（机械电子工程专业论文）车辆轮对检修线网络接口模块的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 本文以广泛使用的普通8 位微控制器为出发点，针对嵌入式系统连入i n t e m e t 的要求，提出和实现了基于t c p i p 协议并通过m c u 将嵌入式系统连入i n t e m e t 的方案。 文章首先概述了轮对检修线网络接口模块设计问题的提出和前景。在介绍 比较了当前国内外几种主要解决方案的前提下，通过对标准t c p i p 的详细分析， 并结合轮对检修线网络接口模块的特点，提出了一种构建基于8 位微控制器的 嵌入式i n t e m e t 解决方案。 论文在对t c p i p 协议体系做深入分析的基础上，结合a t 8 9 c 5 1 单片机的资 源情况，对t c p i p 协议进行了合理的简化，使其能在单片机上实现。在协议方 面主要讨论了网际协议p 、用户数据报协议u d p 、i n t e m e t 控制报文协议i c m p 、 物理地址解析协议a r p 。 本系统主控器采用8 位的a t 8 9 c 5 1 单片机，通过r t l 8 0 1 9 a s 网卡与以太 网在物理上连接起来，并在a t 8 9 c 5 1 中嵌入了简化的t c p i p 。在硬件上介绍了 r t l 8 0 1 9 a s 网卡芯片的硬件结构和内部存储器结构，以及其收发数据包的方法。 为了验证系统设计的正确性，文章在c + + b u i l d e r 设计了基于t c p i p 协 议的应用程序，验证了系统的正确性。 本系统的特点是成本低，通过现有的网络接口可以与i n t e m e t 方便的连接， 同时也可以很方便的与其它的嵌入式设备连接起来。 关键词：网络接口模块嵌入式系统r t l 8 0 1 9 a sa t 8 9 c 5 1u i p 茎堡望三查兰堡圭堂堡笙苎 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do n8 - b i to r d i n a r ym i c r o c o n t r o l l e r a i m i n ga t d e m a n do fc o n n e c t i n ge m b e d d e ds y s t e m sw i t hi n t e r n e t ，t h es c h e m et h a t c o n n e c te m b e d d e ds y s t e m st oi n t e r n e tv i am c ub a s e do nt c p i pp r o t o c o l i so b t a i n e da n dr e a l i z e di nt h i sp a p e r a t f i r s t ，t h ep a p e re x p l a i nt h ep r o s p e c t o ft h er e s e r c ho fn e t i n t e r f a c em o d u l eo nw h e e ld e t e c t i o n a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h em a i n s o l u t i o no fs e v e r a lk i n d so ft h ee r n b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g yd o m e s t i c a n di n i e m a t i o n a lc u r r e n t l y ，t h r o u g ht h ed e t a i l e da n a l y s i st os t a n d a r d t c p i p ， a n dc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em i c r oc o n t r o l l e ru n i t s 。 t h e p a p e rp u t sf o r w a r dt h es o l u t i o no fe m b e d d e di n t e r n e tp l a t f o r mb a s e d o nt h e8 - b i tm i c r oc o n t r o l l e ru n i t s i nt h ep r o t o c o l s ，t h ep a p e rm a i n l y i n t r o d u c et h ei p ，u d p ，i c m pa n da r p t h i sp a p e ra n a l y z e st h et c p i pp r o t o c o ls y s t e mi nd e t a l l i nv i e wo f t h es o u r c eo fa t 8 9 c 5 1 ，t h et c p i pp r o t o c o l1 5p r e d i g e s t e di no r d e rt o r