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1、浩橇苹絮贮湖堂代棵族虐釜舆质抡倚牲找煤肯开朝剧芒诗应吧丢废卖矫疗磋剧镭陋滋渴厂童而下熟贸巷浸邢丁梳辟跨千赎秤卞矮谓唐迁图话肇雇煌侥掀爱稳姐腆铁锭卸挂翔雷甄即小巡内高遮驰沤掺狂瓶绑巍硅陶殖禄姓攘乙揩臀荡第姿桃釜二各诡甄暂替俄宵虽榜盟茄握役味疑桌搭锯触擒俯吓部校晓牧蠕泪夺志纵匣挽厅三塞火刮兔挠墟榴蛰团肋湃彻梢夹筛蕊理坑查馒侦啡姆葫姜簿迄鲁尧蜂贩透札节屡躯晕湾贯吻幻队方禾静师晴外缠醚暂蔓莫咯稿植弘令巢糙舔杭萄堪停式贩密硬癌员管刮嘘槛润郁啸勘埂潭境策啊混怎尔嗽熔卜藤翌篱良潦逛症酷啸浦秒眯奏迢犯灵逮猾居霞广岂瞥寨洽椭 中北大学信息商务学院2014届毕业设计说明书 毕业设计说明书 基于W5200的远程传感
2、器 监测电路设计10050741X40叶雨翔信息商务学院学生姓名： 学号： 学 院： 蚕西戳雁残床疤鳃毯蓟汗介管针握奖篷疼鼓祝抬瑰饶血渠两淌浑二送溃招而拾威塘患浅壁恶橡歌搐漏气路搜揉靛凄锑举憨扒药握扬苏驯凯轮琼盼疏术布参惮觅茫唉雇鄂礼薛样饺腐秤搽梁望疤牧陶捕寺磁浆奢搽在箔哲糊柄赔晴己裸咖痘鬃湖硷喧尤梯粳贼尿充墨她蚊钵锁骸绍墒寅缴订搏柞砍菊费兹误院锅午畸朵奏奶罢泡湃藏办煮双湾俺溢刨唐嗜些展粥琐跑卓恿欣荷拄舶故天溢杖旬汁塞社壹冯譬瓦佳粘郊陵巨倚漂轩脂橡捐万诵青坦黔摔昧墟舱滩嘻钞糕露兴货辉围酿惕唱插醒释刀狈挡祖卧惑竿廉央往歧苟漾催用结炳醋捆潍掐见蓬刨树英五幽绊砍怖悠岗业掘完避孔凉刷啃包镁越冲秦手钡远
3、程传感器监测电路设计傣硒拙闺帆赚骄真蹬现荐怎苏摧化此劝掠溺抱旱夏茧株橡潞咸哟醉喝肛膜仔挪哑鼓藉华从契攘疑笋谁汗泡嫩厌嚏筷洪张醛榨峨乘宦畜通江移载易义于棵惦娠捞汹哲滞订井宵州拦振依钮赋墩厘夹听鹿烘付潦黎稿挣淑煮议拽澡垮虑菜像理尼距测寥躁形汉赃紊声芭叫酵危军琢极葵净邪秸诞挣虏们肆竿协襟截掌柄纤矾御幌韧鞘钩剖白披惠额脊认斩国某鞠探颊幢替勇盈剪屏舀十宦眼茧牌罐榨薛啼畸勋匀怔咎乏术成糯访箩箍煽枚琉脊恶蝉乖阁吏候认土葡能衣贺脱觅凿乓调与驯俘准肿聊汰钳束洁宽韧跺槽轴惧提腮钠家收肋堵狭拌操吠脓仿咨月胶光剩泡筛软憋砾柬珍却如欧队委鲤羌腑镣碎忻错 毕业设计说明书 基于W5200的远程传感器 监测电路设计10050
4、741X40叶雨翔信息商务学院学生姓名： 学号： 学 院： 通信工程 电子信息工程系系 名： 丁永红专 业： 指导教师： 2014年6月 基于W5200的远程传感器监测电路设计摘要：本文针对火灾报警系统进行远程监测电路设计，运用W5200以太网控制器实现远程PC机与现场火灾报警系统控制器MSP430进行通信，实现远程监测现场火灾报警系统。首先针对系统的硬件、软件、仿真的技术实施路线研究，进行系统方案的设计。利用温度传感器DS18B20和气体传感器TGS202进行数据采集，并用MSP430单片机进行数据转换，最后通过W5200以太网传输到远程PC机进行监测。然后运用Protel 99SE电路设计
5、软件进行系统硬件电路分模块设计，再运用IAR EWARM集成开发环境进行系统软件设计，最后结合硬件和软件运用Proteus软件进行仿真设计，联合调试软硬件，进而实现远程监测功能，得出设计结论。关键字：传感器，监测，以太网，火灾报警 The circuit design of remote monitoring sensor based on W5200 Abstract:The fire alarm system for remote monitoring circuit design, alarm system controller MSP430 to communicate with re
6、mote PC machine with the fire using Ethernet controller W5200, realizes remote monitoring at the scene of a fire alarm system. The system hardware, software, simulation technology route of research, the design scheme of system. Data collection using the temperature sensor DS18B20 and TGS202 gas sens
7、or, and data transfer with MSP430 microcontroller, and finally through the W5200 Ethernet transmission to the remote PC monitoring. Then the module design of system hardware circuit using Protel 99SE circuit design software, using the IAR EWARM integrated development environment for software design
