串口网关设计.docx
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串口网关设计
石家庄铁道大学毕业设计
多串口转换网关设计
DesignMulti-serialPortConversionGateway
2011届电气与电子工程学院
专业电气工程及其自动化
学号20072164
学生姓名高冠南
指导教师高蒙
完成日期2011年6月1日
毕业设计成绩单
学生姓名
高冠南
学号
20072164
班级
电0701-1班
专业
电气工程及其
自动化
毕业设计题目
多串口转换网关设计
指导教师姓名
高蒙
指导教师职称
教授
评定成绩
指导教师
得分
评阅人
得分
答辩小组组长
得分
成绩：
院长签字：
年月日
毕业设计任务书
题目
多串口转换网关设计
学生姓名
高冠南
学号
20072164
班级
电0701-1
专业
电气工程及其自动化
承担指导任务单位
电气与电子工程学院
导师
姓名
高蒙
导师
职称
教授
一、主要内容
通过stm32f107开发板的设计改造，使之成为可以适用智能网关，等管理人员可通过网关web页面方式来控制网关发出相应的指令以实现对学生宿舍用电量的控制和管理，同时对突发状况，网关会自动向管理人员发出警报信息。
二、基本要求
1．能够对金牛stm32f107开发板的各个硬件熟练地认知及软件的功能。
。
2．能够对设计中需要的软件及程序熟练掌握，能够实现用C语言编写程序。
3．能够对设计的总体结构有一定的框图。
三、主要技术指标
1．方案设计要具有合理性、先进性和可实施性。
2．能够充分实现能源的合理利用
3．能够对校园节能实现可行性。
四、应收集的资料及参考文献
[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2005.
[2]吕昌泰,罗永刚.嵌入式以太网接口的研究与设计[J]微计算机信息,2006
[3]王军波,邹继军.USB总线与协议转换器设计[J].东华理工学院学报，2006
五、进度计划
第1周到第4周导师讲述我们毕业设计所要完成的任务及设计目标，初步学习设计中软硬件知识，对设计中所需要的硬件功能及组成部分有所了解，熟悉软件中的编程，为以后工作做好铺垫，并完成开题报告。
第5周到第8周进一步熟悉stm32f107开发板及硬件部分，对每一部分的功能及组成有更深的认识，能够很清楚每一块的组成，练习编写软件中用到的程序，设计整篇论文总体框架。
准备开始。
第9周到第13周通过前几周的努力，将所有资料整理编写，并作适度修改，在老师的指导下完成毕业设计的初稿，并将论文内容检查，准备进一步完善。
第14周到第15周在导师的指点与建议下，再次修改论文中不适之处，将一些不必要的文字及图片删除，完善完成论文，最终定稿，准备毕业论文答辩。
教研室主任签字
时间
2011年2月21日
毕业设计开题报告
题目
多串口转换网关设计
学生姓名
高冠南
学号
20072164
班级
电0701-1
专业
电气工程及其自动化
一、研究背景
随着社会的发展，智能网关越来越重要，它被人们应用到了生活、生产的方方面面。
然而目前我国所用的大多都是人工监控与操作，使我国人力资源浪费。
如何实现智能化，既节省了人员的浪费，有提高了管理与控制水平，根据国家倡导，全国多所院校展开了大规模的电能节能改造活动。
其中智能网关是整个节能控制系统的核心部件，因此，研究智能网关就成了开展高校节能的主要环节。
近几年来国内许多高校和一些知名企业对研制的智能网关系统的深感兴趣。
二、发展现状
近年来，随着节能环保意识在人民群众之间引起了广泛关注。
智能供电技术在国内也广泛得到推广，国内外许多机构都在大力发展智能供电技术的研制工作。
在国外许多发达国家已把智能供电广泛应用于生活生产之中，以达到节约电能，注重环保的目的。
在国内，虽然我国对智能技术的研究起步较晚，但是发展速度很快。
对智能供电在我国已经经过了研究探讨、工程试点和工程应用的过程，智能供电技术正在逐步成熟。
三、研究内容