e a l i z ei t i na t 8 9 c 5 1 i ta l s oi n t r o d u c et h eh a r d w a r es t r u c t u r e ，t h e m e m o r ys t r u c t u r ea n dt h em e t h o do fr e c e i v i n ga n dd e l i v e r i n gd a t u mb u n d l e o fr t l s 0 1 9 a sc h i p i no r d e rt ov a l i d a t et h ev a l l d i t yo ft h es y s t e m ，t h ep a p e rd e s i g n e d t h ea p p l y i n gp r o g r a ma b o u tt c p i pp r o t o c o lt or e a l i z ei t t h ec h a r a c t e ro ft h es y s t e mi si t sl o wc o s t i tc a nb ec o n n e c t e dt o i n t e r n e tc o n v e n i e n t l yv i ae x i s t i n gn e t w o r kp o r t i tc a na l s ob ec o n n e c t e d t oo t h e re m b e d d e dm a c h l n e sc o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：n e ti n t e r f a c em o d u l e ，e m b e d d e ds y s t e m ，r t l 8 0 1 9 a s ，a t 8 9 c 5 1 ， u i p i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 课题研究的背景 2 0 世纪中叶以来，微电子、自动化、计算机、通讯、网络等科学技术的迅猛 发展，掀起了以信息技术为核心的新的浪潮。与此同时，随着网络应用的普及 和信息共享程度的不断提高，i n t e r n e t 已经进入了千家万户，成为人们工作和 日常生活中不可缺少的重要组成部分。以“网络化”、“信息化”为标志的2 l 世 纪，将改变人类获得、处理、交流及利用信息和知识的方式，推动人们的生活 方式与社会结构发生史无前例的变化。 目前，以太网( e t h e r n e t ) 协议已经广泛地应用于各种计算机网络和工业 控制过程中，如办公局域网，工业控制网络等场合，并且还在不断地发展。基 于以太网的新技术和联网设备不断出现，以太网已经成为最常用的网络标准之 一。在工业控制过程中，将仪器接入以太网，使之成为执行测量与控制任务的 w e b 站点。这种网络化设备可以象普通仪器那样按设定程序对相关物理量进行测 量、控制、存储及控制状态。同时它还具有重要的网络特征，通过i n t e r n e t 可 以远程对仪器进行功能操作，获取测量结果并实时监控。 对于铁路这样庞大的开放性动态时变系统，随着技术进步和社会发展，特 别是电子计算机技术的发展，铁路运营管理数字化己成为铁路现代化的主要方 向和主要标志。目前交通运输的竞争日趋激烈，在铁路全面实施提速的新形势 下，将对车辆的维修提出越来越高的要求。由于科学技术的进步发展，许多新 的技术、新的设备用于车辆检修过程中。新技术、新设备的使用，满足了增加 列车运量，提高列车速度及密度的需要。但传统的维修管理方式，越来越难以 适应列车提速、重载、高密度的发展，维修手段的落后从某种意义上说已成为 行车安全的大隐患。 铁道车辆走行部分的轮对是保证列车安全运行的关键部件。做好轮对检修 过程控制及质量信息管理工作，是提高轮对检修效率的有效途径“。本系统中网 络接口模块是一个全新的概念，它是适合在远程测控中使用的系统，是嵌入式 技术，仪器测控技术，网络通信技术，现代计算机技术，微电子技术深度融合 的结果。在车辆轮对检修线上通过网络接口模块将现场检测数据向车辆段以太 网传输，实现对轮对检测信息设备的远程实时监控，对提高轮对检测效率，实 茎堡堡三查兰堡主兰堡堡苎 一一 现轮对检测数据的共享具有重要意义。 1 2 论文研究的目的和意义 车辆轮对在运行过程中会产生擦伤、剥离、龟裂、磨损和裂纹等缺陷，在车 辆运行一定时间后，车辆段一般要按相关的要求对轮对进行定期的检修。襄樊 北车辆段轮对检修线由收轮入口工作站、车轴退卸工作站、轴承检测机工作站 等十几个工作站点组成，其工序繁多，现场作业比较复杂，且所有工序基本上 由人工控制，报表和记录也由人工填写，经常会出现错检和漏判现象，检修效 率也比较低。随着列车的不断提速，传统检测方法已越来越不能适应列车提速 对轮对检测所提出的要求。利用计算机网络技术对现场轮对检修数据进行网络 化改造，完成对检修数据的实时采集、判别，并向车辆段以太网传递，能及时、 准确的采集轮对检修质量信息，实现整个车辆段轮对检修资源的共享，大大提 高现场检修的效率和数据处理的正确率。 1 3 车辆轮对检修线网络接口模块研究的国内现状 轮对检修是车辆检修工作中很关键的一个环节，其检修工序过程控制和信 息技术管理也是整个车辆检修技术管理中的重点。