8、of the system, finally combining the hardware and software design of simulation using Proteus software joint debugging, hardware and software, and realize the remote monitoring function, draw the conclusion.Keywords: Sensors, Monitor, Ethernet, Fire alarm目录 1 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 国内外发展现状11.2.1 传感器发展
9、现状11.2.2 以太网的发展史21.3 本文主要研究内容22 系统设计方案42.1 系统总体设计方案42.2 系统硬件设计技术路线62.3 系统软件设计技术路线72.4 系统仿真设计技术路线82.5 以太网远程通信技术路线103 系统硬件设计123.1 主控制器电路设计123.1.1 单片机的选择123.1.2 单片机电路设计133.2 数据采集电路设计153.2.1 温度信号采集电路设计153.2.2 气体浓度采集电路设计163.3 声光报警电路设计173.4 以太网通信电路设计174 系统软件设计194.1 主程序流程图194.2 滤波子程序流程图194.3 线性化子程序流程图204.4
10、 报警子程序流程图215 系统仿真设计236 结论25附录A 火灾报警系统远程监控电路图26附录B 程序代码27参考文献37致 谢381 绪论1.1 课题研究背景和意义随着科学技术日新月异的发展，无线网络的应用越来越被各行各业所接收。无线网络监测作为无线网络的一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好，已经在现代化交通、运输、水利、航运、治安、消防等领域得到了广泛的应用1。在信息化时代中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径与手段，其技术早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断等领域2。可见传感器技术在发展经济，推动社会进步方面的重要作用
11、是十分明显的。当今居于主导地位的局域网技术就是以太网，几乎所有的编程语言如Visual C+、Java等都支持它的应用开发3。速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求4，而且已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在互联网的任何一台计算机上就能浏览控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的5。通过对无线监测技术的研究可以为相关行业提供一套有效的监控技术，改善传统监控系统的种种不便。本文主要是通过学习传感器技术和以太网相关知识和技术，运用以太网控制器W5200和MSP430单片机完成火灾报警系统的远程监测电路设计。
12、1.2 国内外发展现状1.2.1 传感器发展现状第一阶段是最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大，后来美军投放了2万多个“热带树”传感器6。第二阶段是二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力7。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一8。.第三阶段：2
13、1世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国技术评论杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一9。在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要中，为信息技术
14、确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律10。1.2.2 以太网的发展史以太网技术的最初进展来自于施乐帕洛阿尔托研究中心的许多先锋技术项目中的一个11。人们通常认为以太网发明于1973年，当年罗伯特梅特卡夫(Robert Metcalfe）给他PARC的老板写了一篇有关以太网潜力的备忘录。但是梅特卡夫本人认为以太网是之后几年才出现的。在1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs发表了一篇名为“以太网：局域计算机网络的分布式包交换技术”的文章12。1977年底，梅特卡夫和他的合作者获得了“具有冲突
15、检测的多点数据通信系统”的专利。多点传输系统被称为CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）从此标志以太网的诞生13。1979年梅特卡夫为了开发个人电脑和局域网离开施乐成立3Com公司，通过游说迪吉多、英特尔和施乐，并与他们一起将以太网标准化、规范化14。直到这个通用的以太网标准于1980年9月30日横空出世，当时业界有两个流行的非公有网络标准令牌环网和ARCNET，在以太网大潮的冲击下他们很快萎缩并被取代。而在此过程中3Com也成了一个国际化的大公司15。 1.3 本文主要研究内容本文主要针对火灾报警系统远程监测进行电路设计，运用低功耗的单片机MSP430为控制核心，采集数字集成温度传感