利用stm32f107开发板与仿真器等硬件实现一个智能网关的设计，该网关可以通过tcp/ip协议与pc机实现信息交换的功能，并通过串口rs485对基层发送各种命令，达到所需要的操作,还可以将基层发送到的信息传送给pc,从而实现双向信息的传递。
四、研究方法
前期阶段在老师指导下我们参与了学校网关设计过程，在这个过程中了解并掌握了网关的基本构造，老师给我们讲解了整个网关的结构构造及软件组成，进一步理解学习了整个系统，掌握了这一模块的流程。
有学习了所需一些编程，对网关的功能实现有了新的认识。
在这个基础上，查了大量相关的资料，按照整个系统框架一步步进行设计。
将这段时间的学习内容与经历完成了本篇论文。
五、预期结果
通过对stm32f107开发板的改造设计，能够实现校园节能，由上位机经以太网传送命令到智能网关，智能网关再通过rs485通信协议控制底层多功能电表，从而实现管理自动化、智能化，对校园内每一宿舍进行监控与管理。
指导教师签字
时间
2011年3月12日
摘要
智能网关是校园供电系统的核心部分，它可以通过tcp/ip协议与上位机通信，并在接收上位机的命令后通过rs485总线协议控制底层各个部分的工作，如控制宿舍电灯开关，宿舍欠费及使用违章电器时自动断电等。
当某个宿舍出现用电异常时，网关可向控制中心自动发出警报。
管理人员可通过访问网关web页面的方式来控制网关发出相应的指令，实现对学生宿舍用电的控制和管理。
本论文研究的网关做为整个系统的核心控制部件，其主要硬件设备包括stm32f107核心板和外围接口电路。
核心板主要承担数据采集与转换任务，将来自宿舍多功能电表的数据进行协议转换后接入校园节能监管网络，传输至校园节能监管中心。
外围接口电路包括以太网接口、485通信接口、SPI接口等，主要实现与外围设备的连接。
关键词：
智能网关TCP/IPrs485协议转换
Abstract
SmartGatewayisthecoreofthecampuspowersupplysystem,itcancommunicatewiththehostcomputerbyTCP/IPandreceivecommandsfromhostcomputertocontroleachpartoftheworkbyrs485busprotocol,suchasthecontrollightswitchdormitories,dormitoriesarrearsandtheuseofillegalelectricalpower,etc.automatically.Whenadormitoryappearelectricityanomalies,thegatewaycanautomaticallyalerttothecontrolcenter.Managerscanmakeuseofthewebpagestocontrolthegatewayandissueappropriateinstructions,torealizethestudentdormitoriespowercontrolandmanagement.
Inthisstudy,thegatewayisthecoreofthesystemcontrolunit,themainhardwaredevicesisincludedinstm32f107coreboardandperipheralinterfacecircuits.Thecoreboardismainlyresponsiblefordatacollectionandconversiontasks,andwillmakeprotocolconversionfromdormitoriesmultimeterdataandinputcampusenergy-savingsupervisionnetwork.PeripheralinterfaceisincludedinEthernetinterfaces,485communicationinterface,SPIinterface,Itmainlyrealizestolinkperipherals.