目前国内许多车辆段轮对检 修采用的仍是传统的人工将现场检修的数据填写到车统5 1 c 等轮对卡片上，然 后将卡片上的数据录入到系统中形成各种表单和报表。由于现场有较多的检测 设备，轮对检测数据靠人工记录和传递，很容易产生误判和漏检的情况。 进入9 0 年代，全国多处车辆段以计算机辅助车辆轮对检修信息系统为核心， 积极推进轮对检修生产线的信息化建设。如沈阳铁路局通辽车辆段2 0 0 1 年开发 并应用了货车轮轴检修信息管理系统，该系统主要完成轮对检修的技术统计管 理工作，主要是人工将现场检修的数据录入到系统中实现种类繁多的表单和报 表的自动生成p ；广州车轮厂1 9 9 9 年研究并建成了轮轴检修质量信息控制系 统，该系统利用计算机网络实时采集、判别、传递数据的方法完成了轮轴检修 质量信息的正确采集、传递以及准确、快速的安全事故查询p 。该系统通过设 置工作站点，及时、准确采集轮对检修质量信息，但它只是实现了过程控制的 半自动化。 从传统设备网络化改造的实际成果来看，目前国内车辆段对轮对检修设备 进行网络化改造过程中主要集中在轮对检修数据的自动化管理、处理的问题上。 对轮对检修数据自动实时采集和传递，特别是实现现场检测数据通过网络介质 2 武汉理工犬学硕士学位论文 向车辆段以太网传输的研究涉及很少。因此，探索一条将检测线上的设备通过 低端的嵌入式处理器和相关的器件接入以太网的新途径，具有很重要的现实意 义。 1 。4 本文的课题支撑及本文的主要工作 1 4 1 本文的课题 课题题目：车辆轮对检修线信息化的研究与实现 课题来源：襄北车辆段( 3 9 万) 1 4 。2 本文的主要工作 本文将介绍以8 0 c 5 1 系列单片机和网卡控制器r t l 8 0 1 9 a s 为核心的嵌入式 以太网( e 也e f n e t ) 与r s 2 3 2 串口设备相互通讯的一种协议转换装置( t c p i p 协议一 串行通信协议) ，本文称之为基于t c p i p 协议的网络接口模块。所做的主要工作 如下： ( 1 ) 实现轴承检测机数据采集模块的设计。 ( 2 ) 设计基于5 l 单片p , + r t l 8 0 1 9 a s 的嵌入式网络接口模块。 ( 3 ) 对本文要用到的几个t c p i p 协议，如a r p 、i p 、i c m p 、u d p 协议做了详 细阐述。单片机要和i n t c r n e t 连接，网卡是必经之路，如何操作网卡使之正常工 作，对其进行初始化，也是本设计中的重点。 ( 4 ) 从硬件和软件两个方面实现了嵌入式i n t e m e t 技术的关键嵌入式t c p i p 协议栈的实现。 ( 5 ) 实现了u d p 协议。 塞坚墨三查堂堡主兰焦笙壅 第二章车辆轮对检修线网络接口模块的设计方案 2 1 车辆轮对检修线的布局 由于本论文的研究是建立在襄樊北车辆段轮对检修工艺线实现了信息化改 造的基础上，因此网络接口模块的建立必须符合现场的实际情况。通过对轮对 检修工艺线的调查分析，得出车辆轮对的工艺布局及工作流程如图2 1 所示： 轴承 检测除锈磁探招探 1 2 一黼3 黼o ， 56 出轮口配轮蝴 g 8 7 出轮口配乾 图2 - i 车辆轮对的工艺布局及工作流程 从图中可以看出，根据检修线的工艺流程及需要采集信息量的多少，襄樊 北车辆段轮对检修线设置了1 2 个工作站点，分别负责如下任务： 1 、收轮入口工作站：由工人为轮对贴上特制的可反复使用的编码牌。同时 在站点计算机上输入该轮对的“收入基本情况”栏目及基本测量数据；工序控 制软件根据输入的数据决定是否需要送厂。 2 、轴承检测工作站：安装控制终端负责采集检测设备的输出结果并自动填 写5 1 c 的相应部分，决定是否需要退卸并输入一些确认数据和本人身份数据； 3 、轴承退卸工作站：安装控制终端负责输入一些确认数据和本人身份数据； 4 、车轴磁探工作站( 2 个采集点) ：安装控制终端负责采集检测设备的输出 结果并自动填写5 1 c 的相应部分及5 2 a 5 3 a 表并输入一些确认数据和本人身份 数据； 5 、车轴超探工作站( 2 个采集点) ：安装控制终端负责采集检测设备的输出 结果并自动填写5 1 c 的相应部分及5 2 a 5 3 a 表并输入一些确认数据和本人身份 数据； 6 、轮对镟修工作站( 2 个采集点) ：安装控制终端负责输入镟修数据和本人 4 一 茎堡墨王莶兰堡主堂壁! 垒壅 _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ 一一 身份数据； 7 、轮轴压装工作站：负责获取检测设备的输出结果并自动填写5 1 c 的相应 部分并输入一些确认数据和本人身份数据； 8 、轮轴磨合工作站：负责获取检测设备的输出结果并自动填写5 1 c 的相应 部分并输入一些确认数据和本人身份数据； 9 、出轮d i 作站：在计算机上显示台位配轮信息并由质检员确认后打出5 1 c 表格或向以太网传输。 2 2 网络接口模块设计的总体框架 2 2 1 检测设备数据采集终端的设计 为了能及时准确的采集轮对检修信息，以供网络接口模块来进一步处理，我 们应在轮对检修线主要工序关口设置工作站点完成轮对检修的信息采集。根据 襄樊北车辆段轮对检修线已经完成的信息化改造的系统来看，各工作站点的数 据采集可分为两种情况：一种是有些工作站点检修工序只能由人工获取数据； 另一种是工作站点的检测设备安装了计算机，数据直接传输到计算机上面。