器的嵌入式以太网接口［Ｊ］．电气时代，２００５（１）：119-120．

［３］ 董静薇，鞠丽丽．基于ＬＰＣ２２１０的远程数据采集终端设计［Ｊ］．工业控制计算机，２００７，２０（１２）：３３－３４，３７．

［４］ 周立功．ＡＲＭ嵌入式系统基础教程［Ｍ］．第二版．北京：北京航空航天大学出版社，２００４．

［５］ 周立功．ＡＲＭ嵌入式软件开发实例（一）［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００４．

［６］ 郭兆正，王东．ＤＳ１８Ｂ２０在花棚温度监测中的应用［Ｊ］．渤海大学学报（自然科学版），２００４，２５（４）：３８７－３９０．

［７］ 余成波．传感器与自动检测技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００９．

［８］ 李磊，杨柏林，胡维华． 嵌入式Ｗｅｂ服务器软件的设计和实现［Ｊ］．计算机工程与设计，２００３，２４（１０）：１００－１０２．

［９］ 刘桂雄，冯云庆．基于ＩＰ传感和网络接口的环境测控平台设计［Ｊ］．传感器技术，２００３，７（２２）：２２－２５．

［１０］ 申笑颜，许红，曹伟平．基于嵌入式Ｃ实现检测定制与数据处理［Ｊ］．微计算机信息，２００８，２４（５）：６２－６３．