【正文】 智能單片機以及智能化的傳感器等研究，是國內(nèi)外競相搶占制高點的前沿技術(shù)之一。本文針對基于網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行研究，包括工作原理、工作方法以及具體的發(fā)送接收方式實現(xiàn)，對于電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制設(shè)備儀器的運行等方面具有重要意義。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始于 20 世紀(jì) 50 年代，美國為了實現(xiàn)在軍事測試中不依靠相關(guān)的測試文件，由非熟悉人員進(jìn)行操作,并且測試任務(wù)由測試設(shè)備高速自動完成，而研發(fā)了用于軍事上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。大約在 60 年代后期，國外用于專用系統(tǒng)的成套數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)入市場。70 年代中后期，誕生了以采集器同計算機融為一體為代表的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀器和專用數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)。20 世紀(jì) 80 年代隨著計算機的普及和發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)空前發(fā)展，工業(yè)計算機、單片機和大規(guī)模集成電路的組合，使系統(tǒng)的成本、體積減小，功能成倍增加，數(shù)據(jù)處理能力逐步加強。 【15】 該時期己開始出現(xiàn)通用的數(shù)據(jù)釆集與自動檢測系統(tǒng)。一般來說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為兩類：一類是由通用接口總線和計算機、儀器儀表和采集器等構(gòu)成，如國際標(biāo)準(zhǔn) ICE625 (GPIB)接口總線系統(tǒng)；另一類由標(biāo)準(zhǔn)總線和計算機、數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，如 ETD 總線系統(tǒng)。20 世紀(jì) 90 年代以來，國際上一些技術(shù)先進(jìn)的國家，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已在井下作業(yè)、石油開采、現(xiàn)場實時監(jiān)控和航空1技術(shù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如有的 DAS產(chǎn)品精度可以達(dá)到 24 位，甚至有的 DAS 產(chǎn)品速度可以達(dá)到每秒幾億次以上。 【14】現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用更先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，運用簡單的增加和更改模塊的方法，與系統(tǒng)編程相結(jié)合就可擴展或修改系統(tǒng)，最終迅速組建成一個新的系統(tǒng)。由于屏蔽性、高密度、針孔式的連接器和卡式模塊的應(yīng)用，使其穩(wěn)定性及可靠性得到充分保障，但其昂貴的價格阻礙了它在自動化領(lǐng)域的普及。目前，以 Inter 為代表的計算機網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展和應(yīng)用取得了空前的突破，網(wǎng)絡(luò)化采集和控制技術(shù)也隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而迅速成長?；诰W(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)運而生，且在計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展背景下，表現(xiàn)出了空前的發(fā)展勢頭，具有采集效率高、采集實時性高、便于收集和整理數(shù)據(jù)等特點，對于各行工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集都具有非常重要的意義。隨著 IT 技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，為保障用戶的投資，適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展的趨勢，施耐德電氣公司第一個推出了應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的、開放的 TCP/IP 以太網(wǎng)、Modbus TCP/IP 協(xié)議，該技術(shù)采用了 IT 行業(yè)廣泛應(yīng)用的 TCP/IP 協(xié)議，底層協(xié)議釆用開放的 Modbus，第一次真正地的實現(xiàn)了 IT 網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡(luò)的融為一體，使用戶徹底擺脫了各種行業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡(luò)的限制和束縛，從而進(jìn)入了工業(yè)控制領(lǐng)域的一種新境界。 【3】電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，通過軟件或硬件方式可以將 TCP (UDP) /IP 協(xié)議嵌入到單片機。目前網(wǎng)絡(luò)智能化單片機在國內(nèi)外占據(jù)前沿地位，而近幾年交換式以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)更大程度的提高了以太網(wǎng)的確定性，利用交換技術(shù)，將一個較大的網(wǎng)絡(luò)分隔成為各個相對獨立的沖突域，使沖突只能在一個相對較小的區(qū)域內(nèi)發(fā)生，這樣就大大地減小了沖突發(fā)生的概率，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的實時性和確定性。 