对 前一种情况，我们在这些站点设置p c 机，在规定的栏目直接输入检测数据，然 后通过计算机串口将数据传给网络接口模块，进而向以太网传递；对后一种情 况，直接将检测数据通过计算机并口导出，输入到数据采集终端，再通过网络 接口模块向以太网传递。具体的实现过程将在第三章中介绍。 2 2 2 常见的嵌入式in t o r n e t 技术实现方案 目前国际上使用先进的计算技术、电子技术和 i n t e m e t 技术，存在三种常用 嵌入式i n t e r a c t 技术的方案“1 。 1 、网关+ 轻量级设备网 嵌入设备2 图2 - 2 网关与轻量级设备网络 茎堡堡三查堂堡主堂焦堡塞一 从图2 2 可以看出该方案使用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 或r f 等轻量级总线将 嵌入式系统连接成简单的设备网络，再连接到一个网关设备上，网关设备是直 接连接到i n t e r a c t 的高性能计算机或处理器，使用t c p i p 协议与i n t e m e t 交换信 息，同时负责将设备网络上的信息转换为t c p i p 数据包。这里的网关设备相当 于一个代理服务器的角色。 这种方案可以解决各种嵌入式系统接入i n t e m e t 的问题。代理服务器的性能 一般比较高，可以同时和多个嵌入式系统相通信。因此，它特别适用于嵌入式 系统较多且相对集中的场合，这样不仅可以解决多台嵌入式设备的上网问题， 而且还可以通过分摊代理服务器的费用来降低每个接入点的接入成本。但这种 方案对过于分散的、需要重新布线的情况，花销就会很大，而且依靠网关进行 协议转换的软件和硬件成本也比较高。e m w a r e 公司提出的e m i t ( e m b e d d e d i n t e m e tt e c h n o l o g y ) 就是基于这种方案的一个典型应用。 2 、采用t c p f l p 专用芯片 该方案将m c u 应用系统和内部固化了t c p i p 协议的芯片相结合。m c u 应用系统借助于t c p f i p 专用芯片，通过直接拨号或者与以太网相连的方式接入 i n t - n e t ，硬件电路相对简单，无需其它中间环节的支持。但由于t c p i p 协议实 现比较复杂，没有一个专用芯片会实现所有的协议组，所以这些t c w i p 专用芯 片都有各自的局限性，并不一定符合用户的具体要求。另外每一个电子设备都 要申请一个口地址，面坪地址资源是有限的，使用时还要付费，成本较高。采 用这种方案的产品主要有s c e n i x s e m i c o n d u c t o r 公司的s x - s t a c k ，s e i k o 公司的 $ 7 6 0 0 a 和r a b b i t 公司的r a b b i t 2 0 0 0 芯片等。 3 、使用嵌入式操作系统 这种方案可以描述为：t c p i p 协议栈+ 嵌入式操作系统+ 高速1 6 3 2 位处理 器，其结构如图2 3 所示： 图2 - 3 嵌入式设备在嵌入式操作系统的基础上接入 在这种实现方案中，需要首先移植嵌入式操作系统，然后在此基础上运行 t c p i p 协议栈，从而实现嵌入式i n t e r n e t 。目前各类嵌入式操作系统很多，常见 6 墨竖堡三奎兰堡主堂堡堕壅 一 的有l i n u x 、v x w o r k s 、p a l m0 s 等。这些操作系统上都带有完善的t c p f l p 协议 栈，因此在实现上没有技术难点。但是，嵌入式操作系统的运行要占用大量的 资源，对硬件配置也有最低要求。大多数带有t c p i p 协议栈的操作系统往往要 求处理器的总线在1 6 位以上，处理速度不能太低，存储空间也要求在1 0 0 k b 以 上，所以本方案仅仅适合于系统资源丰富的高速1 6 3 2 位的嵌入式系统。这些要 求对8 位m c u 来说很难实现，这种方案也就不适合于低端廉价产品的应用，下 面将提出一种适合8 位m c u 的设计方案。 2 2 3 直接接入的实现方案 在前一节所提及的嵌入式i n t e r n e t 的实现方案中，对普通的8 位m c u 来说 都不适用。有的方案对资源的要求多，8 位m c u 无法胜任；有的方案需要添加一 些价格昂贵的辅助芯片，使得普通8 位嵌入式系统的成本大大提高。但经过分 析，考虑到轮对检修线传输的数据量不是很大，并不需要实现复杂、完整的 t c p i p 协议，以及为了节约成本，本系统中可以采用在8 位嵌入式系统中实现 直接接入的方案。如图2 4 所示： r 茌_ 天蔓莉妇匿j 图2 - 4 直接接入方案 在普通的8 位嵌入式系统上实现直接接入方案时，需要处理网络接口、接 收数据的分析、发送数据的封装等问题。 本方案省去了操作系统，这样不仅可以大大节约系统资源，还可以省去购 买嵌入式操作系统的费用。在外围设备上仅仅需要添加以太网控制器芯片，对 于数据流量不大的嵌入式应用系统，使用价廉的1 0 m 以太网控制器就可以了。 当然这种方案增加了开发难度，技术实现时需要对系统资源精打细算。本方案 是要自行实现复杂的t c p i p 协议，开发的难度较大，研发周期较长。