基于dsp和以太网的数据采集系统软件设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于dsp和以太网的数据采集系统软件设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

3。 46 结 论 48 致 谢 49 参考文献 50 附录 1 51 附录 2 53 西南科技大学本科生毕业论文 V 引 言 随着计算机技术、电磁兼容技术、传感器技术和信息技术的飞速发展和普及，数据采集与处理系统也越来越得到了广泛的应用。 信息采集系统不断发展成熟并越来越多的应 用 到工业生产中，其应用范围也在不断的发展扩大，并对于企业生产经营决策起到越来越举足轻重的作用。 例如：在生产过程中，应用这 一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低生产成本提供信息和手段；在科学研究中，应用这一系统可获得大量的动态信号，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获得科学奥秘的重要手段之一。 总之，不论在哪个应用领域，数据采集与处理越及时，工作效率、性能价格比就越高，取得的经济效益就越好。 以 DSP 为核心的嵌入式系统市场这几年发展一直很快。 而随着 以太网接口控制器和 DSP 微处理器的价格不断下降，使得将以太网直接集成到基于 DSP 等嵌入式系统的测试、采集、工业 I/O 设备中成为越来越明显的趋势。 基于以太 网的 I/O 设备是将以太网接口直接嵌入到设备内部，所以使得设备更简洁，体积更小，安装也更灵活。 和一些目前应用于工业的其它通信方案比较，以太网方式通常需要功能更强大的微处理器和更大的内存。 而网络和计算机技术的发展，特别是 DSP 技术的应用，可以大大降低这方面的成本。 从实际来看， 设计基于 DSP 的以太网处理系统，可以很好地实现远程的数据传送和处理。 在此基础上，也可以将其作为其于 DSP 和以太网的网络测试平台开发过程中的调试工具，从而加速把以太网集成到测试、采集和工业 I/O 仪器中的开发进程。 从 应用 工业应用来看，以太网的应 用可以大大提高劳动效率，能够让仪表在一些危险的环境下取代人力工作，而得到的数据与结果比人工现场工作的结果更加科学，精确。 通过毕业设计 我们能够 学到了很多东西，毕业设计其实就是对四年大学学习的一个综合，它要求把所学的知识灵活的运用。 并能够很好的利用各种资源来完成设计的需要。 对于我所选择的这个题目，有利于提高我的专业知识和实践能力，对于即将进入工作岗位的我来说，无疑是一次好的很好的锻炼机会，同时，本课题也具有非常强的实际价值和市场潜力。 西南科技大学本科生毕业论文 1 第 1 章 绪论 概述 本课题研究的背景及依据 随着 PC 市场已趋于稳定，嵌入式系统市场的发展速度却正在加快的现在，据有关统计数据表明，嵌入式系统产品的应用已超过整个计算机应用的 40%。 全世界嵌入式系统产品潜在的市场将超过 1 万亿美元。 嵌入式系统产品隐含了巨大的商机。 而随着 DSP 微处理器的价格不断下降 ，低功耗、高性能的 DSP 逐渐取代了通用单片机在数据采集处理系统中的地位，而且已经有了很大的的市场和发展前景。 以 DSP 为核心的嵌入式系统市场这几年发展一直很快。 由于它具有小巧、低功耗、高性能等特性，所以非常适合那些运算量大，对外型有个性要求的嵌入式产品。 例如，在工业 中的应用。 特别是在生产和科研领域对测试的要求越来越高，所需测试和处理的数据量也越来越巨大，有时需要多个测试仪器同时进行测试，各测试仪器之间又需要进行数据交换；而且测试领域也越来越广泛，有些现场不适合工作人员亲临，这时就需要通过网络进行控制。 因此基于 DSP 和以太网的数据处理系统的设计思想及实现有了很广泛的应用和发展前景。 而随着 以太网接口控制器和 DSP微处理器的价格不断下降，使得将以太网直接集成到基于 DSP等嵌入式系统的测试、采集、工业 I/O设备中成为越来越明显的趋势。 基于以太网的 I/O设备是将以太网接口直接 嵌入到设备内部，所以使得设备更简洁，体积更小，安装也更灵活。 和一些目前应用于工业的其它通信方案比较，以太网方式通常需要功能更强大的微处理器和更大的内存。 而网络和计算机技术的发展，特别是 DSP技术的应用，可以大大降低这方面的成本。 本课题研究的意义 从实际来看， 设计基于 DSP和以太网数据采集系统，可以很好地实现网络的传输。 在此基础上，也可以将其作为其于 DSP和以太网的网络测试平台开发过程中的调试工具，从而加速把以太网集成到测试、采集和工业 I/O仪器中的开发进程。 从应用 工业应用来看，以太网的应用可以 大大提高劳动效率，能够让仪表在一些危 西南科技大学本科生毕业论文 2 险的环境下取代人力工作，而得到的数据与结果比人工现场工作的结果更加科学，精确。 