【2】 以太網(wǎng)所顯示的優(yōu)勢，使其能夠滿足數(shù)據(jù)采集及控制對實時性、抗干擾性、可靠性的嚴(yán)格要求，它己經(jīng)被證明是未來數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡(luò)的最佳解決方案，其應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控也是控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。 論文主要研究內(nèi)容本文通過查閱文獻(xiàn)資料，在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計出了單片機的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并實現(xiàn)了上位機界面設(shè)計，本文研究具有較強的工程背景和應(yīng)用價值，具體研究內(nèi)容包括：(1)基于網(wǎng)絡(luò)通信的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理和基本方法研究。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，單片機的網(wǎng)絡(luò)智能化得到大量的應(yīng)用，本文單片機連接網(wǎng)絡(luò) Inter 的基本原理進(jìn)行了研究，并提出了具體的連接方法；(2)基于網(wǎng)絡(luò)通信的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)。主要包括單片機數(shù)據(jù)采集的工作模式、單片機發(fā)送程序設(shè)計、中間傳輸媒介網(wǎng)卡芯片模塊的配置與設(shè)計等；2(3)基于網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計。單片機與上位機之間通過 TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信，本部分對 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上通過 windows socket 套接字實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信，設(shè)計了上位機數(shù)據(jù)采集軟件；(4)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了試驗調(diào)試，并分析了過程中遇到的各種問題以及解決方法，對全文工作內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和展望。32 基于網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理和方法基于網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分，硬件部分實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)采集，包括數(shù)據(jù)采集終端、網(wǎng)絡(luò)傳輸通道、上位機等構(gòu)成。本文對于具體的硬件采集電路不做具體研究，以單片機作為媒介，實現(xiàn)單片機與計算機之間的網(wǎng)絡(luò)通信。本章將具體分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本原理和基本方法，為第三章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作模式做好鋪墊。 基于網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本原理實現(xiàn)單片機系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò) Inter 這種方式并不復(fù)雜，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施已為我們提供了現(xiàn)成的中間傳輸媒介，我們只需要將單片機與這些中間的傳輸媒介連接上就可以使系統(tǒng)介入 Inter 了。 【11】但是，要將單片機系統(tǒng)接入到 Inter 中必須從以下兩方面進(jìn)行工作：一是在硬件上，給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制器即單片機加上一個網(wǎng)絡(luò)接口；二是在軟件上提供單片機與遠(yuǎn)程計算機通信的通信協(xié)議。當(dāng)給一個系統(tǒng)配上一個以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片，并提供相應(yīng)的TCP/IP 協(xié)議和 協(xié)議時，這個系統(tǒng)就可以通過以太網(wǎng)連接上 Inter；當(dāng)給一個系統(tǒng)配上一個 DTE/DCE 接口設(shè)備，并提供相應(yīng)的 TCP/IP 協(xié)議和 PPP 協(xié)議，那么這個系統(tǒng)就可以通過 Modem 連接 Inter；當(dāng)給一個系統(tǒng)配上具有無線收發(fā)功能的網(wǎng)絡(luò)接口RF，并提供相應(yīng)的 TCP/IP 協(xié)議和 協(xié)議，那么這個系統(tǒng)就可以通過無線方式連接 Inter。由此可知，如果要想讓單片機系統(tǒng)連接上 Inter，其關(guān)鍵是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信接口并提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 【9】 基于網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本方法目前來說，有兩種方法可以實現(xiàn)單片機系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)，具體分別敘述如下：(1)利用網(wǎng)絡(luò)控制器/網(wǎng)卡(NIC)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口，然后由單片機來提供相應(yīng)的通信協(xié)議。比如，將單片機與網(wǎng)卡 ZNE100 模塊組合在一起，ZNE100 模塊內(nèi)部集成了 TCP/IP 協(xié)議棧，這樣就可以輕松實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信和傳輸功能。