基于网络通信的数据采集上位机软件设计Word文档格式.doc
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networkcommunication;
TCP/IPprotocol;
theuppermachine
目 录
1引言 1
1.1课题研究背景和研究意义 1
1.2数据采集系统发展现状 1
1.3论文主要研究内容 2
2基于网络通信数据采集系统基本原理和方法 4
2.1基于网络通信数据采集系统基本原理 4
2.2基于网络通信数据采集系统基本方法 4
3基于网络通信的数据采集实现 6
3.1数据采集工作模式 6
3.2单片机发送端程序设计 6
3.3网卡芯片模块 7
3.4网卡芯片软件配置 10
4上位机软件设计 11
4.1TCP/IP协议 11
4.2数据传输程序设计 11
4.3上位机PC界面 17
5实验与调试 18
5.1网络通信测试 18
5.2系统调试 18
5.3遇到的问题讨论 19
6总结与展望 21
6.1全文总结 21
6.2工作展望 21
参考文献 22
致谢 23
附录 24
1 引言
1.1课题研究背景和研究意义
数据采集是通过查看数据库中存储的大量数据来发现有意义的数据以及新的数据关系、模式以及趋势等，使用模式识别技术，实现精确的统计过程。
数据采集系统是结合基于计算机测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
随着网络Internet技术的快速发展，网络通信传输在数据采集方面也起到了重要作用。
目前Internet技术主要用于信息交流，比如说E-mail、购物、聊天、Web浏览等，以及进一步发展的电子商务等等，这些技术方式仅仅只是停留在了企业与企业或者企业与个人或个人之间的信息交换上，而我们对于网络的理解也因此不够充分，实际上，网络技术已经在很大程度上应用到了公园控制等领域，时刻影响着我们的生活和环境。
【12】生活中很多数据经过现场采集后一定的方式传输到远程端，比如通过接收卫星云图数据我们可以预测未来几天的天气情况，而卫星数据经过获取后是通过了一定的方式和协议传输到了地球上，然后经过处理才得以显示出来，这也可以说是一种网络传输。
在工厂车间，很多情况下，数据采集都能通过各种传感器检测得到，然后经过单片机处理得到实际数据，若是将单片机系统连接上网络Internet，则可以在远程位置获得信息数据。
而如何让这些电子设备和Internet连接起来，以便于人们能够远程获得这些电子设备的信息并控制它们运行，已成为了目前国内外共同关注的焦点。
【1】
随着电子和信息技术的高速发展，通过软件方式或者硬件方式将TCP（UDP）/IP协议嵌入到单片机系统已经成为可能，网络化的智能单片机以及智能化的传感器等研究，是国内外竞相抢占制高点的前沿技术之一。
本文针对基于网络通信的数据采集技术进行研究，包括工作原理、工作方法以及具体的发送接收方式实现，对于电子设备网络化，实现远程监测和控制设备仪器的运行等方面具有重要意义。
1.2数据采集系统发展现状
数据采集系统始于20世纪50年代，美国为了实现在军事测试中不依靠相关的测试文件，由非熟悉人员进行操作,并且测试任务由测试设备高速自动完成，而研发了用于军事上的数据采集系统。
大约在60年代后期，国外用于专用系统的成套数据采集设备进入市场。
70年代中后期，诞生了以采集器同计算机融为一体为代表的数据采集系统，该系统超过了传统的自动检测仪器和专用数据釆集系统。
20世纪80年代随着计算机的普及和发展，数据采集系统空前发展，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，使系统的成本、体积减小，功能成倍增加，数据处理能力逐步加强。
【15】该时期己开始出现通用的数据釆集与自动检测系统。
一般来说，数据采集系统分为两类：
一类是由通用接口总线和计算机、仪器仪表和采集器等构成，如国际标准ICE625（GPIB）接口总线系统；
另一类由标准总线和计算机、数据采集卡构成，如ETD总线系统。