所以设计一个 基于 DSP和以太网数据采集系统 是非常有实际的意义的。 本课题研究的主要内容 根据所 设计的以太网控制器与网络的接口硬件电路编写驱动控制程序。 根据所设计 DSP与以太网控制器的连接电路编写 DSP和以太网的初始化程序。 软件实现嵌入式 TCP/IP 协议。 使用 C 语言在 DSP 开发环境下编写程序实现经过选择优化的 TCP/IP 协议。 根据所设计子程序及设计要求编写网络传输 主程序实现设计要求。 根据扩展需要实现 AD 转换，为多样信号采集和处理打下基础。 本课题的关键问题及解决方案 本课题的关键问题 在本系统的软件设计过程中，应该充分利用硬件资源及开发工具，使代码达到所期望的性能，并且在 DSP 嵌入式系统的基础上集成已经封装的 TCP/IP 协议栈，增加网络连接代码。 由于 DSP 系统硬件以及以太网协议的复杂性，本系统中的软件编程是一个难点。 解决方案 针对关键问题我们提出了一些解决方案，由于在很多应用中要求 DSP 不停下来，而需要从主机中实时地读取数据或 者向主机实时地输出数据。 同时因为本系统的软件结构较为复杂，故应采用模块化、由顶向下、逐步细化的结构化程序设计方法。 这一方法可节省软件工作量、提高工作效率。 下面对解决方案做简要的介绍。 控制程序： 利用 VB 来编写控制程序从而实现本系统与计算机的通信。 DSP 和以太网的初始化程序： 基于 DSP 的以太网通信过程，实质就是 DSP 对 RTL8019AS 中各种寄存器进行编程控制，在实现程序功能之前必须对 DSP 和 RTL8019AS 进行初始化，只有初始化后才能够继续进行程序的连续运行。 其中 RTL8019AS 复位初始 化后，应对其中的部分寄存器进一步初始化，然后才能发送数据或接收数据。 而 DSP 的初始化主要就是对其各种资源进行初始化，以实现资源的利用。 西南科技大学本科生毕业论文 3 软件实现嵌入式 TCP/IP 协议： 网络协议是网络通信的基础 ,特别是 TCP/IP协议簇已成为当今计算机间最常用的网络通信标准，是全球互联网 (Inter)的基础。 很多不同型号的计算机，运行完全不同的操作系统，但 TCP/IP协议簇却允许它们之间相互通信， TCP/IP协议簇的作用极其重要 ,在现代信息社会中的作用已经超出了原来期望成为网络通信的重要组成部分 ,发挥着越 来越大的效能。 在这里程序的设计对于 TCP/IP协议簇的应用时非常关键的，只有对 TCP/IP协议簇有了较深的认识和了解，才能够很好的实现网络通信，从而实现 DSP的以太网传输。 因此对于 TCP/IP协议簇的认识和编程，对设计具有重要的意义 以太网接口驱动： 以太网接口驱动的开发包括 RTL8019AS的初始化对 RTL8019AS内部缓存区的读写操作两个方面。 初始化过程首先对 RTL8019AS 进行硬件复位和软件复位然后在 0页寄存器中设置接收发送状态配置以及发送缓存区的启始页与接收缓存区启止页地址 在 1页寄存器中写入以太网接口的 MAC地址和组播地址。 局域网与系统的数据交换利用 RTL8019AS内部的双端口 RAM作为缓存，局域网与内部 RAM 的数据交换通过本地来实现。 DSP系统对以太网帧的读写操作通过对内部 RAM进行远程 DMA操作来实现。 RTL8019AS工作流程非常简单，控制程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令， RTL8019AS会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输。 反之， RTL8019AS收到物理信号后将其还原成数据，按指定格式存放在芯片 RAM中以便 DSP程序取用。 RTL8019AS在这里的主要功能是对运输层通信协议的实现。 AD转换： AD转换实现了模拟信号的采样和信号的数字化，从而为实现各种信号的采集和处理打下了基础。 为设计能够运用到各个领域创造了条件。 在本次设计中我们仅对 AD转换做一些介绍，而对于信号的处理这里就不再说明，针对以后具体信号再做具体的分析。 国内外研究现状及趋势 在信息时代的今天， Inter 技术将不会仅仅局限于人与人 (或团体 )之间信息的交流。 例如 Email, WEB 浏览等，或者仅仅停留在企业与企业及与个人在商务 西南科技大学本科生毕业论文 4 方面的信息交上，例如电子 商务 ebusiness 等， Inter 技术将会深入到人们日常生活和工作的电子设备中，而且势不可挡，随着 IA(信息电器 )的出现，嵌入式网络技术正逐步取代传统的以 PC 为中的应用，成为未来 Inter 发展中的主力军，将会广泛应用于智能家居系统、工业智能化站系统、 LED 网络控制显示屏系统、网络安全加密系统等各个领域的各个方面。 各国信息界仁都在密切关注并积极研究电子设备与 Inter 的连接问题。 