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燕山大学

毕业设计（论文）

基于TCP/IP的终端数据采集与传输模块的设计

学院（系）里仁学院

年级专业 04级电子信息2班

学生姓名 宗瑞山

指导教师 卢辉斌

答辩日期 2008.6.22

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燕山大学毕业论文任务书

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摘 要

随着USB第一个协议的推出，USB规范稳健发展，USB接口也被广泛

应用。如今，USB已经成为PC上的标准接口，并且大有取代并口和串口之势。在数据采集与传输方面，USB主机通过以太网传输是一个前沿的课题。

为了适应现代数据采集系统朝着强实时，多参数，高精度方向的发展，

以及克服传统单片机数据采集系统无法适应安全性高， 实时性强场合的缺点，本次设计了一种基于TCP/IP终端数据采集与传输模块的系统。本系统以ARM7系列的LPC2210为处理核，以μC/OS-II为操作系统。该系统采用了串口，USB，以太网3种与PC机的通讯方式，以适应不同场合的需要，非常方便。

本次设计主要分为硬件设计与软件设计两部分，其中硬件部分主要包

括以太网模块和USB主机模块的设计，软件部分主要包括μC/OS-II嵌入式操作系统的移植，以太网口驱动和TCP/IP协议栈的实现，USB主机驱动和USB协议栈的实现。

关键词 LPC2210 ；嵌入式 ；μC/OS-II ；TCP/IP

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Abstract

. With the USB launched the first agreement, USB stable development of

standardized, USB interface has been widely applied. Today, USB has become

the standard interface on a PC and replace the great potential of serial and

parallel port. In data collection and transmission connection, USB host via

Ethernet transmission is a cutting-edge issues.

In order to adapt to modern data collection system in the strong real-time,

multi-parameter, high-precision direction of development and overcome

traditional SCM data acquisition system can not adapt to safe, real-time

occasions the shortcomings of this design, which is based on TCP / IP terminal

data acquisition and transmission modules of the system. ARM7 family of the

system to the LPC2210 to deal with nuclear, μ C / OS-II for the operating

system. The system uses a serial port, USB, Ethernet and PC three kinds of

means of communication to meet the needs of different occasions, very

convenient.

The design of the hardware design can be divided into two parts and

software design, hardware, including some of the major Ethernet module and

USB host module design, software, including some of the major μ C / OS-II

Embedded operating system migration, Ethernet mouth Driver and TCP / IP

protocol stack to achieve, USB drives and USB host stack of achieving

Keywords LPC2210；Embedded；μC/OS-II；TCP/IP

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目 录

摘 要 ............................................................................................................. I

Abstract ........................................................................................................ II

第1章 绪论 ................................................................................................ 1

1.1 课题背景 .......................................................................................... 1

1.1.1嵌入式系统 ............................................................................... 2

1.1.2 嵌入式微处理器 ...................................................................... 2

1.2 本次设计的内容 .............................................................................. 3

1.3 本次设计的意义 .............................................................................. 3

1.4 本次论文的主要工作与章节安排 .................................................. 4

第2章 系统的总体设计 ............................................................................ 5

2.1 微处理器的选择 .............................................................................. 5

2.2 嵌入式操作系统的选择 .................................................................. 6

2.3 系统软硬件方案设计 ...................................................................... 7

2.3.1 硬件设计方案 .......................................................................... 7

2.3.2 软件设计方案 .......................................................................... 7

2.4 本章小结 .......................................................................................... 8

第3章 系统硬件设计 ................................................................................ 9

3.1系统硬件的总体设计 ....................................................................... 9

3.2 单元电路设计 ................................................................................ 10

3.2.1电源电路 ................................................................................. 10

3.2.2 存储模块电路 ......................................................................... 11

3.2.3 JTAG接口电路 ....................................................................... 13

3.2.4 以太网接口电路 .................................................................... 14

3.2.5 USB主机电路 ....................................................................... 15

3.2.6 其他电路设计 ........................................................................ 17

3.3本章小结 ......................................................................................... 18

第4章 系统软件的设计 .......................................................................... 19

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4.1系统初始化模块 .............................................................................. 19

4.1.1 系统运行环境的初始化 ......................................................... 19

4.1.2 应用程序的初始化 ................................................................. 19

4.2 ΜC/OS-II在LPC2210的移植 ....................................................... 20

4.2.1 OS_CPU.H文件的移植 ............................................................ 20

4.2.2 OS_CPU.C文件的移植 ............................................................ 21

4.2.3 OS_CPU_A.S文件的移植 ........................................................ 22

4.3以太网部分软件模块 ...................................................................... 24

