1、毕业设计（论文）论文题目：基于网络的数据采集系统 摘 要“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，在由计算机进行存储、处理、显示或打印相应的系统称为数据采集系统。本文简要介绍了嵌入式TCP/IP协议单片机在网络通信中的数据传输技术。将TCP/IP协议嵌入到单片机中， 借助网卡芯片ZNE-100 实现了单片机在局域网内和通过局域网在因特网上的数据传输。用户终端以单片机系统板为媒介，通过网络与远程数据终端实现数据通信。 关键词：TCP/IP协议 单片机 因特网 局域网 网卡芯片ABSTRACT“Data Acquisition“ refers to the tempera
2、ture, pressure, flow, displacement, such as analog-digital conversion acquisition, by the computer storage, processing, display or print the corresponding system known as the Data Acquisition System.This paper introduces the embedded TCP / IP protocol SCM in the data communications network transmiss
3、ion technology. Will be TCP / IP protocol embedded in the microcontroller, with chip card ZNE - 100 realization of the SCM in LAN and through LAN Internet data transmission. User terminals to SCM system board for the media, through the network and remote data terminals for data communications. Key w
4、ords: TCP / IP microcontroller Internet LAN card chipI目 录第一章 绪 论 .11.1 数据采集的意义 .11.2 数据采集系统的基本功能 .21.3 本文研究内容 .3第二章 基本原理及方法 .42.1 基本原理 .42.2 TCP/IP 协议 .6第三章 论文（设计）的主要研究方案 .103.1 研究内容 .103.2 拟采用的研究方法及主要措施 .10第四章 总 结 .25参考文献 .26致谢 .271第一章 绪 论1.1 数据采集的意义 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，在由计算机进行存储、处理、显
5、示或打印相应的系统称为数据采集系统。到目前为止，Internet 技术主要用于信息的交流 . 如 E - mail 、Web 浏览等，即使是 Internet 技术的进一步应用，如电子商务 e - business ，也仅仅停留在企业与企业或与个人在商务方面的信息交换上. 因此，通常我们对 Internet 的理解也一直停留在这个观念上. 这其实是一种狭隘的理解，它在很大程度上制约了人们从其它领域去获得与人们工作和生活密切相关的重要信息. 如从一些电子设备中采集信息并去控制它们。设想一下:当我们假日外出旅游前，通过网上可以查到某一城市的某一地区或某一个公园及山顶是天晴还是下雨、那里的温度、湿度
6、、及污染指数又该是多么方便呢? 还有智能公路:交通管理、车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务；水、电、煤气表的自动抄表，安全防火、防盗系统；等等 1。要做到这些并不很难， 在电子技术、传感技术已经高度发达的今天，现场数据的取得，已经不是难事. 温度、压力、湿度、速度、加速度、电流、电压这些数据只需要一个小小的单片机(MCU) 就可以解决。若能将单片机系统连上 Internet ，则可以获得更大程度的信息交流。如何让这些电子设备跟 Internet 连接起来，以便人们能够远程获得这些电子设备的信息并控制它们的运行，已成为今天国内外共同关注的焦点 2。随着电子信息技术的高速发展，通过软件方式或硬
7、件方式将2TCP(UDP)/IP 协议嵌入到单片机已经成为可能， 网络化智能化的单片机，网络智能化的传感器，是目前国内外竞相抢占制高点的前沿技术之一 3. 数据采集系统性能的好坏，主要取决它的精密和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。1.2 数据采集系统的基本功能由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有一下几方面的功能：数据采集计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样。数字信号和开关信号不受周期的限制，当这类信号到来时，由相应的程序负责处理。模拟信号处理模拟信号是指随时间
8、连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个变量到另一个变量时中间没有间断，如正弦信号 x(t)=Asin(t+)。数字信号处理数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是 0 就是 1，这就可由脉冲的有无来体现。数字信号的特点是，他只代表某个瞬间的量值，不是连续的信号。开关信号处理开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关和继电器触点等。开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。二次数据计算通常把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据称为二次数据
