国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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| R. Lakshmi Narayana, K. Nagabhushan Raju博士 |
| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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随着技术的快速发展，以太网控制设备有了自己的需求和应用。在研究活动中，设计了基于Cortex-M3处理器的数据采集与控制系统。拟议的活动旨在增加任何一般房地的安全问题。它实现了一个嵌入式web服务器，可以在任何标准的web浏览器的帮助下进行数据采集和状态监控。本文设计了一种基于嵌入式以太网平台支持的设备控制和数据采集系统。处理器内置以太网，优化了系统的硬件复杂度。一个数据可以通过互联网透明传输，它被内置在cortex-m3处理器远端桌面计算机。本设计具有功耗低、性价比高、易于实现、传输稳定可靠等优点。
关键字 |
| ARM cortex-m3，嵌入式web服务器，远程监控。 |
介绍 |
| 嵌入式系统是以计算机技术为基础，注重应用、软硬件可定制，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求严格的特殊计算机系统。嵌入式以太网是实现以太网网络标准的单片机。简单地说，通过将以太网嵌入到设备上，它就有能力通过以太网进行通信，而不需要使用计算机。但现阶段大多数嵌入式系统都是独立使用，CAN、RS-232和RS-485是工业控制领域中最常用的处理多微处理器之间通信的技术，存在传输速率低、覆盖范围有限、通信协议相对较少等缺点，很难进行灵活的远程访问和管理。以太网(IEEE 802.3)是目前应用最为成熟和广泛的局域网技术，将嵌入式设备与Hub、交换机等网络设备连接起来，从而实现灵活的实时控制和监控已经成为嵌入式技术发展的必然趋势。将成熟的Web技术与嵌入式技术相结合，充分利用两者的优势。本论文基于ARM cortex-M3处理器[2]的远程监控系统的设计与实现。处理器板具有以太网端口，用于将传感器参数值发送到远程计算机。传统的传感器和控制设备硬件功能逻辑与德州仪器lm3s9b96[3]集成。该处理器通过编程与远程控制台计算机WEB页面交互，监控传感器的状态，并产生控制动作以确保设备的安全。 The user select buttons for sensor have been interfaced to the processor through analog to digital converters and device controls are digital I/O lines. The monitoring and controlling functionalities [1] have been realized with Keil-4 (IDE) software targeted onto ARM Cortex-M3 based device are connected using a crossover ethernet cable RJ45. On the transmission side, user-entered data is compiled into an IEEE 802.3 frame; on the reception side, data is extracted from the frame and displayed through the embedded web page. |
2系统设计 |
| Stellaris以太网控制器由一个完全集成的媒体访问控制器(MAC)和网络物理(PHY)接口组成。以太网控制器符合IEEE 802.3规范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX标准。以太网控制器在功能上分为两层:媒体访问控制器(MAC)层和网络物理层(PHY)。这些层分别对应于OSI模型第2层和第1层。CPU通过MAC层访问以太网控制器。MAC层提供以太网帧的传输和接收处理。MAC层还通过内部媒体独立接口(MII)提供到PHY层的接口。PHY层与以太网总线通信。 |
| 在这里，lm3s9b96板与RJ-45连接器接口。实现以太网的单片机，是将以太网的MAC和PHY集成在单片机上，从而省去了更多的外部组件。这使得MAC和PHY能够匹配，并减少了总体引脚数和芯片占地面积。它还可以降低功耗，特别是在执行掉电模式时。MAC是媒体接入控制器。以太网MAC由IEEE-802.3以太网标准定义。它实现了一个数据链路层。最新的mac支持10mbits /s和100mbits /s两种速度。这种作物通常实现MII。MII (Media Independent Interface)是IEEE 802.3中定义的以太网行业标准。 It consists of a data interface and a management interface between a MAC and a PHY shown in Fig. 1. The data interface consists of a channel for the transmitter and a separate channel of the receiver. Each channel has its own clock, data, and control signals. The MII data interface requires a total of 16 signals. The management interface is a two-signal interface, one signal for clocking and the other for data. With the management interface, upper layers can monitor and control the PHY. The PHY is the physical interface transceiver. It implements the physical layer. PHY incorporates a significant amount of analogy hardware, while the MAC is typically having all digital components. The chip footprint and the mixed analog/digital architecture are why MACs were first incorporated in microcontrollers, leaving the PHY off-chip. More flexible, higher-density chip technology has allowed both the MAC and PHY to reside on the same chip. |
