基于單片機與以太網的遠程測控系統設計

郭成統，王 盈，張 俊

（國營洛陽丹城無線電廠，河南 洛陽 471000）

0 引 言

傳統儀器儀表采用機械結構、模擬電路以及邏輯門電路相結合的設計結構，在自動校準、自動檢測以及數據信息處理技術方面存在很大的不足。隨著大規模集成電子技術的發展，電子儀器儀表向著智能儀表、自動測量的方向發展，遠程測控系統將成為未來儀表重要的發展方向之一[1]。目前，利用單片機處理器，集中進行數據信息采集和控制的系統技術已經得到了廣泛應用。特別是在惡劣和多區域分布的生產環境中，一方面人員很難到達現場進行集中測量，另一方面分布式測量需要網絡化采集。因此，通過遠程測控系統來實現遠程、多位置以及分布式數據采集與控制具有重要意義[2]。本文提出了一種基于單片機的遠程檢測和控制系統，通過微控制器訪問Internet網絡實現遠程網絡通信和控制。

1 系統總體設計

如圖1所示，將單片機作為核心控制器，通過SPI通信總線與網絡模塊相連接，實現單片機和網絡模塊的通信。網絡模塊采用固定的IP地址或是DHCP協議，完成對本地網絡的配置，并采用RJ-45雙絞線與路由器連接，通過上級網關完成網絡的接入，實現單片機連接至以太網。主要操作步驟可以總結為：（1）網絡注冊，申請HTTP賬號；（2）按照HTTP協議，編寫單片機入網程序；（3）完成單片機入網配置，實現單片機與以太網的鏈接；（4）啟動數據管理網站，建立與單片機連接，實現對單片機的遠程控制。單片機實現與以太網的連接后，即可采集現場溫度數據，并通過HTTP方式將實時溫度數據傳輸至遠程服務器。遠程服務器接收各個單片機終端上傳的數據，并將數據存儲至數據庫。用戶可通過任何可聯網的終端對數據庫中的數據進行訪問和讀取，利用常用的PC機、筆記本電腦以及手機等終端設備，通過數據庫訪問獲取終端上傳的數據[4-5]。同時，用戶可以利用網址頁面下發控制命令，從而實現對單片機終端的遠程控制，通過網絡數據的遠程傳輸，遠程開斷單片機終端上的LED開關[5]。

圖1 遠程測控終端結構圖

2 單片機硬件選型

為兼顧單片機性能和成本，本文選用W77E58單片機。該型號單片機具有資源豐富、運行速度快、性能可靠以及成本低廉等優勢。W77E58單片機為增強型51內核控制器。51內核單片機具有兼容的引腳和指令，具有4個8位I/O端口，全雙工的串口通信接口，3路16位的高精度定時器。該單片機通過優化設計去除了不必要的時鐘電路，進一步提升了運算速度和數據處理性能，保持了原有的執行頻率，將指令執行周期從12個時鐘降低至4個時鐘，指令執行速度提升了3倍。硬件結構示意圖如圖2所示[6]。

圖2 硬件結構示意圖

該型號單片機采用了雙數據指針存儲方式，大幅提升了數據存儲速度。同時，可修改MOVX指令的執行速度，將該指令的執行周期設定為2個機器周期或者是9個，使得存儲速度更為靈活，不同于匹配單片機與外圍設備的通信速度。另外，單片機具備1 kB的SRAM存儲空間，可用于實時變量的存儲。與其他51內核單片機相比，該款單片機的運算速度更快，功耗更少，同時指令集與51系列單片機兼容，降低了技術開發難度。

2.1 單片機I/O口

W77E58單片機共有4個8位的端口與1個4位的端口。在運行外部程序時或者對外部存儲區進行訪問時，I/O口可作為地址與數據總線使用。作為總線地址和數據總線使用時，I/O具備上拉與下拉能力，無需外部額外進行上拉處理。在其他情況下，它可作為通用I/O口使用。當端口0作為地址與數據總線時，端口2作為高8位地址總線使用，也具備上拉和下拉能力。另外，端口1和端口3具備其他可選功能，只有PLCC和QFP封裝的該款單片機具備端口4，同樣可作為通用I/O口使用[7]。