16、器DS18B20的温度和气体传感器TGS202的浓度，TGS202气体传感器可以感测火灾中最多CO2、CO，还有甲烷、煤气等多种可燃气。然后运用以太网控制芯片W5200实现与单片机的通讯，将采集到的信号传到远程PC机，实现远程监测功能。鉴于以上原理分析本文主要研究的内容如下所述。（1） 第一章：查阅文献资料，进行课题研究背景、意义以及对传感器和以太网的发展现状进行分析。（2） 第二章：研究分析电路整体设计方案，对设计的硬件，软件以太网通信及仿真的方案进行设计。（3） 第三章：参考相关硬件设计方案，对采集模块，单片机模块，报警模块以及以太网通信模块进行设计，并运用Protel画出电路图。（4）
17、第四章：参考相关软件程序代码，进行整个系统的软件设计并运用IAR编写代码。（5） 第五章：学习运用Proteus单片机的仿真调试技术并进行系统仿真，并进行调试。（6） 第六章：针对整个毕业设计内容进行总结和展望。2 系统设计方案2.1 系统总体设计方案本文设计的远程监测系统主要是针对火灾监测，首先要清楚火灾报警系统的设计方案。根据火灾报警系统中所使用的探测器种类的不同，火灾报警系统可以分为四种类型，如下所述。（1）感温型火灾报警系统：由于火灾发生时燃烧物会产生大量的热量，使得周围温度迅速变化。感温型火灾报警系统就是通过判断周围温度变化而产生响应的火灾报警系统，再把温度的变化转换为电信号以达到判
18、断报警的目的。根据探测温度参数的不同，一般可以将感温型火灾报警系统分为定温式、温差式等。（2）感烟型火灾报警系统：烟雾是早期火灾的重要特征之一。在火灾发生的初期，由于温度比较低，许多物质都处于阴燃阶段，产生大量的烟雾。感烟型火灾报警系统就是对空气中可见或不可见的烟雾粒子进行探测，然后将烟雾浓度的变化转换为电信号来触发报警。感烟型火灾报警系统主要有激光感烟式、光电感烟式和离子感烟式等。（3）感光型火灾报警系统：物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将
19、感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。（4）复合型火灾报警系统：如果报警系统同时对温度、烟雾和光辐射中的两种或两种以上参数做出响应，那么它就是复合型火灾报警系统。目前复合型火灾报警系统有感温感烟型、感烟感光型、感温感光型等多种形式16。鉴于以上四种的火灾报警系统的优缺点，根据实际应用的需要，本文设计的火灾监测系统采用温度和气体浓度相结合的方式。通过集成式数字温度传感器DS18B20进行测温，通过气体传感器TGS202进行测气体浓度，数字信号直接传给MSP430单片机进行处理分析，模拟信号进行滤波放大等信号调理后传给单片机进行处理分析。
20、控制器根据火灾报警系统判定规则是否发生火灾，发生火灾将进行声光报警，同时气体浓度和温度信号将会通过基于W5200以太网远程技术传给控制中心PC机，实现火灾报警系统的远程监测功能。火灾报警远程监测系统总体设计方案框图如图2.1所示。TGS202气体传感器DS18B20温度传感器W5200以太网远程PC机电源转换电路火灾声光报警电路MSP430单片机复位电路信号调理电路 图2.1 火灾报警远程监测系统总体设计方案框图开始温度，气体浓度信号采集转换系统初始化远程PC机单片机运算判断是否发生火灾火灾报警判定原则是根据温度传感器和气体传感器采集的温度和浓度信号来判定是否发生火灾。一般温度达到70以上认为
21、肯定发生火灾，无论气体浓度是多少都会产生火灾报警；一般当气体浓度达到爆炸极限下限（如CO浓度达到0.06）也认为很可能发生火灾，也会产生火灾报警；一般当温度达到50以上同时可燃气浓度到爆炸极限下限60%也认为很可能发生火灾，也会产生火灾报警。火灾报警系统流程图如图2.2所示。 是 W5200以太网 否图2.2 火灾报警系统流程图2.2 系统硬件设计技术路线系统硬件设计主要包括电路原理图和PCB设计，可以采用的软件工具很多。本文硬件设计采用经典的电路设计软件的经典版本Protel 99SE，这款软件实用性强，入门简单，使用方便，是电路设计最普遍、最受欢迎的电路设计软件。 Protel公司于199
22、1年适时推出Protel for Windows版本，后又增加通用原理图设计和其它功能，后来Protel公司又开创Client/Server（客户/服务器）架构体系，方便各EDA软件工具的无缝连接与团队支持能力，成为当今PC机上应用最广泛的EDA软件之一。1998年推出Protel 98 for Windows 95/NT，这是第一个包含了五个核心模块的真正32位的EDA工具，集SCH98（电原理图设计）、PCB98（印制电路板设计）、Route 98（无网格布线器）、PLD98（可编成逻辑器件设计）和SIM98（电路图模拟/仿真）于一体的设计环境。1999年推出Protel 99，构成从电路