4.3.1 TCP/IP协议及相关函数 ........................................................ 25

4.3.2 TCP/IP协议栈实现 ................................................................ 28

4.4 SL811HS驱动及USB主机软件设计 .............................................. 29

4.4.1 SL811HS与LPC2210通信驱动驱动HCD ............................... 29

4.4.2基于SL811HS的USB主机协议软件实现 .............................. 29

4.5 其他部分的软件实现 ..................................................................... 31

4.6 本章小结 ......................................................................................... 31

结 论 ........................................................................................................... 32

参考文献 ..................................................................................................... 33

致谢 ............................................................................................................. 34

附录1 ............................................................................................................ I

附录2 ......................................................................................................... VI

附录3 ........................................................................................................... X

附录4 ....................................................................................................... XIX

附录5 ........................................................................................................ XX

附录6 ....................................................................................................... XXI

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1994年底，以Intel为首的7家公司推出了USB(Universal Serial Bus,

通用串行总线)第一个规范协议，专用于中、低速的计算机外设与PC机的

数据传输。自此，USB规范稳健发展，从最初的1.0版本到现在的2.0版本，

最高数据传输速率已经达到480 Mbps，USB接口也被广泛应用。如今，USB

已经成为PC上的标准接口，并且大有取代并口和串口之势[1]。

但是，由于在USB拓补结构中，居于核心地位的是主机，任何一次

USB的数据传输都必须由主机发起和控制，所有的USB设备都只能和USB

主机建立连接，任何两个USB设备之间无法直接进行通信。目前在市场上

能够购买到和使用的都是USB设备，例如优盘、mp3、USB移动硬盘、数

码相机等，而目前的USB主机都是基于PC的，这样所有的USB设备都只

能在PC上使用，脱离了PC，USB设备就无用武之地，所以，如何将USB

设备应用于非PC领域成了当务之急；人类进入信息化社会后，Internet已

经成为现代社会最重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。通

过Internet，数以百万计的智能温度传感器、压力传感器、大气污染传感器、

智能摄像机、各种机器及设备的智能控制器，将监控我们的城市、工厂、

大气、家庭甚至我们的身体本身，因此，USB如何通过网络通信也是刚刚

兴起的一个热点，特别是USB主机通过以太网传输是一个前沿的课题。

在工农业控制、数据采集中，串口还扮演着很重要的角色。成千上万

的设备，如检测器、感应器、读卡机等，他们中很大一部分是使用传统串

口进行通信，而随着我国工业现代化步伐的加快，对提高生产效率、控制

质量和降低成本的要求越来越高，串行通信固有的传输速率低、距离有限、

布线繁杂等缺点逐渐展现出来，但是不能一下全部淘汰，对于这些领域的

串口设备来说，让这些设备连上以太网也将是一种趋势。

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以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，

