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基于DSP和以太网的数据采集系统软件设计

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基于DSP和以太网的数据采集系统软件设计 (毕业设计63页、29848字+图+程序)
摘要:充分利用DSP的优良性能,将计算机网络技术引入以DSP为核心的嵌入式系统,已成为一个重要的研究课题。
本文设计了一种基于TI公司的DSP芯片TMS320VC5509A的以太网终端系统方案并给出了该方案的具体设计实现。本论文对TCP/IP协议进行了分析,论述了基于DSP芯片和网卡接口控制芯片的以太网设计,讨论了在VB开发环境下PC机与终端系统的数据交互问题并编写了实际的PC机控制软件。同时,讨论了在DSP开发环境下的主程序设计和C语言开发程序需要编写的辅助文件,包括头文件、中断向量文件和命令文件。最后,对设计软件进行了测试。验证了本课题研究的基于DSP和以太网的数据采集系统可以实现数据的以太网传输。

关键词:DSP;以太网;VB;TCP/IP ;AD转换

 

The Software Design of Data Sampling System
Based on DSP and Ethernet

Abstract:Based on the excellent performance of DSP, this paper introduces the embedded system cored with DSP into computer network. This application system becomes a significant research problem.
In this paper, we design an Ethernet terminal system based on the TI Company’s DSP of TMS320VC5509 and present the scheme's software-realization in detail. TCP/IP is studied and analyzed firstly and chosen while the real condition is considered. And then the Ethernet is designed with DSP chip and network interface controller (NIC) chip. We discuss the PC's data exchange with the Ethernet terminal in VB development environment and compile PC software to realization controllable program. Then, we discuss the main program and the initialized program is designed in DSP development environment. At the same time, the auxiliary files are discussed which is demanded when the protocol program is designed with C language in DSP development environment, including header file and interrupt vectors file and command file. In the end, the designed program is tested. The result indicates data sampling system that was researched in my subject could realize the transmission of the data through Ethernet based on DSP and Ethernet.

Key words:  DSP, Ethernet, VB, TCP/IP, AD Transition

 


目    录

第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 本课题研究的背景及依据 1
1.1.2 本课题研究的意义 1
1.1.3 本课题研究的主要内容 2
1.2 本课题的关键问题及解决方案 2
1.2.1 本课题的关键问题 2
1.2.2 解决方案 2
1.3 国内外研究现状及趋势 3
1.4 本章小结 4
第2章 网络协议概述及规范 5
2.1 概述 5
2.1.1 引言 5
2.1.2 网络协议的分层 5
2.2 协议规范 6
2.2.1地址解析协议(ARP) 6
2.2.2 网际协议(IP) 6
2.2.3 互联网控制报文协议(ICMP) 8
2.2.4 用户数据报协议(UDP) 9
2.3 本章小结 10
第3章 系统硬件实现 11
3.1 硬件介绍 11
3.2 硬件设计 12
3.2.1 硬件设计框图 12
3.2.2 硬件选择和实现 13
3.3 本章小结 15
第4章 系统软件实现 16
4.1 系统软件开发环境(CCS) 16
4.2 VB的通信程序设计 16
4.2.1 VB的Winsock控件简介 16
4.2.2 VB编程所用Winsock控件的属性 17
4.2.3 VB编程所用Winsock控件的部分方法和事件 17
4.2.4 程序需要解决的主要问题 18
4.2.5 通信程序的主要代码及作用 19
4.3 RTL8019AS的编程 20
4.3.1 RTL8019AS的编程所用资源 20
4.3.2 RTL8019AS的初始化和编程 24
4.4 通信协议的制定和实现 28
4.5 DSP终端系统软件设计 29
4.5.1 程序主控模块 29
4.5.2 系统初始化模块 31
4.5.3 协议模块 35
4.5.4 网络接口模块 39
4.5.5 C语言编程的辅助文件 40
4.5.6 扩展模块 42
4.6 本章小结 44
第5章 系统测试和展望 45
5.1 测试的简要说明 45
5.2 测试的结果 45
5.3 设计的展望 46
结  论 48
致  谢 49
参考文献 50
附录1 51
附录2 53
 


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。

 

 

第1章 绪论

1.1 概述
1.1.1 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。
1.1.2 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。
1.1.3 本课题研究的主要内容
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、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。
1.2 本课题的关键问题及解决方案
1.2.1 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。
1.2.2 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。
1、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。
2、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。
    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(Internet)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
    4、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。
5、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。
1.3 国内外研究现状及趋势
在信息时代的今天,Internet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E-mail, WEB浏览等,或者仅仅停留在企业与企业及与个人在商务方面的信息交上,例如电子商务e-business等,Internet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Internet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Internet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Internet的连接问题,为DSP设备的应用开辟了更为广阔的前景。
1.4 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。

 

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