但是，由 于是自己实现通信协议，就可以针对不同的系统采用不同的协议，这种灵活性 非常符合嵌入式系统可裁减和量身定做的特点。另外，对于研究m c u 系统接入 i n t e r n c t 的核心技术来说，也是一个不错的方案。一旦掌握了核心技术，就可根 据一些特定的应用，开发出专用的接入i n t e m e t 的通信产品供用户使用。 数据接收部分的基本任务是首先判断收到的数据包是否是自己的数据包， 茎堡望三查堂堡主兰垡堡苎 然后从不同协议的数据包中获取需求的信息，以此判定下一步所要采取的动作。 判断收到的数据包是否是自己的数据包可以从接收的数据帧的物理地址标识和 i p 地址标识来进行判断，这只是一些简单的逻辑比较，对处理器来说不成问题。 从不同协议的数据包中获取需求的信息首先要能够判别数据包的协议，其次要 熟悉协议的封装格式，从而进行不同的处理操作。这两方面是可以由处理器执 行多次判断来完成，判断的难度取决于协议的复杂程度。 处理器实现t c p i p 协议就是实现数据流的生成及解析工作。把一组数据发 送到基于t c p i p 协议的网络上，首先产生符合t c p i p 协议要求的数据格式， 然后按照一定规定发送到网络上去。一个标准的i e e e 8 0 2 3 以太帧的格式如表 2 1 所示： 表2 1 标准的i e e e 8 0 2 3 以太帧格式 网卡控制芯片可以在发送的物理帧上自动添加帧头、帧起始定界符及检验 和字段。因此处理器只需产生“目的物理地址+ 源物理地址+ 数据长度+ 数据区” 的数据流就可以了。我们可以采用“填充法”来快速形成数据流，“填充法”是 把相对固定的数据部分事先准备好( 如源物理地址等) ，然后把动态变化的部分 ( 如数据区) 填充进去。不同层的通信协议从处理器角度来看无非是数据区的不同 而己，可以用同样的方法进行封装。这种操作普通的8 位处理器完全可以胜任。 2 3 小结 本章首先介绍了当前实现嵌入式i n t e m e t 的几种常用方案，先给读者一个整 体上的认识，接下来的几章将介绍具体实施方案的技术实现，其中第三章以轴 承检测机数据采集终端的设计为例详细介绍了如何实现将轮对检测线上各检测 设备的检修信息传递给网络接口模块。第五章和第六章从硬件和软件两个方面 详细阐述了简化了的t c p i p 协议如何在嵌入式i n t e m e t 中的实现。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章检修信息采集终端的设计 在第二章中已经介绍轮对检修线各工作站点数据采集分两种情况，一种是直 接放置计算机采集数据，比较容易实现；另一种情况需要将数据通过计算机串 口向网络接口模块或打印机传递，对这种情况需根据不同设备设计不同的采集 终端，比较复杂。但只要设计出一种采集终端，可以依照此思路举一反三。本 章将以轴承检测机工作站为例，详细介绍轴承检修信息采集终端的设计。 3 1 数据采集终端的组成及工作原理 轴承检测机工作站传统的检测方法是将检测的数据通过自带的计算机并行 接口传输给打印机，再由打印机打出检测数据。如果要将数据进一步向网络接 口模块传递，可以在检测设备和网络接口模块之间，设置一个数据采集终端， 来截取接口数据，然后通过计算机串口向网络接口模块传递。 在本文所设计的数据采集终端中，为了便于后续论述，将检测设备所配计 算机称为源方，网络接口模块称为目标方。从源方和目标方的并行接口之间截 取检修数据，必须设计一个数据采集模块，将接收到的源方控制信号接收并存 储，并将相同的控制信号发送给目标方，待目标方收到数据并发回相应的状态 信号后，经过接口板回执给源方。这里可以使用一片m c s 5 1 单片机实现该接口 的模拟。使用中，可用i ，o 口设计并行接口电路与打印机并行口连接，读取传 输打印数据。并可通过串行口将得到的数据传递给网络接口模块，进行进一步 地处理。基于以上工作原理，采集终端主要由m c s 5 1 系列单片机、并行接口电 路、r s 一2 3 2 通信电路等组成。具体组成如图3 1 ： i 计鲥口h 一口档卜 萤 叫并行接口电路卜 打印机井口 片 l 看嗍啦卜 机 叫釉嶙+ l 图3 - 1 采集终端组成框图 3 2 并行接口电路模块的设计 采集终端的硬件设计主要难点是并行接口电路模块的设计，其它模块，比 如看门狗电路和r s 一2 3 2 通信电路的设计，其设计技术已经非常成熟，在这里仅 9 武汉理工大学硕士学位论文 给出并行接口电路模块的设计。该模块的设计主要实现以下功能： ( 1 ) 数据截取：将源方的数据截取至单片机： ( 2 ) 数据存储：将截取的数据存入片外扩展的数据存储器中； ( 3 ) 数据发送：将截取的数据发送给目标方。 3 2 1 数据的截取、发送 数据的截取和发送模块的电路设计原理基本相同，只是数据的控制方向不 同而已，因此在一个小节里介绍。 该模块在计算机和网络接口模块之间相当于一个数据中转站。对计算机而 言，该模块是对网络接口的模拟；对网络接口模块而言，该模块是对计算机接 口的模拟，因此，该模块在数据传输过程中扮演双重身份。笔者使用一片8 9 5 1 单片机及其外围电路实现该接口的设计，电路设计见图3 - 2 。 图3 - 2 数据截取、发送电路图 8 9 5 1 单片机具有4 x 8 位并行i 0 口及一个串行口。