将其分为大型计算机、中型机、小型机和微计算机，这种分类沿袭了约40

年。近10年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况产生了根本性的变化。

例如70年代定义的微计算机演变出来的个人计算机(PC)，如今已经占据了

全球计算机工业90%的市场，其处理速度也超过了当年大、中型计算机的

定义。随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分

类方法变得更为切合实际。也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用

将其分为嵌入式计算机系统和通用计算机系统。

嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件

可剪裁、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的

专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子

技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，是一个技术密集、资金密集、

高度分散、不断创新的知识集成系统。现在，嵌入式系统以其小型、专用、

易携性、可靠性高的特点，已经在工业控制、交通管理、信息家电、家庭

智能管理系统、POS网络以及电子商务、环境监测、机器人等各领域得到了

广泛的应用。

1.1.2 嵌入式微处理器

嵌入式微处理器是指以应用为型的嵌入式处理器，据不完全统计，全

世界嵌入式处理器的品种已有上千种之多。其中，我们最为熟悉的是8051

结构的产品。嵌入式系统的处理器可以分为两大类：一类是采用通用计算

机的CPU为处理器，如X86系列；另一类为微控制器和DSP，微控制器具有

单片化、体积小、功耗低、可靠性高、芯片上的外设资源丰富等特点，成

为嵌入式系统的主流器件。

由于ARM芯片强大的处理能力和极低的功耗，现在越来越多的公司在

产品选型的时候考虑到使用ARM处理器。采用RISC架构的ARM 微处理

器一般具有如下特点：

(1)体积小、低功耗、低成本、高性能；

(2)支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位

器件；

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(3)大量使用寄存器，指令执行速度更快；

(4)大多数数据操作都在寄存器中完成；

(5)寻址方式灵活简单，执行效率高；

(6)指令长度固定[2]。

1.2 本次设计的内容

本次设计主要是对串行通信、以太网协议和USB主机设计进行研究，

并在此基础上设计了一个以ARM7TDMI系列的LPC2210作为硬件MCU， 以μC/OS-II作为操作系统的嵌入式系统，实现了这几个协议的移植以及串

口到网口，USB到网口的数据传输和USB主机在非PC领域应用的实现。具

体的工作内容为：

(1)研究和分析LPC2210的结构以及搭建基于LPC2210的硬件平台；

(2)研究和分析μC/OS-II源代码，编写μC/OS-II到ARM的移植代码；

(3)分析和研究TCP/IP协议结构；

(4)在嵌入式TCP/IP协议的基础上，构建嵌入式系统接入网络的实现；

(5)研究和分析了USB主机协议；

(6)实现完成了USB与以太网数据的透明传输。

1.3 本次设计的意义

本次设计通过对硬件与软件的设计最终实现USB与以太网数据的透明

传输，其意义体现在以下几个方面：

(1)有效解决了设备的远程监控、数据采集的难题 通过嵌入式以太网

技术易于将远程设备、智能仪表、传感器的信息与企业的信息管理系统集

成，提高了管理水平和决策能力，有效地对现场实时、全面的进行监控和

数据采集。

(2)USB主机为脱离PC进行USB设备控制提供了技术支持 无论生活消

费品还是工业控制中，优盘、mp3、USB移动硬盘、数码相机、USB打印机、

数据采集分析仪等USB产品已经越来越普遍，USB主机设计使它们的使用不

再受到地点的限制。

(3)通信平台使多种协议相互间通信变得方便 在大量的终端电子设

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备上，如门禁终端、远程抄表、远程监控等，需要嵌入各种通信接口，以