| 数据传输需要简要讨论OSI模型，该模型由七层组成，从顶层到底层:计算机网络协议栈由与网络有关的模块组成。图2显示了用于连接到以太网网络并支持常见Internet协议的计算机的网络协议栈。堆栈的底部是网线的硬件接口。应用层是OSI (Open System Interconnectivity)服务器层模型的顶层。这一层处理网络透明度、资源分配和问题划分等问题。应用层关注用户对网络的看法(例如格式化电子邮件消息)。表示层为应用层提供了一种熟悉的数据的本地表示，与网络上使用的格式无关。传输控制协议(TCP)是TCP/IP网络中的主要协议之一。IP协议只处理数据包，而TCP允许两台主机建立连接并交换数据流。TCP保证数据的传递，还保证数据包将按照发送的相同顺序传递。 The number of layers a message passes through can vary. For some messages that travel only within a local network, the application layer can communicate directly with the Ethernet driver. |
| 在以太网网络中，一个唯一的硬件地址标识网络[4]上的每个接口。IP地址更加灵活，因为它们不特定于网络类型。使用IP的消息可以通过不同类型的网络传播，包括以太网、令牌环和无线网络，只要所有网络都支持IP。本地网络中不使用TCP或UDP的通信可能不需要IP。在因特网上传播的消息必须使用该IP。使用internet协议的消息还可以使用用户数据报协议(UDP)或传输控制协议(TCP)来添加错误检查或流量控制功能。Cortex-m3 Lm3s9b96微控制器板使用内置的实时工业连接功能，具有10/100以太网MAC/PHY。应用程序通常有一个用户界面，使用户能够从网络上的计算机请求数据或提供数据以发送到网络上。它使用超文本传输协议(HTTP)等标准协议来请求和发送Web页面。 |
3硬件设计 |
| 以以太网接口为主的系统是本设计的内置核心部分，系统采用ARM Cortex-M3芯片(Lm3s9b96)。微控制器核心的工作频率最高可达80 MHz，具有256 kB闪存，96 kB SRAM, 32-ch DMA, 32位外部外设接口，16MHz内部精密振荡器，预加载了StellarisWare驱动程序库，引导加载程序，AES加密查找表，循环冗余检查(CRC)功能的ROM，以及用于通用RTOS和安全关键应用的SafeRTOS内核。LM3S9B96还具有实时工业连接，具有10/100以太网MAC/PHY, 2个CAN控制器，USB 2.0 Full Speed OTG/主机/设备，2个SSI / SPI控制器，2个I2C接口，一个I2S接口和3个uart，以及硬件辅助支持，利用IEEE 1588精确时间协议(PTP)同步工业网络。LM3S9B96微控制器具有先进的运动控制，包括8个带死带的运动控制PWM输出，两个用于精确位置监测的quadrencoder输入，以及4个用于低延迟关机的故障保护输入。微控制器还具有智能模拟功能，包括3个模拟比较器和16个高精度10位模数转换通道，能够以每秒1M样本的速度同时采样两个通道。最后，它提供了16个数字比较器，一个24位系统定时器，4个32位或8个16位通用定时器，2个看门狗定时器，一个低退出电压调节器(只需要一个电源电压)，停电复位，上电复位控制器，以及多达65个GPIOs[3]。LM3S9B96单板内置以太网接口模块，通过以太网接口将采集到的数据上传到PC机。图5中显示了ADC和GPIO单连接器上的外部传感器的硬件接口，以及用于在ARM Cortex-M3微控制器板中调试的JTAG接口连接器。 |
| 图3显示了所提系统的功能模块。ARM cortex-m3微控制器用于控制灯和监控被动红外(PIR)传感器进行运动检测。还集成了开门传感器和温度传感器，使其能够在其他应用中使用。PIR传感器是一种热释电装置，通过测量周围物体发出的红外水平的变化来检测运动。在目前的开发中，这种运动可以通过检查单个I/O引脚上的高信号来检测。控制器件使用的是ULN2003继电器驱动器，用于电流放大[7]。 |
四、软件设计 |
| 该软件是用嵌入式C语言实现的，用于事件的控制和监控，驻留在ARM单片机上。图6显示了在目标系统上运行的软件流程。为了编译所设计的程序，生成一个映射文件，可以加载到目标板上。在PC上运行时，Keil可以直接编译存储器，并在编译用户程序时加入BIOS。随着网络技术的发展，TCP / IP协议被写入了嵌入式系统，使得嵌入式系统变成了嵌入式web系统，相应的，嵌入式系统的控制器变成了一个微型的网络服务器。实现了井下设备与互联网的无缝连接，真正实现了远程监控。LM3S9B96控制器安装了TCP/IP协议，便于实现与Internet的连接。 |
| 图6显示了在目标系统上运行的软件流程。为了编译所设计的程序，生成一个映射文件，可以加载到目标板上。在PC上运行时，Keil可以直接编译存储器，并在编译用户程序时加入BIOS。随着网络技术的发展，TCP / IP协议被写入了嵌入式系统，使得嵌入式系统变成了嵌入式web系统，相应的，嵌入式系统的控制器变成了一个微型的网络服务器。实现了井下设备与互联网的无缝连接，真正实现了远程监控。LM3S9B96控制器安装了TCP/IP协议，便于实现与Internet的连接。 |
五、结果和讨论 |
| 所提议的设备远程监测和控制系统已经开发完成。实现了网络TCP/IP协议，实现了嵌入式web服务器与远程客户端的通信。远程监控控制器的目的是提高系统的性能，减轻人工负担。Stellaris Finder软件工具用于查找设备上运行的应用程序的IP地址、MAC地址、客户端IP地址和名称。在任何可以找到网页并检查传感器值和I/O控件的标准Web浏览器上输入URL格式的IP地址。图中。7、ADC通道1 ~ 8分别连接到相应的传感器。在网页的左侧有一个杂项设置，其中包括IP地址和端口设置。这个示例页面有一个继电器控制选项，用于控制连接到目标板的电气/电子设备。每10秒，传感器的数据值就会更新一次。 |
六。结论 |
| 本课题设计并实现了基于web技术的嵌入式设备远程监控系统。RMC系统采用Browser/Server模式，实现了ARM处理器目标板等嵌入式设备的互联。因此，远程用户可以通过互联网使用标准的Web浏览器访问、控制和管理嵌入式设备[通过远程监控设备实现ARM处理器]。它具有体积小、数据记录方便、系统维护方便、工作时间长、性能稳定等优点。适用于工业控制、工业自动化、医疗器械等各个领域，反之亦然。 |
参考文献 |
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