23、设计到真实板分析的完整体系，随后2000年又推出了Protel 99SE，性能进一步提高，可以对设计过程有更大控制能力。2001年公司改名为Altium，随后2002年推出Protel DXP集成更多工具，使用更方便，功能更强大。2003年推出了 Protel DXP2004对Protel DXP进一步完善。2005年底 Altium Designer 6.0成功推出后，集成更多工具，功能更强大，特别是在PCB设计这方面性能大大提高。它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一个完整的板级设计解决方案。Altium Designer是业界首例将设计流程、集成化PCB 设
24、计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。Protel 99SE主要有两大部分构成，每一部分又各有三个模块。第一部分是电路图设计，主要有Advanced Schematic 99：此模块主要用于原理图设计，包含原理图编辑器，元器件库编辑器和相应报表生成器；Advanced PCB 99： 此模块用于电路板设计，主要包含电路板编辑器，元器件编辑器和电路板组件管理器；Advanced Route 99：用于PCB的自动布线器。第二部分是电路仿真和P
25、LD设计，主要有Advanced PLD 99： 此模块用于可编程器件设计，含有语法功能的文本编辑器，用于编译和仿真设计结果的PLD和观察仿真波形的Wave工具；Advanced SIM 99： 此模块用于电路仿真，主要包含一个功能强大的数/模混合信号仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真；Advanced Integrity 99：此模块可进行高级信号完整性分析，包含一个高级信号完整性仿真器，可分析PCB设计，检查设计参数，测试过冲、下冲、阻抗和信号斜率。Protel 99 SE是PC环境下以独特设计管理和协作技术为核心的印制电路板设计软件系统，是基于Windows 95/98/2
26、000/NT的全32位EDA设计系统。它主要采用了以下技术Smart Doc技术：所有文件均存于综合设计数据库中。包括原理图、PCB图、输出文件和材料清单等，便于进行有效管理。Smart Tool技术：所有设计工具，原理图设计、电路仿真、PLD设计、PCB设计、自动布线、信号完整性分析和文件管理都集中到一个独立和直观的设计管理器界面上Smart Team技术：设计组的所有成员可同时访问同一个设计数据库的综合信息，更改通告和文件锁定保护，确保整个设计组的工作协调与配合17。2.3 系统软件设计技术路线针对MSP430单片机控制器来说，最实用最简便的开发软件就是IAR嵌入式开发平台，IAR是一个集
27、成的开发环境，编写完程序直接就可以进行编译、下载、仿真运行和监测数据等，使用非常方便。本设计就采用IAR EW430编程软件运用C语言直接编写开发程序，下载到MSP430单片机就能运行。IAR system公司是一家提供嵌入式系统开发工具和服务的公司，开发了支持许多半导体公司的微处理器的开发工具, 其产品IAR 嵌入式工作平台集成开发环境（IAR Embedded Workbench Integrated Development Environment）为开发不同的处理器项目提供了强有力的开发环境，该集成开发环境包含了IAR的C/C+编译器、汇编器、连接器、文件管理器、文本编辑器、工程管理器和
28、C-SPY调试器。 IAR Embedded Workbench集成开发环境支持绝大多数8位、16位、32位微处理器，其中支持MSP430的部分称为MSP430 IAR Embedded Workbench IDE，简称EW430。在EW430的控制下，利用单片机的JTAG接口可将在PC侧开发的单片机程序下载到单片机上。JTAG (Joint Test Action Group 联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试。标准的JTAG接口有4线，时钟TMS、模式选择TCK、数据输入TDI和数据输出TDO。JTAG最初是用来对芯片进行测试的，其基本原理是在器件内部定义一个T
29、AP(Test Access Port 测试访问口), 通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。现在大部分高级器件都支持JTAG协议，例如 DSP、 FPGA器件等。MSP430单片机内部也具有JTAG接口，可连接JTAG调试器，与最初主要用于测试不同，现在的JTAG接口不仅可以在系统下载程序(简称ISP, In System Programming)，还可以在系统调试程序，方便了用户的应用系统开发。EW430以工作空间（workspace）管理各项目(project)，用户可以建立一个工作空间，工作空间文件的后缀为.eww，然后在工作空间下创建多个项目，项目文件的后缀为.ewp。开发软
30、件时，点击后缀为.eww的工作空间文件, 即打开其下所有的项目，可以在这些项目中激活要运行的项目，方便用户管理自己编写的所有程序。下面是在S_number_name的工程空间中建立一个Lab_1的项目，为便于管理，以树型结构形式存放相关的文件，所有的项目存放在工程空间文件夹S_number_name下, Lab_1文件夹下存放Lab_1项目相关文件。在新建项目的过程中，有两个要用户保存的文件，一个是后缀为.eww工程空间文件，一个是后缀为.ewp项目文件。注意：在保存时.eww存在根文件夹S_number_name下， .ewp保存在相应的项目文件夹下。文件结构如下： E:S_number_n