Keywords:
smartgatewayTCP/IPrs485protocolconversion
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
随着社会的发展，人工操作已越来越不能满足当今社会的快速发展的需要。
智能这个词引起了人们的高度重视，尤其是在电能方面，单独人工操作不仅容易引起错误，也造成大量人力资源浪费。
电能作为一种重要的能源，被人们应用到了生活、生产的方方面面。
因为电能资源有限且不可再生，所以如何在现生产生活中实现高效自动节能成为当今社会普遍关注的问题。
学校作为用电的主要用户之一，其建筑规模庞大、类型繁多，生活用电和科研用电巨大，加之很多院校对电能的使用又采用粗放型，没有加强科学管理，造成了电能大量浪费。
同时学校的用电状况也出现恶化，由于有些学生和老师用电不当造成火灾或供电设备损坏的情况时有发生，严重影响学校生活秩序。
因此学校的节能和用电安全工作也逐渐受到各大高校后勤管理部门的重视。
智能网关是目前我高校正在研制并初步运用的有效手段之一。
智能网关是学校节能控制中心与多功能电表互通信息的桥梁。
智能网关将控制中心PC发送的命令传递给多功能电表，从而实现控制中心对多功能电表的管理。
智能网关做为校园节能系统的核心，是要实现学校能耗数据化、管理动态化、数据可视化、节能指标化的关键。
本论文针对我校用电节能和用电安全改造项目的要求进行设计。
通过智能网关的建设，实现对我校电能管理系统的改造，实现电能管理自动化，减少电能及人力资源的浪费，保障学校用电安全。
1.2智能网关发展历史及现状
网关又称网间连接器、协议转换器。
网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。
网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。
网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。
可以说，网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。
在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。
与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。
同时，网关也可以提供过滤和安全功能。
大多数网关运行在OSI7层协议的顶层—应用层。
目前我们较为常见的网关分为以下三种类型：
协议网关、应用网关、安全网关。
一、协议网关
协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。
这一转换过程可以发生在OSI参考模型的第2层、第3层或2、3层之间。
但是有两种协议网关不提供转换的功能：
安全网关和管道。
由于两个互连的网络区域的逻辑差异，安全网关是两个技术上相似的网络区域间的必要中介。
如私有广域网和公有的因特网。
二、应用网关
应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。
典型的应用网关接收一种格式的输入，将之翻译，然后以新的格式发送。
输入和输出接口可以是分立的也可以使用同一网络连接。
应用网关也可以用于将局域网客户机与外部数据源相连，这种网关为本地主机提供了与远程交互式应用的连接。
将应用的逻辑和执行代码置于局域网中客户端避免了低带宽、高延迟的广域网的缺点，这就使得客户端的响应时间更短。
应用网关将请求发送给相应的计算机，获取数据，如果需要就把数据格式转换成客户机所要求的格式。
三、安全网关
安全网关是各种技术有趣的融合，具有重要且独特的保护作用，其范围从协议级过滤到十分复杂的应用级过滤。
一个智能网关可以看成是一个信息处理系统，组成系统的各单元就是连接在网络各节点的设备。
控制平台一方面辅助不具备信息化条件的设备实现信息化，即提供信息处理的能力;另一方面又提供统一的信息交换接口及控制规则，从而实现从网关与pc信息的互通。
现在我所研究的是一种:
浏览器+WEBServer+CGI技术，以浏览器+WEBServer+CGI为主的技术手段能获取单个宿舍中的节点信息。
有助于实现对宿舍用电情况的监控，目前国内外智能供电系统现有的通信方式主要有:
（1）电话网线通信。
利用电话网通信，只需在数据集中器和管理中心主机各加装调制解调器即可，其通信速率可达2.4kbps、9.6kbps甚至56kbps，主机对集中器的呼叫可以通过拨号由交换机自动完成。
但当集中器数目N较多时，租用电话线路多，其租用费用也很可观，因此不适合大容量系统。
（2）电力线载波通信。
电能信号经过调制后通过电力线传输，其优点是不需另外布线，安装方便。
但传输距离远时需额外安装中继器以补偿信号的衰减，且信号易受到干扰，传输质量差。
（3）无线通信。
系统采用较成熟的无线通信技术，如红外线通信，使用维护比较方便，但成本高，信道易受到干扰。
（4）基于RS-485总线通信。
该方式因具有结构简单、成本低、布线容易等特点而被广泛使用，特别在国内具有很强的影响力。
目前许多厂家生产的设备大多提供RS485接口，并以此为标准。
RS485与应用普遍且为计算机标准配置的RS232接口的转换器或设备十分常见和通用，这更增加了RS485总线的应用广泛性。