采用這種方法的成本非常低廉，但是其軟件設(shè)計比較復(fù)雜。然而，對于 ZNE100 網(wǎng)卡模塊接口，并不需要像計算機那樣提供全套的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，只需要根據(jù)特定的應(yīng)用要求，提供一個 TCP/IP 協(xié)議族的子協(xié)議集即可。 【7】(2)利用具有協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的芯片和 PHY(phyceiver 物理層的接收器)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口，主控器只負(fù)責(zé)向協(xié)議棧結(jié)構(gòu)芯片的某個寄存器里存放適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)。在這種方法中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是根據(jù)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的芯片硬件實現(xiàn)的。目前這種芯片有美國 Seiko Instruments 公司生產(chǎn)的 ichip S7600A 芯片，韓國 WIZ 公司生產(chǎn)的 i2chip W3100A 芯片等。在這里，我們以 i2chip W3100 為例來說明這類芯片的硬件結(jié)構(gòu)是如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的。4圖 21 W3100 芯片硬件結(jié)構(gòu)W3100 芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖 21 所示，其中分為四個部分：與單片機接口部分(MCU interface)、協(xié)議引擎(protocol engine)、存儲器(DPRAM)和 MII 接口部分。其中 MII接口部分接 PHY。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的部分主要是靠其協(xié)議引擎，在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中具有以下一些與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)的寄存器：命令寄存器 CCR，它的各位分別表示系統(tǒng)初始化、通道socket 初始化、建立連接、偵聽、接收、發(fā)送、關(guān)閉等命令。具體地，將某一位置 1 就可以發(fā)出相應(yīng)的命令。CDIR 為目的 IP 地址寄存器，CDPR 為目的端口地址寄存器，CTOSR 為服務(wù)類型寄存器，對應(yīng)于 IP 報頭的 TOS 字段，CIPR 為 IP 協(xié)議寄存器，對應(yīng)于IP 報頭的協(xié)議字段，CSPR 為源端口寄存器，CSSR socket 為狀態(tài)寄存器，GAR 為網(wǎng)關(guān)地址寄存器，SMR 為子網(wǎng)屏蔽寄存器，SHAR 為源硬件地址寄存器，SIPR 為源 IP 地址寄存器等。在這些硬件寄存器上，程序開發(fā)人員只需要將相應(yīng)的數(shù)據(jù)存入這些寄存器中，并按照一定的順序開啟相應(yīng)的命令，那么就可以按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議連接上網(wǎng)絡(luò)了。而且芯片開發(fā)商還提供了芯片的軟件開發(fā)包，設(shè)計者只需要調(diào)用其中的函數(shù)即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。由此可見，這種方法設(shè)計簡單，使用方便，但是其價格一般都比較昂貴。 【4】本文將根據(jù)第一種方法，將單片機與網(wǎng)卡芯片 ZNE100 模塊進(jìn)行組合，然后建立相應(yīng)的通信協(xié)議，實現(xiàn)單片機網(wǎng)絡(luò)智能化，與 PC 機遠(yuǎn)程通信。53 基于網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集工作模式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分為兩個部分：一是單片機終端數(shù)據(jù)發(fā)送部分，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送功能；二是 PC 機端數(shù)據(jù)的接收部分，實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)連接接收單片機終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并在 PC 機上顯示數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，以監(jiān)測和控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。 【5】 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作模式如圖 31 所示：圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作模式由圖可知，單片機發(fā)送數(shù)據(jù)后，經(jīng)過網(wǎng)卡芯片以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)方式被 PC 機端結(jié)構(gòu)，然后顯示在 PC 機上，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后作為參考，以監(jiān)測和控制遠(yuǎn)程部分。 單片機發(fā)送端程序設(shè)計(1)MCS51 單片機串行通信工作方式MCS51 單片機共有四種串行通信工作方式，分別成為方式 0、3。其中方式 0是把串行口作為同步移位寄存器使用，這時以 RXD()端作為數(shù)據(jù)移入的入口和出口，而由 TXD()作為提供移位脈沖的端口。 【13】 方式 1 是 10 位為一幀的異位串行通信方式，方式 2 是 11 位為一幀的串行通信方式，方式 3 通信方式也是 11 位為一幀的串行通信，其過程與方式 2 相同，但不同的是其波特率。(2)單片機發(fā)送端程序發(fā)送主程序：OR