基于SOPC温湿度远程监测系统的研究与设计

论文摘要

利用互联网对嵌入式设备进行远程监测已经成为嵌入式技术的一项重要应用,它使人们在任何时刻、任意地点都可以通过Internet查看远程端嵌入式系统的实时状态,并通过使用键盘和鼠标就可以控制远程设备。随着计算机网络技术的快速发展,温湿度远程监测系统将出现在食品存储行业、建材管理、文物档案管理、农业等各个生产生活领域,使得人们的生活更加便捷和高效。本文在研究分析了国内外温湿度远程监测系统的基础上,提出了基于SOPC嵌入式技术的一个温湿度远程监测系统。SOPC是近几年兴起的一种嵌入式可编程片上系统,是PLD与SOC技术的融合,集中了两者的优点,具有可裁剪、可扩充、可升级和软硬件现场可编程的特点,为嵌入式设计的发展提供了一种全新的解决方案。而在通信领域,以太网已经延伸到生产生活的各个角落,如何利用应用广泛的网络技术来设计温湿度监测系统也是本文需要解决的问题。本文研究分析了整个系统的软硬件开发流程,以Nios Ⅱ软核嵌入式处理器为核心,通过IP核技术在一块FPGA芯片上实现了整个系统的硬件开发,包括SDRAM控制器、Flash控制器、LCD液晶模块控制器、以太网接口、Avalon,总线等。降低了系统的成本、复杂性和功耗,提高了开发效率。同时,对外围器件的硬件电路设计和网络驱动设计也作了详细的分析。在硬件设计平台的基础上,通过软件开发环境完成了软件部分的设计。主要包括温湿度信息的采集、LCD的显示、uC/OS-Ⅱ操作系统在Nios Ⅱ上的移植、消息的传递、NicheStack TCP/IP协议栈的设计以及基于Visual C++客户端程序的编写。重点分析了uC/OS-Ⅱ实时内核的结构原理和移植方法以及在NicheStack TCP/IP协议栈下的Socket套接字接口的应用。通过客户端/服务器（C/S）结构,实现了人机交互良好的远程网络监测系统。系统的软件和硬件均采用了模块化设计,这样既提高了开发的效率,又增强了系统的通用性和可移植性。本文研究设计的温湿度远程监测系统经测试运行具有良好的稳定性和可操作性,表明SOPC嵌入式系统的优良特性,完全可以进行技术的推广和进一步的扩充完善,使SOPC技术应用到更多的领域。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究目的与意义
• 1.2 课题的国内外研究现状
• 1.3 本文的研究工作和结构
• 1.4 小结
• 第2章 温湿度远程监测系统的总体设计
• 2.1 系统的总体结构设计
• 2.2 基于SOPC技术的方案分析
• 2.3 NiosⅡ嵌入式系统组件及外设结构分析
• 2.3.1 NiosⅡ软核处理器结构分析
• 2.3.2 Avalon总线结构分析
• 2.3.3 NiosⅡ外围设备分析
• 2.4 基于SOPC系统的开发流程
• 2.5 小结
• 第3章 温湿度远程监测系统硬件设计
• 3.1 嵌入式硬件核心模块分析
• 3.1.1 Cyclone系列FPGA的结构特点
• 3.1.2 存储电路分析
• 3.1.3 电源电路分析
• 3.2 温湿度传感器特性的研究
• 3.3 LCD液晶显示模块设计
• 3.4 网络接口模块设计
• 3.4.1 网络接口模块硬件设计
• 3.4.2 网络设备的驱动分析与设计
• 3.5 SOPC系统模块的创建
• 3.6 小结
• 第4章 温湿度远程监测系统软件设计
• 4.1 uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的移植
• 4.1.1 uC/OS-Ⅱ的系统结构及工作原理
• 4.1.2 uC/OS-Ⅱ在NiosⅡ上的移植
• 4.2 TCP/IP网络协议栈的设计
• 4.2.1 网络协议的分层结构
• 4.2.2 NicheStack TCP/IP协议栈设计
• 4.3 应用程序设计
• 4.3.1 温湿度数据采集程序设计
• 4.3.2 LCD字符液晶显示程序设计
• 4.3.3 Socket网络通信程序设计
• 4.3.4 uC/OS-Ⅱ功能函数和任务的创建
• 4.3.5 客户端软件设计
• 4.4 小结
• 第5章 系统的测试与分析
• 5.1 温湿度信号采集测试与分析
• 5.2 网络传输监测测试与分析
• 5.3 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录