RS485总线技术实现成本低廉，传输距离较远，通讯可靠，抗干扰能力强，可实现多点通讯（现在的通用技术己可以带到256个节点）。
另外，RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议，因此较其它标准更具有灵活性。
凭借其成熟的技术和通用性，RS485总线应该是当前国内网络抄表行业一个最好的选择。
智能供电系统是计算机、通信技术在低压配电网上的应用，是一种很先进的方式，它的高度自动化为企业减员增效提供了条件，同时也降低了劳动强度，而且还提高了抄表的准确性和及时性，避免了电能不必要的浪费。
综合考虑，集中智能联网供电系统本地通信方式选用RS-485异步串行通信，硬件成本低、软件实现简单、运行可靠并且具有很好的发展前景。
第2章开发平台介绍
2.1硬件平台概述
本块开发板采用STM32F107VC处理器，是意法半导体推出全新STM32互连型系列微控制器中的一款性能较强产品，由一块核心板和一块子版构成，如下图2-1：
图2-1金牛开发板
2.1.1stm32f107微处理器简介
Stm32f107采用ARM32-bitCortex-M3处理器，最高72Hz主频256KbFlash64KbSRAMUSB2.0全速设备/主控器/OTG片内PHY10/100以太网并使用专用的DMA及SRAM12通道DMA控制器正交编码器16-bit电机控制器PWM。
2.1.2stm32f107开发板简介
金牛嵌入式开发板采用STM32F107VC，是意法半导体推出全新STM32互连型（Connectivity）系列微控制器中的一款性能较强产品，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。
新STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/sAD（模数转换器）（快速交替模式下2Msample/s）、两个12位DA（数模转换器）、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口和高质量数字音频接口IIS,另外STM32F107拥有全速USB（OTG）接口,两路CAN2.0B接口,以及以太网10/100MAC模块.此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品需求。
开发板集成了大量功能元件的硬件配置:
STM32F107VC
32位RISC性能处理器
32位ARMCortex-M3结构优化
72MHz运行频率，1.25DMIPS/MHz
硬件除法和单周期乘法
快速可嵌套中断，6-12个时钟周期
具有MPU保护设定访问规则
高达256KBFlash,高达64KB的SRAM
网络通信功能
一个RJ45网络接口，支持10M/100M自适应网络
一个RS485网络通讯接口
两个CANBUS网络通讯接口
人机交互接口
一个3.2寸或2.8寸大屏幕320*240，26万色TFT-LCD，
支持8/16位总线接口，镜面屏，超高高度
电阻式触摸屏，含专业高精度触摸屏控制芯片（RSM1843）
四个LED发光管指示，一个电源发光管指示
两个GPIO按键
一个RESET按键
两个RS232串行通信接口（DB9）
串口1用于通信，需设置跳线选择连接串口1
串口2用于通信支持ISP，需设置跳线选择连接串口2
一个miniAB型USB插座,支持最新USBOTG技术,配备USB主机转接线，从机转接线
USBOTG功能，支持外接优盘
SPI接口
一路连接DATAFLASH（AT45DB161D）
一路连接到TFT模块的触摸驱动芯片（RSM1843）
IIC接口
IIC接口外接EEPROM（24LC02）
一个SD卡座SPI操作方式（不含SD卡），提供文件系统（FATFS）
外接两路独立的ADC输入通道
外接两路独立的DAC输出通道
一路电位器输入模拟信号
一个标准JTAG/SWD调试接口（20pin）
供电方式：
5V电源适配器或USB供电，通过跳线选择
引出芯片所有IO，方便二次开发
2.1.3JTAG仿真器
J-link是SEGGER公司为支持仿真器arm内核芯片推出的JTAG仿真器。
配合IAREWARM,ADS,KEIL,WINARM,REALVIEW等集成开发环境支持所有内核芯片的仿真，通过RDI接口和个开发环境之间无缝连接，操作简便。
图2-2仿真器外观图
图2-3仿真器外部电路板
使用仿真器时一定要注意安全操作，在保证电路设计正确、仿真器接口符合要求的前提下，还应注意以下三点：
（1）要求安装仿真器的计算机的地和主控板的地必须可靠连接。
（2）不应带电插拔仿真器插头，特别是计算机正处于仿真调试状态时，更不能将仿真头从电路板上取下。
（3）电路板断电前，应先退出仿真器软件窗口。
J-LINKARM主要特点
1USB接口符合USB2.0规范
2标准20芯JTAG接口
3支持全系列ARM7/9/11，Cortex_M0/M1/M3ARM核，包括Thumb模式
4IAREWARM集成开发环境无缝连接的JTAG仿真器
5USB接口供电，无需外接电源
6J-LINK支持对目标板5V（300mA），3.3V（400mA）供电
7带USB连接线和20芯扁平电缆
8支持RDI接口，J-LINK可用于具有RDI接口的开发环境,支持主流的开发环境ADS,IAR,KEIL,WINARM,REALVIEW等.