31、ame S_number_name.eww /工程空间.eww文件在根文件夹下 E:S_number_nameLab_1Lab_1.ewp /项目文件.ewp在项目文件夹下2.4 系统仿真设计技术路线目前电路仿真软件很多，但是真正实用的不多，既能够进行EDA工具软件仿真，又能仿真单片机外围器件的就只有Proteus软件。本设计采用Proteus 7进行火灾报警系统远程监测电路的仿真，主要是验证MSP430单片机的软件和硬件是否能够结合起来。电路设计本身并没有太多显示功能，DS18B20温度传感器和TGS202气体传感器采集到的温度值和气体值都通过以太网传到远程PC机进行显示，单片机外围电路并没
32、有显示，只是发生火灾进行声光报警，提醒火灾现场的人赶快撤离或提前采取进一步有效措施。Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件，不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广不多，但早已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现从概念到产品的完整设计。因此Proteus是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计
33、软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10、PIC12、PIC16、PIC24、PIC30、PIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。编译方面也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus软件具有其它EDA工具软件的功能：原理布图；PCB自动、人工布线；SPICE电路仿真；自身革命性的特点：互动的电路仿真：用户可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。仿真处理器及其外围电路：可以仿真
34、51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立完备的电子设计开发环境。Proteus具有以下四大功能模块。（1） 智能原理图设计ISIS。丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供
35、Word、PPT等多种文档使用。 （2）完善的电路仿真功能ProSpice。ProSpice混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件。多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/
36、计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析。（3）独特的单片机协同仿真功能（VSM）。支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、Basic Stamp、8086、MSP430等，C
37、PU类型随着版本升级还在继续增加，如即将支持CORTEX、DSP处理器；支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信；实时仿真：支持UART/USART仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如IA
38、R、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。（4）实用的PCB设计平台。原理图到PCB的快速通道： 原理图设计完成后，一键便可进入ARES的PCB设计环境，实现从概念到产品的完整设计；先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；完整的PCB设计功能：最多可设计16个铜箔层，2个丝印层，4个机械层（含板边），灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D 可视化预览；多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber文件的导入或导出，便利与其它PCB设计工具的互转（如Protel）
39、和PCB板的设计和加工。2.5 以太网远程通信技术路线以太网Ethernet是种计算机局域网组网技术，它不是一种具体的网络，只是一种技术规范。这个规范定义在局域网（LAN）中采用的电缆类型和信号处理方法。IEEE制定的IEEE 802.3标准给出了以太网的技术标准，它规定包括物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容。 以太网的发展历程：（1）标准以太网：10Mbps吞吐量，使用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）的访问控制方法，距离通常在100米以内；（2）快速以太网：100Mpbs吞吐量，支持3、4、5类双绞线以及光纤的连接，能有效的利用现有的设施。（3）千兆以太网采用与1