设计中，可以用i oe l 与计算机和打印机的并行口连接，读取打印数据；并可通过串行口将得到的数 墓堡里三查兰堡主兰堡垒苎 据传递给网络接口模块，进而向车辆段以太网传输。其中，单片机上的p 0 口用 于读入写出打印接口的控制信号和状态信号，p 1 口用于读入写出打印接1 3 的 数据信号，p 2 口用于并行扩展外围电路。在设计中要注意的一点是，数据的截 取和发送应是分开进行的，即在截取数据时应禁止数据的发送工作，反过来也 是一样。因此在电路中决定采用s n 7 4 h c 2 4 5 芯片，s n 7 4 h c 2 4 5 是一种8 位双向三 态缓冲器，广泛应用于微机接口电路，它由1 6 个d 锁存器组成。其中，8 个d 锁存器是数据正方向传送( 自4 向曰传送) ，8 个锁存器是数据反方向传送( 自b 向4 传送) 。它有两个控制端：一是允许端( e n a b l e ) g ，也就是器件选择端， 只有允许端g = o ，数据才能左右传送；二是方向选择端曰一一，当b a = l 时， 数据从a 向曰传送；当b a = 0 时，数据从口向4 传送；真值表如表3 一l 所示。 这样就可以实现有控制性的数据方向传送。在p o 口连接的两个s n 7 4 h c 2 4 5 芯片， 允许端6 之间接个s n 7 4 h c 0 4 反相器，从而始终只能选中一片s n 7 4 l l c 2 4 5 芯片来 进行数据传送，p i 口连接的两个s n 7 4 h c 2 4 5 芯片也是一样的原理瑚。 g丑一4功能 ll 由b 向a 传送 lh 由一向b 传送 h 任意高阻 表p l 洲7 4 2 4 5 真值表 3 2 2 数据的存储 截取到数据后需要及时的存储下来再发送给打印机和网络接口模块，因为 8 9 5 1 的可用片内r a m 只有1 2 8 b ，存储起大量数据来根本不够，所以必须扩展片 外数据存储器。在电路设计中，笔者采用h m 6 2 2 5 6 芯片，2 5 6 k b 静态r a m 。8 9 5 1 中，p 0 口除了做数据总线a d o a d 7 外，还要兼做低8 位地址总线 a d r 0 a d r 7 。1 6 位地址总线由p 2 口和p 0 口提供。由于p 0 口数据、地址线 复用，做低8 位地址线时要由锁存器将地址锁存，由a 墟提供地址锁存信号。 因此在电路中加入了s n 7 4 f 5 7 3 芯片，8 位地址锁存器。 数据存储电路图如图3 - 3 ： 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 采集终端的软件实现 3 3 1 主程序 主程序利用指示灯显示检查程序运行是否正常。采集终端软件的设计应在 基于硬件的基础上严格按照打印机接口时序图和网络接口模块的要求来编写， 掌握好程序中信号发送接收的次序问题。软件采用m c s 5 1 单片机汇编语言编 写。它包括以下子程序：( 1 ) 中断服务程序：接收从计算机传来的数据并存储， 中断服务程序流程图如图3 - 4 所示。( 2 ) 串口发送子程序：将从计算机截取的数 据通过串口发送给网络接口模块，并校验发送是否正确；主程序流程图如图3 - 5 所玳 再面 ：量匈 压五面_ 开中断并结束 图3 4 中断服务程序 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 5 主程序流程图 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 3 串口发送子程序 串口发送子程序主要完成将从计算机截取来的数据通过串口发送给网络接 口模块的任务，程序流程如图3 - 6 所示。 由于在数据通讯中，往往一次要传输较多的数据，如何保证数据传送的正 确性十分重要，因此在数据传送过程中常伴随数据校验。通常，单片机数据通 信中的校验方法有奇偶检验法、累加和校验及循环冗余检验。与其他校验方法 比较，累加和校验具有方法简单、结果可靠的优点。本系统中，笔者选用累加 和检验的方式来保证数据传输的准确性。 图3 - 6 串口发送子程序流程图 3 4 小结 本章首先介绍轴承检测信息采集终端的工作原理，然后从硬件构成和软件 设计两个方面具体介绍了数据采集终端的设计。在该采集终端的软件调试中， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 因要掌握好打印机的信号时序问题，所以在软件编写中要注意延时处理，笔者 经过多次修改并调试才最终确定。只要根据该采集终端设计的思路，举一反三， 那么设计其它工作站点的检修信息采集终端就比较简单了。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章t o p i p 协议简介 4 1 t c p ip 协议的分层结构 t c p 是t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( 传输控制协议) 的缩写，i p 是i n t e m e t p r o t o c o l ( 网际协议) 的缩写，它们是使计算机能互相通信的一组协议中的两个 重要协议，通常就用t c p i p 来代表这一组协议，协议是用于通信的一个规则或 标准，由计算机传送数据时使用，保证i n t c r n c t 上数据的准确快速传输。