DSP 芯片是专门为实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器，其卓越的性能、不断上升的性价比、 日渐完善的开发方式使其应用越来越广泛。 将计算机网络技术引入以 DSP 为核心的嵌入式系统，使其成为数字化、网络化相结合，集通信、计算机和视听功能于一体的电子产品，必将大大提升DSP 系统的应用价值和市场前景。 ―基于 DSP 和 以太网 数据采集 系统 ‖的研究工作解决了以 DSP 为核心的处理系统与 Inter 的连接问题，为 DSP 设备的应用开辟了更为广阔的前景。 本章小结 在本章中，主绍介绍了基于 DSP 和以太网 数据采集 系统的毕业设计的背景和依据，同时结合设计的现实意义及设计中的关键问题做了一些简单分析，从而提出 了简要的解决方案。 做了有意的探索。 此外，对所设计课题的现状和趋势也做了必要的调查和了解，看到了它的潜在价值、意义和巨大的市场。 西南科技大学本科生毕业论文 5 第 2 章 网络协议概述及规范 本章主要讨论我们将要实现的网络协议 TCP/IP 协议簇中一些相关协议的基本理论和概念，它们的具体实现形式这章不做进一步的说明，待后续章节中再讨论，本章是我们进行毕业设计网络传输的理论基础和行为规范，对设计圆满完成起着重要的作用。 概述 引言 网络协议是网络通信的基础 ,特别是 TCP/IP 协议簇已 成为当今计算机间最常用的网络通信标准，是全球互联网 (Inter)的基础。 很多不同型号的计算机，运行完全不同的操作系统，但 TCP/IP协议簇却允许它们之间相互通信， TCP/IP协议簇的作用极其重要 ,在现代信息社会中的作用已经超出了原来期望成为网络通信的重要组成部分 ,发挥着越来越大的效能 [4]。 网络协议的分层 在计算机网络中要想做到有条不紊的交换数据 ,就必须遵守一些事先约定好的规则 ,这些规则或标准就是网络协议。 网络协议通常分不同层次，每一层分别负责不同的通信功能。 不同的协议簇就有不同 的层次划分， 我们这次设计采用 TCP/IP协议簇。 TCP/IP 协议 通常被认为是一个四层协议系统。 每一层负责不同的功能 : 链路层。 有时也称作数据链路层或网络接口，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。 在发送数据时，数据链路层的任务是将在网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻接点间的链路上传送以帧为单位的数据。 网络层。 有时也称作互联网层，负责为分组交换网上的不同主机提供通信。 网络层在处理分组在网络中的各种活动，例如分组的选路。 在 TCP/IP 协议簇中，网络层协 议包 IP 协议 (网际协议 )， ICMP 协议等。 运输层。 主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 在 TCP/IP 协议簇中，有两个互不相同的传输协议 :TCP(传输控制协议 )和 UDP(用户数据报协议 )。 TCP 为两台主机提供高可靠性的数据通信。 它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最 西南科技大学本科生毕业论文 6 后确认分组的超时时钟等。 由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。 UDP 则为应用层提供一种非常简单的服务。 它只是把称作数据报的分组从一台主机发送 到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。 任何必需的可靠性必须由应用层来提供。 本课程设计采用了 UDP 用户数据报协议。 应用层。 负责处理特定的应用程序细节。 几乎各种不同的 TCP/ IP 实现都会提供下面这些通用的应用程序 : Tel 远程登录、 FTP 文件传输协议、 SMTP 简单邮件传送协议、 SNMP 简单网络管理协议 [4]。 协议规范 地址解析协议 (ARP) 以太网上数据的传输是采用网络的 MAC 地址来进行识别的，这就要求系统有实现 IP 地址到 MAC 地址的转换的功能，即 ARP(地 址解析协议 )。 系统要同其它计算机通信，需要根据 IP 地址获得 MAC 地址，就必须要支持 ARP 协议。 在 ARP 背后有一个基本概念，那就是网络接口有一个硬件地址 (一个 48 bit 的值，标识不同的 Ether 或令牌环网络接口 )。 在硬件层次上进行的数据帧交换必须有正确的接口地址。 但是， TCP/IP 有自己的地址，即 :32 bit 的 IP 地址。 知道主机的 IP 地址并不能让内核发送一帧数据给主机。 内核 (如 Ether 驱动程序 )必须知道。