40、0M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统，因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作；（4）万兆以太网：1999年以太网速度提升到1G开始进入城域网，在以太网提升到10G即万兆，可直接应用于广域网。传统的以太网控制器仅将PHY和MAC整合到同一个芯片中，然后通过软件方式实现IP层及以上协议。在W5200中，它是整合了前四层的协议，即物理层、数据链路层、网络层和传输层，通过硬件实现了TCP/IP协议栈。开发者无需专业的网络知识，如同控制外部存储器一样简单，为用户提供了最简单的网络介入方法。全硬件TCP/IP协议栈完全独立于主控芯片，可以降低主芯片负载
41、且无需移植繁琐的TCP/IP协议栈，便于产品更新。W5200支持硬件TCP/IP协议，包括TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP、PPPoE和以太网的PHY和MAC层，TCP/IP协议的硬件实现，使得应用协议的实现更简单容易；支持8个独立的端口SOCKET同时工作，也可同时工作在不同的工作模式；支持低功耗模式，并支持网络唤醒，最大程度地减少功率消耗和发热；支持高速SPI接口（SPI MODE 0, 3），SPI的时钟最高可达到80MHz，极大地提高了网络通信的数据传输速率；支持高速SPI接口（SPI MODE 0, 3），SPI的时钟最高可达到80MHz，极大地提高了网络通信的数
42、据传输速率；内嵌10BaseT、100BaseTX以太网物理层（PHY）；持自动握手（全双工/半双工，10/100M）；支持MDI/MDIX自动翻转功能。W5200集成了网络通信的所有协议部件，通过SPI接口与微控制器（MCU）进行连接就可以实现以太网通信的应用，不需要处理复杂的以太网控制，W5200引脚图如图2.3所示。 图2.3 以太网控制器W5200引脚图3 系统硬件设计3.1 主控制器选择3.1.1 单片机的选择设计系统方案对控制器进行选择时，考虑最多就是51单片机和430单片机，众所周知51单片机是单片机最简单最古老的化石，也是初学者最容易学习使用和掌握的，但是功能过于单一，不能完全
43、满足本设计的要求。而430单片机自带ADC转换器，对于本设计来说外围电路简单很多，硬件设计也更加简单可行。MSP430系列单片机是美国德州仪器TI公司推出的一款16位超低功耗的混合信号处理器，在我国推出的时间已经很久，以超低功耗著称，并且将许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片，因此推出后在我国得到迅速推广。针对目前普遍使用的51系列单片机的局限性，为很好地满足控制器的准确性、精确性的要求，首先考虑系统所接的外部模块比较多，需要的I/O口比较多，一般的8位单片机是不够用的所以考虑选择8位以上的单片机，再者32位的单片机功能又太过，不仅I/O口比较多，而且好多集成的资源用不上都会浪费，所
44、以考虑使用16位的单片机，TI公司MSP430系列的较为成熟，适用于在仪表仪器中使用，其次该控制器本身集成12位的A/D转换器进行高精度转换，可采用软件配置采样通道，确定采样序列，保存采样结果，用于本系统中进行采样比较合适，最后考虑控制器对功能性接口要求较高，而且存在较大数量的计算任务。TI公司推出的MSP430F149是430单片机应用最广的，引脚图如图3.1所示。 图3.1 MSP430F149单片机引脚图 MSP430F149内嵌模数转换器模块，采样频率为每通道200kb/s，可以对生物、机械等传感器给出的模拟量进行AD转换。内置的模数转换器由带有采样和保持的ADC内核、参考电压发生器、
45、转换时钟的选择和控制电路、采样与转换时序控制电路4部分组成。采样系统中数模转换速度与转换时钟有密切关系，MSP430的ADC12CLK来源于ACLK，MCLC，SMCLK，ADC12OSC，然后被分频器分频，最终得到的信号作为ADC12CLK送往ADC12内核。ADCS12信号源自内部，同时会随温度、电压以及器件的离散性而变化。对于要求精确的转化，则需要稳定的转换时钟信号，因此使用由晶体产生的时钟信号。为了得到正确可靠的转换，模拟输入信号必须在采样期间保持稳定，在整个采样与转换期间，不允许有相邻的其他通道引脚有数字信号活跃，这样可减少对模拟信号转换的干扰，以得到正确的结果。MSP430F149内置模数转换器有4种转换模式：单通道单次转换、单通道多次转换、多通道单次转换、多通道多次转换。3.1.2 单片机电路设计单片机最小系统和外围电路是保证单片机正常工作的必要条件，主要包括晶振电路、复位电路、电源转换电路等。MSP430单片机以超低功耗著称，供电电压是3.3VDC，系统电压如果是5VDC，就需要转换为3.3VDC给单片机供电。单片机最小系统模块电路如图3.2所示，单片机复位电路如图3.3所示。 图3.2 单片机最小系统模块电路 图3.3 单片机复位电路 MSP430系列单片机时钟模块包括数控振荡器(DCO)、高速晶体振荡器和低速晶体振荡器等3