9、。二次数据计算主3要有：平均值、累计值、变化率、差值、最大值和最小值等。屏幕显示CRT 显示装置可把各种数据以方便于操作者观察的方式显示处于来，屏幕上显示的内容一般称为画面。常见的画面有：相关画面、趋势图、模拟图、一览表等。数据存储数据存储就是按照一定时间间隔，定期将某些重要数据存储在外部存储器上。打印输出打印输出就是按照一定时间间隔或认为控制，定期将各种数据以表格或图形的形式打印出来。人机联系人机联系是指操作人员通过键盘或鼠标与数据采集系统对话，完成对系统的运行方式、采集周期等参数的设置。此外，还可以通过它选择系统功能、选择输出需要的画面等 4。1.3 本文研究内容本文简要介绍了嵌入式 TC
10、P/IP 协议单片机在网络通信中的数据传输技术。将 TCP/IP 协议嵌入到单片机中， 借助网卡芯片 ZNE-100 实现了单片机在局域网内和通过局域网在因特网上的数据传输。用户终端以单片机系统板为媒介，通过网络与远程数据终端实现数据通信。研究的系统机构框图如下：单片机 网卡芯片 PC 机端接收 数据Internet 网络4图 1.1第二章 基本原理及方法2.1 基本原理实现单片机系统接入Internet 这一构想的开销并不大，因为现有的互联网设施已为我们提供了现成的中间传输媒介。只需将单片机和这些中间传输媒介连接上就可使系统接入Internet 。要将单片机系统接入Internet 必需做好
11、两方面的准备: (1) 在硬件上，要给系统主控器单片机加一个网络接口； (2) 在软件上，要提供相应的通信协议。当给一个系统配上一个以太网卡芯片，并提供 TCP/ IP 协议和IEEE802. 3 协议时，这个系统就可以通过以太网上 Internet 。同理，如果给系统配上一个 DTE/ DCE 接口设备，并支持 TCP/ IP 协议和PPP 协议，它就可通过 Modem 上网；如果一个系统配上一个具有无线收发功能的网络接口(RF) ，并支持 TCP/ IP 协议和 IEEE802. 11 系列协议，那么它也能通过无线方式上网。由此看来，要将单片机系统接入 Internet 的关键是如何实现网
12、络接口，以及提供相应的网络协议 5。要实现通过 Internet 采集数据必须实现数字信号和模拟信号之间的转换，我们处在一个数字时代，而我们的视觉、听觉、感觉、嗅觉等所感知的却是一个模拟世界。如何将数字世界与模拟世界联系在一起呢？正是模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC)大显身手之处。任何一个信号链系统，都需要传感器来探测来自模拟世界的电压、电流、温度、压力等信号。这些传感器探测到的信号量被送到放大器中进行放大，然后通过 ADC 把模拟信号转化为数字信号，经过处理器、DSP 或 FPGA 信号处理后，再经由 DAC 还原为模拟信号。所以 ADC5和 DAC 在信号链的框架中起着桥梁
13、的作用，即模拟世界与数字世界的一个接口。一个信号链系统主要由模数转换器 ADC、采样与保持电路和数模转换器 DAC 组成，简单来讲就是数字信号输入，模拟信号输出，即它是一种把数字信号转变为模拟信号的器件。以理想的 4 bit DAC 为例，其输入有 bit0 到 bit3，其组合方式有 16 种。使用 R-2R 梯形电阻的4bit DAC 在假定 Vbit0 到 Vbit3 都等于 1V 时，R-2R 间的四个抽头电压有四种，分别为 V1 到 V4。采样保持电路也叫取样保持电路，它的定义是指将一个电压信号从模拟转换成数字信号时需要保持稳定性直到完成转换工作。它有两个阶段，一个是 zero ph
14、ase，一个是 compare phase。采样保持电路的比较器通常要求其 offset 比较小，这样才能使 ADC 的精度更好。通常在比较器的后面需要放置一个锁存器，其目的是为了保持稳定性。 在采样电压快速变化时，需要用到具有 FET 开关的采样与保持电路。当 FET 开关导通时，输入电压保存在某个位置如 C1 中，当开关关断时，电压仍保持在该位置中进行锁存，直到下一个采样脉冲的到来.ADC 与 DAC 在功用上正好相反，它是模拟信号输入，数字信号输出，是一个混合信号器件。 模数转换器 ADC ADC 按结构分有很多种，按其采样速度和精度可分为： 多比较器快速（Flash）ADC； 数字跃升
15、式（Digital Ramp）ADC；逐次逼近 ADC； 管道 ADC； Sigma-Delta ADC。 任何一种 ADC 的输出都等于 2 的 N 次方乘以它的增益（输入信号），再除以它的参考电压。 每一种类型的 ADC 都各具特性，下面重点介绍前三种类型。 不同的 ADC 有着不同的特性，对于 Sigma-Delta ADC 来讲，其分辨率可以达到 24bit 以上，但其采样速率比较低。逐次逼近型 ADC 比6较适应于中等采样率、分辨率在 16bit 以下的应用。管道 ADC 主要用于高采样率的应用，其分辨率则在 16bit 以下。多比较器 ADC 也是一种高速 ADC，但因为其体积和功
16、耗较大、分辨率较低，目前应用中很少使用它。 多比较器（Flash）ADC 中用到的比较器很多，如一个 8 位的ADC 就需要 255 个比较器。该类产品采样速率确实很高，但因为多个比较器的存在，其功耗很大，而且管芯也较大。ADC0820、ADC1175等产品都是这种类型的 ADC。数字跃升式 ADC 是用连续搜索的方法获得编码，因为速率太慢、效率太低，因此很少使用。 逐次逼近型 ADC 在逐次逼近的方法上分为两种，以 3 比特采样为例，它首先将基准电压分为 7 个比较电压，使输入信号同时与这 7 个电压进行比较，最接近的比较电压是表示数值；第二种是将输入电压逐次接近电压的二分之一、四分之一、八
17、分之一等，顺序产生比较后的数字信号。因为变换过程是将输入信号与基准信号比较，所以，基准电压必需是稳定准确的。输入信号的最高电平应保持稳定，充分利用变换器达到高的分辨率。对于任何逐次逼近 ADC，都有 5 个组成部分：第一部分是 DAC，其中含有一个算术逻辑测试单元，会比较DAC 的输出和模拟信号的输入，直到两者接近；第二部分是输出寄存器；第三部分是比较器，逐次逼近 ADC 仅含有一个比较器，所以功耗和管芯尺寸都比较小；第四部分是逻辑电路；第五部分是时钟。有一个要求是：DAC 的精度一定要高于 ADC。要实现数据采集还必须遵循 TCP/IP 协议，我们在下一小结将详细介绍 TCP/IP 有关协议。2.2 TCP/IP 协议这部分简要介绍一下 TCP/IP 的内部结构，为讨论与互联网有关的安全问题打下基础。TCP/IP 协议组之所以流行，部分原因是因为它可