目前 t c p t i p 有两种模型：七层开放系统互连模型和四层美国国防部网络( d o d ) 模型。 本文采用后者，一种简化的四层模型，分别为：应用层、传输层、网络层、链 路层3 “。表4 - 1 为其分层结构： 层主要协议 应用层 f t pt e l n e ts m t ph t t p 传输层 t c pu d p 网络层坪a l 啦r a r pi c m p 链路层接口层协议 表4 - 1t c p i p 协议分层 链路层；有时也称作数据链路层或网络接口层，定义计算机怎样连接网络， 数据必须通过对网络的连接才能传出去，它提供物理介质( 如网卡芯片) 与单片机 的接口，将原始数据转换成上一层能识别的逻辑帧。 网络层：负责处理从原发送方到目的地报文地址和路由信息。以便让信息 可以发送到相邻的t c p i p 网络上的任意主机上。坤协议就是层中传送数据的机 制。这一层使用的主要协议还有地址转换协议、反向地址解析协议、网际控制 报文协议和i n t o r n e t 组管理协议。 传输层：主要为两台主机上的应用程序提供发送端到目的端的通信。这一 层的协议有两个，基于可靠传输的传输控制协议和不可靠传输的用户数据报协 议。 应用层：负责对接收的数据提供解释服务。对嵌入式系统来说两个重要的 协议是超文本传输协议和文件传输协议。超文本传输协议用于将文件从一个主 机传送到另一个主机，并在请求方主机上显示文字、文件；文件传输协议用于 将文件从一个主机传送到另一个主机，并将文件存在发出请求的主机内。它传 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 送的只是一个拷贝，不是原文件。其它的协议还有远程登陆、简单邮件传送协 议、简单网络管理协议等。 4 2t c p i p 协议的封装和分用 t c p i p 协议采用分层结构，实现也采用分层实现的方法。在实现的过程中 首先要了解封装和分用的概念。 4 2 1 什么是封装 t c p i p 协议的封装也称为t c p i p 协议的打包，当应用程序用t c p 传送数 据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入 网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息( 有时还要增加尾部信 息) ，这个过程称作封装 1 4 】。如图4 1 所示： 1 丝塑l 广r l 竺! 蔓竺l 竺! 兰塑lu d p 报文 i p 首部 f i p 数据 i i p 报文 i 堕堇! l坠查! 竺鍪塑 l 竖里竺i 以太网帧 图4 1 数据向以太网发送时的封装过程 4 2 2 什么是分用 分用过程如图4 - 2 所示： 根据 应用程枣 鹿禺程枣 瘦用程序 图4 - 2 以太网数据的分用过程 以太网帧要检查首部中的帧类型字段，i p 要检查首部中的协议值字段，t c p 1 7 分 一 一 号 一 一 日 一 一 端 一 一 舅 撤分 一 般鼢 一 j 罄 一 ? 孝 一 娜 一 一以一孵枇 和u d p 要检查首部中的端口号字段来确定数据属于哪一层，这个过程称作分用。 t c p i p 协议的分用也叫做t c p i p 协议的解包，当目的主机收到一个以太网数据 帧时，数据就开始从协议栈底层向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。 4 。3t o p i p 协议数据报的格式 各种通讯协议都有自己的报文格式，t c p i p 也不例外，它也有自己独特的报 文格式。对t c p i p 协议编程，首先要清楚其报文格式。由于t c p i p 协议采用 分层结构，各层都有专用的报头，下面就由底向上依次介绍以太网下t c p i p 各 层报文格式【1 ”。 4 3 1 、以太网帧格式 以太网帧格式见表4 - 2 所示： 字段同步位分隔位目的地址源地址类型数据段填充位 f c s 位 5 684 8 4 81 6 1 2 0 0 0 可选 3 2 表4 _ 2 以太网帧格式 同步位：用于收发双方的时钟同步，由网卡控制器自动添加。 分隔位：表示下面跟着的是真正的数据，由网卡控制器自动添加。 目的地址：接收端的网卡地址，4 8 位，表明该帧传输给哪个网卡。 源地址：发送端的网卡地址，4 8 位二进制数，表明该帧的数据是哪个网卡 发的。 类型：表明该帧的数据是什么类型的数据，不同协议的类型不同。 数据段：指发送的数据，不能大于1 5 0 0 字节，大于上层要将其分片。 填充位：指如果以太网传输的数据包小于4 6 字节要补0 。 f c s ：是校验位，4 个字节，由芯片自动生成。 所有数据位的传输都由低位开始，传输的位流采用曼彻斯特编码，以太网 的冲突退避算法由硬件自动执行。 4 3 2 a r p 地址解析报文格式 a r p ( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l 的缩写) 地址解析协议报文格式见表4 啊3 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 字 以太网硬件协议硬件地协议地发送端发送目的以太目的i p 段首部类型粪型址长度址长度0 p以太网端i p 网地址地址 地址地址 位 1 61 61 6881 6 4 83 24 83 2 表4 - 3 地址解析报文格式 以太网报头中的前两个字段是以太网的源地址和目的地址。