20世纪90年代以来，国际上一些技术先进的国家，数据采集系统已在井下作业、石油开采、现场实时监控和航空技术等领域被广泛应用，出现了高性能、高可靠性的单片机数据采集系统，如有的DAS产品精度可以达到24位，甚至有的DAS产品速度可以达到每秒几亿次以上。
【14】
现阶段的数据采集系统采用更先进的模块化结构，根据不同的应用需求，运用简单的增加和更改模块的方法，与系统编程相结合就可扩展或修改系统，最终迅速组建成一个新的系统。
由于屏蔽性、高密度、针孔式的连接器和卡式模块的应用，使其稳定性及可靠性得到充分保障，但其昂贵的价格阻碍了它在自动化领域的普及。
目前，以Internet为代表的计算机网络通信的发展和应用取得了空前的突破，网络化采集和控制技术也随着网络技术的发展而迅速成长。
基于网络通信的数据采集系统应运而生，且在计算机网络技术发展背景下，表现出了空前的发展势头，具有采集效率高、采集实时性高、便于收集和整理数据等特点，对于各行工业领域的数据采集都具有非常重要的意义。
随着IT技术和互联网技术的飞速发展，为保障用户的投资，适应未来技术发展的趋势，施耐德电气公司第一个推出了应用于工业控制领域的、开放的TCP/IP以太网、ModbusTCP/IP协议，该技术采用了IT行业广泛应用的TCP/IP协议，底层协议釆用开放的Modbus，第一次真正地的实现了IT网络和工业数据采集与控制网络的融为一体，使用户彻底摆脱了各种行业的工业数据采集与控制网络的限制和束缚，从而进入了工业控制领域的一种新境界。
【3】
电子信息技术的高速发展，通过软件或硬件方式可以将TCP（UDP）/IP协议嵌入到单片机。
目前网络智能化单片机在国内外占据前沿地位，而近几年交换式以太网技术的出现更大程度的提高了以太网的确定性，利用交换技术，将一个较大的网络分隔成为各个相对独立的冲突域，使冲突只能在一个相对较小的区域内发生，这样就大大地减小了冲突发生的概率，从而提高了网络的实时性和确定性。
【2】以太网所显示的优势，使其能够满足数据采集及控制对实时性、抗干扰性、可靠性的严格要求，它己经被证明是未来数据采集与控制网络的最佳解决方案，其应用于现场设备监控也是控制网络发展的趋势。
1.3论文主要研究内容
本文通过查阅文献资料，在现有条件的基础上，开发设计出了单片机的网络通信数据采集系统，并实现了上位机界面设计，本文研究具有较强的工程背景和应用价值，具体研究内容包括：
（1）基于网络通信的单片机数据采集系统基本原理和基本方法研究。
随着网络技术的发展，单片机的网络智能化得到大量的应用，本文单片机连接网络Internet的基本原理进行了研究，并提出了具体的连接方法；
（2）基于网络通信的单片机数据采集系统实现。
主要包括单片机数据采集的工作模式、单片机发送程序设计、中间传输媒介网卡芯片模块的配置与设计等；
（3）基于网络通信的数据采集系统上位机软件设计。
单片机与上位机之间通过TCP/IP协议实现了网络通信，本部分对TCP/IP协议进行了研究，并在此基础上通过windowssocket套接字实现了网络通信，设计了上位机数据采集软件；
（4）对数据采集系统进行了试验调试，并分析了过程中遇到的各种问题以及解决方法，对全文工作内容进行了总结和展望。
2基于网络通信数据采集系统基本原理和方法
基于网络通信的数据采集系统分为硬件部分和软件部分，硬件部分实现模拟量数据采集，包括数据采集终端、网络传输通道、上位机等构成。
本文对于具体的硬件采集电路不做具体研究，以单片机作为媒介，实现单片机与计算机之间的网络通信。
本章将具体分析数据采集系统的基本原理和基本方法，为第三章数据采集系统工作模式做好铺垫。
2.1基于网络通信数据采集系统基本原理
实现单片机系统接入网络Internet这种方式并不复杂，现有的互联网设施已为我们提供了现成的中间传输媒介，我们只需要将单片机与这些中间的传输媒介连接上就可以使系统介入Internet了。
【11】
但是，要将单片机系统接入到Internet中必须从以下两方面进行工作：
一是在硬件上，给数据采集系统的主控制器即单片机加上一个网络接口；
二是在软件上提供单片机与远程计算机通信的通信协议。
当给一个系统配上一个以太网网卡芯片，并提供相应的TCP/IP协议和IEEE802.3协议时，这个系统就可以通过以太网连接上Internet；