當外部程序運行或MOVC/MOVX指令訪問外部存儲區/設備時，I/O端口可用作地址/數據總線。這時它又具有上拉和下拉能力，不需要任何外部上拉，否則它可作為帶有開漏電路的普通I/O口。端口2主要在端口0用作地址/數據總線時用作高8位地址總線，也有強上拉和下拉能力。端口1和端口3帶有一些可選功能。端口4只在PLCC/QFP封裝時才有，和端口1和端口3一樣是通用的I/O口。P4.0有一個可選功能WAIT，是等待狀態控制信號。當等待狀態信號使能時，P4.0只作為輸入信號。

2.2 串 口

該款單片機具備兩個增強型串口接口，與8051系列單片機類似。該款單片機的串口可工作在不同模式下，串口0也可作為定時器1和定時器2的波特率發生器。另外，串口1僅能作為定時器1的波特率發生器。另外，串口具備自動地址識別和錯誤檢測的能力。

2.3 定時器

該款單片機具備3個可供使用的16位高精度定時器。它與8051單片機類似，可對定時器進行4個或12個時鐘配置。它可在計數時進行配置，特性與51單片機相同。另外，該款單片機增加了一個看門狗定時器，可實現對系統的定時監測和對程序的定時監控。

2.4 中 斷

W77E58單片機的中斷功能增設了一些外圍設備和附件特性，增加了中斷源和中斷數量，共提供12個中斷源，同時設置了2個中斷優先級、6個外部中斷、2個串口中斷和4個定時器中斷，與51系列單片機存在差異。

2.5 數據指針

W77E58單片機除了具備與51單片機相同的16位數據指針外，還增加了一個數據指針。新增的數據指針是51單片機中的SFR地址，同時增加了一條指令（DEC DPTR），增加了用戶編程的靈活性。

2.6 電源管理

W77E58單片機與51單片機類似，具備IDLE與POWER DOWN兩種模式，同時提供了一個Economy模式。在IDLE工作模式下，此時CPU內核時鐘處于停止狀態，而串口、中斷和定時器的時鐘在繼續工作。在POWER DOWN工作模式下，芯片的所有時鐘處于停止狀態，芯片處于低功耗狀態。

3 系統軟件設計

單片機存儲空間有限。與PC機相比，單片機無法使用Windows等操作系統。在訪問Web服務器時，單片機也不可能采用完整的TCP仲裁協議，需要進行軟件協議簡化設計。信息發送流程如圖3所示[7-8]。

3.1 TCP協議簡化

TCP為網絡通信協議族群的統稱，包含了數百種網絡通信協議[8-9]。實質上，TCP和IP僅是網絡協議族群中的兩個成員，因為二者是最重要的通信協議，一般用TCP/IP協議代表整個協議族群。單片機系統資源有限，無法實現完整的TCP/IP協議，因此必須對該協議信息簡化處理。TCP/IP協議主要分為4層，這里將該協議精簡為以下內容：超文本的通信傳輸協議（HTTP），建立請求應答機制，可實現讀取Web服務器的文檔；傳輸控制協議（TCP），實現HTTP的請求應答，實現客戶終端與服務器的通信，為遠程通信提供信息通信通道；網際協議（IP），實現不同類型網絡間的通信。另外，還包括地址解析協議ARP、報文協議ICMP等。通過TCP/IP協議的簡化，可在單片機中實現網絡通信協議的移植。

圖3 發送流程圖

3.2 Web服務器設計

Web服務器主要實現客戶終端的請求和監控，響應客戶提出的請求服務，使得客戶端可通過Web瀏覽器訪問Web服務器。當用戶端發起請求服務時，Web服務器接收到服務請求命令后，將響應用戶請求并回發相對應的請求數據。一般的Web服務器主要指的是文件服務器，提供的主要是固定的網絡頁面，并不適合遠程測控系統。為了使Web服務器滿足遠程監控系統的需求，需要增加瀏覽器和服務器間的交互功能，即在網頁中增加動態數據變量。通過在網頁中引入動態數據變量，可實現遠程數據的實時傳輸和顯示。

4 結 論

通過對網絡通信協議的簡化，在單片機中實現了網絡通信協議的移植。通過單片機控制網絡模塊，將單片機與以太網建立連接，實現了單片機與Web服務器間的遠程通信，從而將分布式遠程傳感器終端采集的數據進行集中存儲與分析，并實現了對傳感器終端的遠程控制。該方案結構簡單、開發成本低且運行可靠，具有一定的實際工程應用價值。