9下载速度高达ARM7:
600kB/s，ARM9:
550kB/s，通过DCC最高可达800kB/s
10目标板电压范围1.2V-3.3V
11自动速度识别功能
12监测所有JTAG信号和目标板电压
13完全即插即用支持多JTAG器件串行连接
2.2软件平台概述
网关基于uc_osⅡ嵌入式操作系统平台。
使用lwip协议栈，后台CGI脚本使用C语言编写，前台Web页面则使用HTML、Javascript和CSS编写，利用Ajax技术实现前台与后台之间的数据通讯。
2.2.1uc-osⅡ操作系统简介
μC/OS-II是一种简单、高效的嵌入式实时操作系统内核,支持x86、ARM、PowerPC、MIPS等众多体系结构.uC/OS-II内核具有可抢占的实时多任务调度功能.提供了许多系统服务，如信号量、消息队列、邮箱、内存管理、时间函数等，实时多任务操作系统内核。
它被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理器，μC/OS-II的前身是μC/OS，μC/OS和μC/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。
CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU上。
用户只要有标准的ANSI的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS-II嵌人到开发的产品中。
μC/OS-II具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，
2.2.2LWIP简介
lwIP是瑞士计算机科学院（SwedishInstituteofComputerScience）的AdamDunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈,TCP/IP以其高效、可靠、实用的特点和得天独厚的因特网背景，在计算机网络中广泛应用，Lwip既可以移植到操作系统上,又可以在无操作系统的情况下独立运行.支持多网络接口下的IP转发支持ICMP协议包括实验性扩展的的UDP包括阻塞控制，RTT估算和快速恢复和快速转发的TCP提供专门的内部回调接口（RawAPI）用于提高应用程序性能可选择的Berkeley接口API。
2.2.3RealViewMDK4.0简介
RealView工具集是ARM公司最新推出的专业嵌入式开发工具，在从概念设计到产品实现的整个嵌入式开发过程中，都能提供强有力的支持，其中每个工具的研发都与ARMIP核的设计紧密结合，使用这些开发工具能够最大程度的发掘IP核的性能。
RealView工具集中包含两个集成开发工具：
MicrocontrollerDevelopmentKit和RealViewDevelopmentSuite，它们分别为不同的开发目标平台提供不同的最优化开发方案，其中，MDK是为满足基于MCU进行嵌入式软件开发的需优化的RTOS库。
MDK适合不同层次的开发者使用，包括专业的应用程序开发工程师和嵌入式软件开发者，并能满足要求较高的微控制器应用。
2.3本章小结
通过以上的分析与设计，本章软硬件的开发平台基本已介绍完善，对开发板与仿真器有了新的认识，并明白了今后内容的重点，充实自己的软件开发平台的知识，进一步学习软件，为今后几章具体硬件与软件系统的设计做好了的准备。
第3章系统硬件介绍
3.1供电系统介绍
智能供电系统是一新型智能化用电管理系统，针对公寓和集体宿舍开发的集电能计量、负载识别、用电实时检测、违章用电查处与状态实时显示为一体的多功能用电管理系统。
该系统采用计算机分级控制方式，按照各个不同单位管理中心设定的用电负荷标准，
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