当给一个系统配上一个DTE/DCE接口设备，并提供相应的TCP/IP协议和PPP协议，那么这个系统就可以通过Modem连接Internet；
当给一个系统配上具有无线收发功能的网络接口RF，并提供相应的TCP/IP协议和IEEE802.11协议，那么这个系统就可以通过无线方式连接Internet。
由此可知，如果要想让单片机系统连接上Internet，其关键是实现网络通信接口并提供相应的网络协议。
【9】
2.2基于网络通信数据采集系统基本方法
目前来说，有两种方法可以实现单片机系统连接网络，具体分别叙述如下：
（1）利用网络控制器/网卡（NIC）实现网络接口，然后由单片机来提供相应的通信协议。
比如，将单片机与网卡ZNE-100模块组合在一起，ZNE-100模块内部集成了TCP/IP协议栈，这样就可以轻松实现嵌入式设备的网络通信和传输功能。
采用这种方法的成本非常低廉，但是其软件设计比较复杂。
然而，对于ZNE-100网卡模块接口，并不需要像计算机那样提供全套的网络通信协议，只需要根据特定的应用要求，提供一个TCP/IP协议族的子协议集即可。
【7】
（2）利用具有协议栈结构的芯片和PHY（phyceiver物理层的接收器）来实现网络接口，主控器只负责向协议栈结构芯片的某个寄存器里存放适当的数据。
在这种方法中，网络协议是根据协议栈结构的芯片硬件实现的。
目前这种芯片有美国SeikoInstruments公司生产的ichipS7600A芯片，韩国WIZnet公司生产的i2chipW3100A芯片等。
在这里，我们以i2chipW3100为例来说明这类芯片的硬件结构是如何实现网络协议的。
图2-1W3100芯片硬件结构
W3100芯片结构示意图如图2-1所示，其中分为四个部分：
与单片机接口部分（MCUinterface）、协议引擎（protocolengine）、存储器（DPRAM）和MII接口部分。
其中MII接口部分接PHY。
实现网络协议的部分主要是靠其协议引擎，在其内部结构中具有以下一些与网络协议相关的寄存器：
命令寄存器C-CR，它的各位分别表示系统初始化、通道socket初始化、建立连接、侦听、接收、发送、关闭等命令。
具体地，将某一位置1就可以发出相应的命令。
C-DIR为目的IP地址寄存器，C-DPR为目的端口地址寄存器，C-TOSR为服务类型寄存器，对应于IP报头的TOS字段，C-IPR为IP协议寄存器，对应于IP报头的协议字段，CSPR为源端口寄存器，C-SSRsocket为状态寄存器，GAR为网关地址寄存器，SMR为子网屏蔽寄存器，SHAR为源硬件地址寄存器，SIPR为源IP地址寄存器等。
在这些硬件寄存器上，程序开发人员只需要将相应的数据存入这些寄存器中，并按照一定的顺序开启相应的命令，那么就可以按照标准协议连接上网络了。
而且芯片开发商还提供了芯片的软件开发包，设计者只需要调用其中的函数即可实现网络通信。
由此可见，这种方法设计简单，使用方便，但是其价格一般都比较昂贵。
【4】
本文将根据第一种方法，将单片机与网卡芯片ZNE-100模块进行组合，然后建立相应的通信协议，实现单片机网络智能化，与PC机远程通信。
25
3基于网络通信的数据采集实现
3.1数据采集工作模式
数据采集系统主要分为两个部分：
一是单片机终端数据发送部分，完成数据的发送功能；
二是PC机端数据的接收部分，实现通过网络连接接收单片机终端发送的数据，并在PC机上显示数据、处理数据，以监测和控制相应的执行机构。
【5】数据采集系统工作模式如图3-1所示：
单片机终端
网卡芯片
PC机接收数据并显示
Internet网络
图3-1数据采集系统工作模式
由图可知，单片机发送数据后，经过网卡芯片以及相应的网络协议，通过网络方式被PC机端结构，然后显示在PC机上，经过数据处理后作为参考，以监测和控制远程部分。
3.2单片机发送端程序设计
（1）MCS-51单片机串行通信工作方式
MCS-51单片机共有四种串行通信工作方式，分别成为方式0、1、2、3。
其中方式0是把串行口作为同步移位寄存器使用，这时以RXD（P3.0）端作为数据移入的入口和出口，而由TXD（P3.1）作为提供移位脉冲的端口。