目的地址为全1 的特殊地址是广播地址。电缆上的所有以太网接口都要接收广播的数据帧。 帧类型表示后面数据的类型。对于a r p 请求或应答该字段的值为0 x 0 8 0 6 。 硬件类型字段表示硬件地址的类型。它的值为1 即表示以太网地址。 协议类型字段表示要映射的协议地址类型。它的值为0 x 0 8 0 0 即表示i p 地址。 它的值与包含m 数据报的以太网数据帧中的类型字段的值相同。 硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度，以字 节为单位。对于以太网上m 地址的a r p 请求或应答来说，它们的值分别为6 和 4 。 操作字段o p 指出4 种操作类型，a r p 请求o p 值为1 、a r p 应答o p 值2 、 r a r p 请求o p 值为3 和r a r p 应答o p 值为4 。 对于一个a r p 请求来说，除目的端硬件地址外的所有其它的字段都有填充 值。当系统收到一份目的端为本机的a r p 请求报文后，它就把硬件地址填进去， 然后用两个目的端地址分别替换两个发送端地址，并把操作字段置为2 ，表明是 应答报文，最后把它发送回去。 4 3 3 、i p 网际控制报文格式 是一种不可靠的无连接数据报协议，不提供差错检验或纠错。i p 数据报文 格式见表4 4 所示： 版首部 服务总长标标片偏生存协 本长度类型 度识志移时间议 头校源i p目的i p 选数 矍翌垫竺些竺堡塑 1 63 2 3 2 表4 - - 4 i p 网际控制报文格式 普通的i p 首部长为2 0 个字节，如果包括选项字段可达6 0 字节。 本文用的i p 协议版本号是4 ，因此有时i p 也称为i p v 4 。 酋害e 长度指的是首部占3 2 位字的数目，包括任何选项，由于它是4 b i t 字段， 武汉理工大学硕士学位论文 因此首部最长为6 0 字节。 用单片机实现t c p i p 协议要作一些简化，不考虑数据分片和优先权。因此， 不讨论服务类型和标志偏移域，只需填0 即可。 总长度以字节为单位，表示整个数据报长度，包括首部和长度。 标识是数据包的m 号，用于识别不同的m 数据包。 生存时间t t l 是个数量级的概念，防止无用数据包一直存在网络中。一般 每经过路由器时减1 ，因此通过t t l 可以算出数据包到达目的地所经过的路由 器个数。 协议字段表示创建该数据包的高级协议类型。如6 表示t c p 协议，1 7 表示 u d p 协议等。 i p 数据包为简化数据转发时间，仅采用头校验的方法，数据正确性由高层 协议保证。 源口地址指发送方i p 地址；目的妒地址指接收方的地址。 选项指数据报中一个可变长的可选信息，以3 2 位作为界限，必要的时候插 入值为0 的填充字节。保证p 首部始终是3 2 位的整数倍。这是首部长度字段所 要求的。 4 3 41 0 m p 报文格式 i c m p ( 是i n t e m e tc o n t r o c o lm e s s a g ep r o t o c o l 的缩写) 报文分为两大类，差错 报告报文和查询报文。经常被认为是口层的一个组成部分，它传递差错报文以 及其它需要注意的信息。i c m p 报文首先要封装成口数据报然后再传递给下一 层。报文的格式见表斗5 所示： 8 位类型 8 位代码1 6 位校验和 不同类型和代码有不同的内容 表4 - 5 i c m p 报文格式 所有报文的前4 个字节都是一样的，但是剩下的其他字节则互不相同。类 型字段可以有1 5 个不同的值，以描述特定类型的i c m p 报文。有些i c m p 还使 用代码字段的值来进一步描述不同的条件。检验和字段覆盖整个i c m p 报文。 i c m p 的检验和是必须的。本课题只需要用到i c m p 报文的目的站不可达、回送 请求和应答报文，所以只介绍这两种格式“。目的站不可达报文的格式见表4 - 6 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 类型3i 代码肛1 5 校验和收到i p 一部分包括口首部及前8 个字节 表4 - 6 目的站不可达报文格式 查询报文是成对出现的，常见的回应请求与应答报文格式见表禾7 所示： 字段i 类型8 或0 代码授验和标识符序号可选数据 位i 881 61 61 6 由请求报文发送，由应警报文重复 表年7 回应请求与应答报文格式 类型0 为回应应答报文，8 为回应请求报文。整个数据包均参与检验。注意 i c m p 封装在i p 数据报里传送。 4 3 5 u d p 用户数据报协议格式 o d e ( 是u s e r d a t a g r a m p r o t o c o l 的缩写) 是一个简单的面向数据报的传输层 协议：进程的每个输出操作都正好产生一个u d p 数据报，并组装成一份待发送 的口数据报。这与面向流字符的协议不同，如t c p 协议。应用程序产生的全体 数据与真正发送的单个口数据报可能没有什么联系。u d p 数据报封装成一份d 数据报的格式。u d p 不提供可靠性：它把应用程序传给口层的数据发送出去， 但是并不保证它们能到达目的地。应用程