【13】方式1是10位为一帧的异位串行通信方式，方式2是11位为一帧的串行通信方式，方式3通信方式也是11位为一帧的串行通信，其过程与方式2相同，但不同的是其波特率。
（2）单片机发送端程序
发送主程序：
ORG0023H
AJMPACINT
ORG8030H
MOVTMOD,#20H
MOVTL1,#0F3H
MOVTH1,#0F3H
SETBEA
CLRES
MOVPCON,#00H
SETBTR1
MOVSCON,#40H；
置串行口工作与方式2，允许接收
MOVSBUF,#40H
SOUT1:
JNBT1,$
CLRT1；
T1清零
MOVSBUF,#00H
SOUT2:
CLRT1；
MOVSBUF,#40H
SOUT3:
MOVSBUF,#1FH；
启动发送
MOVDPTR,#4000H
MOVR7,#20H
SETBES；
启动ES
AHALT:
AJMP$
中断服务程序：
ORG8100H
ACINT:
MOVXA,@DPTR
CLRT1；
MOVSBUF,A；
DJNZR7,AEND
CLRES；
禁止串行中断
CLRTR1；
启动T1
AEND:
INCDPTR
RET1
3.3网卡芯片模块
（1）ZNE-100网卡芯片介绍
ZNE-100是广州致远电子有限公司开发的一款工业级嵌入式网络模块，它内部集成了TCP/IP协议栈，用户利用它可以轻松实现嵌入式设备的网络功能，不需要了解复杂的网络知识以及TCP/IP协议，节省人力物力和开发时间，使产品更快的投入市场，增强竞争力。
该产品用于串口与以太网之间的数据传输，可方便的为串口设备增加以太网接口。
可用于串口设备与PC机之间，或者多个串口设备之间的远程通信。
具有以下产品特性：
Serial（TTL）接口转10MEthernet接口，Serial最大波特率为115200bps；
可利用Webbrowser和Windowsutility轻松进行设定；
TCPServer、UDPServer作业模式；
支持动态（DHCP）或静态获取IP地址；
尺寸小（44×
31.5mm）。
具有32位ARM7CPU，16KBRAM，128KBFLASH，10M以太网接口（使用排针方式引出），1.5KV电磁隔离，串口TTL电平方式，波特率300~115200bps，串口任意校验，串口数据位5、6、7、8可设定，串口停止位1、2位可设定，支持TCP/IP协议包括：
ETHERNET、ARP、IP、ICMP、UDP、TCP、HTTP、DHCP，工作方式可选择为TCPServer或UDPServer，工作端口可设定，可使用配置工具ZnetComUtilityforWindows98/me/NT/2000/XP进行配置，输入电压5VDC，功耗低，最大工作电流90mA等。
（2）ZNE-100模块硬件电路
如图3-2所示为ZNE-100的模块硬件电路，可知其具有两排外引管脚，左边一排是12针，右边是11针，分别编号1~23。
此外，ZNE-100模块上具有三个孔，用于恢复出厂设置和升级固件。
图3-2ZNE-100模块电路图
表3-1ZNE-100模块管脚定义
引脚
意义
1
EthernetTX+
2
EthernetTX-
23
保留
3
EthernetRX+
22
4
21
5
连接显示LED
20
6
TXD
19
EHTER_TXD_LED
7
RXD
18
8
485_TXD_EN
17
9
16
10
nRST模块复位
15
EHTER_RXD_LED
11
GND
14
VCC（+5VDC）
12
13
表3-1所示为ZNE-100网卡芯片模块的具体引脚定义，其中EthernetTX+、EthernetTX-、EthernetRX+、EthernetRX-管脚是以太网信号端口，TXD、RXD是串口信号端口，管脚5、16、19为LED信号口，方向为输出，485_TXD_EN是RS485发送控制端，方向为输出，保证RS485半双工传输，发送数据时为高电平，接收数据时为低电平，nRST为模块复位脚，低电平有效，在该引脚输入一个大于20us的负脉冲即
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