便设备之间、设备与主机之间进行互通信。常用的通信方式：USB，IEEE1394，

Ethernet/Fast Ethernet，蓝牙，RS232等。本课题拟设计一种通用通信平台，

具有常用的以太网接口、USB接口，并且还可以在此平台上进行扩展。

1.4 本次论文的主要工作与章节安排

本次论文的主要工作是通过对μC/OS-II、USB主机、以太网协议进行

研究，在此基础之上设计基于以太网的便携式通信平台，来实现USB主机

与网口间的数据传输。

本次论文的章节安排如下：

第1章 绪论主要介绍论文的研究背景和相关研究领域的一些内容。

第2章 描述述了微处理器和嵌入式操作系统的选择，得出系统的总体

设计方案。

第3章 通过对各个单元电路的设计最终完成硬件的总体设计。

第4章 通过对各部分软件的分析最终完成系统的软件设计。

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第2章 系统的总体设计

根据嵌入式的一般设计方法，可以将系统分为硬件设计和软件设计两

部分。硬件部分主要完成微处理器与串口、以太网、USB等模块间的接口电

路设计，以及控制信号的处理；软件部分主要完成串口与网口间、USB与

网口间的双向数据传输，以及USB主机驱动实现，这其中包括硬件系统的

启动实现，由于系统需要运行多任务，一个嵌入式操作系统必不可少，

TCP/IP协议实现以太网数据包的收发，串口驱动程序完成串行数据的收发，

USB主机驱动程序完成对USB设备的控制和数据收发。

2.1 微处理器的选择

微处理器是系统的控制核心，其性能的好坏直接决定了多协议处理系

统性能的优劣。因此微处理器的选择是系统设计首先考虑和重视的问题。

微处理器的选择主要考虑以下几个方面的因素：

(1)微处理器的速度 它以时钟周期或机器周期表示，一般以实际应用

要求为准，在本系统中需要对串口、USB和以太网数据进行及时的收发，

以及USB主机对USB设备进行控制，对处理器的速度有一定的要求。

(2)微处理器的位数 目前常用的有8位、16位和32位微处理器。8

位微控制器主要为低价应用而设计，通常由集成的内存和输入输出设备组

成，性能很低，只能完成一些基本的任务；16位微控制器被用于比较精密

的应用，这些应用通常需要的字长或是独立的内存和输入输出设备；32位

产品是目前的应用主流，能提供较高的性能，各个嵌入式处理器厂商都将

它作为重点。为了保证数据一定的精度，本系统选用32位微处理器。

(3)指令系统 指令系统强意味着指令丰富(基本指令数多)，指令功能

强。这给程序设计带来极大的方便，而且可以缩短系统处理数据的时间，

有利于整个系统性能的提高。

(4)是否内置调试工具 处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试

周期，降低调试的难度。

(5)电源的种类及功耗大小 ARM7系列的功耗非常低，而且有休眠模式

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和掉电两种更加低功耗的模式[3]。

基于本系统对数据处理及时性和数据精度方面的考虑，选择了32位的

ARM7系列处理器。LPC2210是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位

ARM7TDMI-S CPU的微控制器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加

速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的

应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却

很小。LPC2210具有如下的特点：

(1)16/32位144脚ARM7TDMI-S微控制器；

(2)16K字节片内静态RAM；

(3)通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组容量高达16M字

节，数据宽度为8/16/32位；

(4)串行Boot装载程序通过UARTO将实现在系统下载和编程；

(5)EmbeddedICE-RT接口使能断点和观察点，当前台任务使用片内

RealMonitor软件调试时，中断服务程序可继续执行；

(6)嵌入式跟踪宏单元(ETM)支持对执行的代码进行无干扰的高速实时

跟踪；

(7)8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44 μs, 2个32位定时器(带4

路捕获和4路比较通道)、6路输出的PWM单元、实时时钟和看门狗；

(8)多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口(400

Kbit/s)和2个SPI接口；

(9)片内晶振频率范围1-30 MHz，通过片内PLL可实现最大为60 MHz

的CPU操作频率；

(10)向量中断控制器，可配置优先级和向量地址；

(11)多达76个GPIO口(可承受5 V电压)，12个独立外部中断引脚；

(12)两个低功耗模式：空闲和掉电；

(13)可通过外部中断将CPU从掉电中唤醒；

(14)可通过使能/禁止外部功能来优化功耗；

(15)双电源：CPU操作电压范围为1.65-1.95 V(1.8 V±8.3%)，I/O操作

电压范围为3.0-3.6 V(3.3 V±10%)。

2.2 嵌入式操作系统的选择

随着嵌入式操作系统自身的发展，其稳定性、可靠性及其强大的功能

等特点使其在嵌入式系统领域中应用越来越广泛。目前的嵌入式操作系统

很多，但在众多的嵌入式操作系统中μC/OS-II是一个源码公开、可移植、

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可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统，是一种专门为微控制器

设计的操作系统，具有简洁易学、可移植性强、而且源码可以免费得到等

优点。故本课题选用它作为操作系统[4]。

2.3 系统软硬件方案设计

本次设计选择了LPC2210的ARM处理器作为系统的处理核心，选择

了μC/OS-II操作系统作为系统的开发平台。系统可分为硬件设计和软件设

计两部分。

2.3.1 硬件设计方案

硬件部分是实现整个系统功能的基础，是整个设计实现的关键。主要

设计包括：

(1)处理器模块设计 处理器模块是整个系统的核心部分，主要完成以

下功能：在串口数据、USB数据和以太网IP数据之间建立数据链路；通过

对以太网控制芯片的控制读写实现对IP数据包的接收与发送

(2)USB主机模块设计 对主机和设备的各种状态进行管理和控制；利

用串行引擎接口SIE来完成数据串行/并行化，具体来说就是将主机输出的

并行数据转换成串行数据，而将设备发来的串行数据转换成并行数据；每

隔1ms产生一个帧起始包SOF来将USB总线的时间划分为一个个的帧，

而所有的USB数据传输任务都是在以帧为单位的时间间隔内进行的；提供

根Hub及主机系统接口，用于提供与USB设备的连接点以及与核心CPU

之间的通信接口，这里选择了Cypress公司的SL811HS芯片，它也是市场

上用量比较大的USB主机芯片，产品成熟。

(4)以太网接口模块 该模块主要由以太网接口部分和以太网控制部分

构成。以太网接口部分完成的是协议转换系统与以太网接口电路的功能，

控制器对所有模块均有控制作用，使整个接口电路能协调地配合后续电路

完成以太网的收发功能。以太网控制部分由RTL8019AS的远程DMA和本

地DMA完成数据的收发。

2.3.2 软件设计方案

软件设计是整个系统设计的重要组成部分，软件部分的设计主要有：

(1)硬件系统启动代码的实现。

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(2)μC/OS-II嵌入式操作系统的移植。

(3)以太网口驱动和TCP/IP协议栈的实现。

(4)USB主机驱动和USB协议栈的实现。

2.4 本章小结

本章对对微处理器和嵌入式操作系统的选择依据作了简单的描述，微

处理器选择了性价比较高的ARM7系列的LPC2210，嵌入式操作系统选择

了公开源代码的且扩展性、安全性都比较高的μC/OS-II；最后对系统整体

的硬件方案和软件方案作了简单的分析，从而为以下章节打好基础。

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第3章 系统硬件设计

3.1系统硬件的总体设计

嵌入式系统的硬件部分主要包括微处理器，存储器，输入输出等部分。

此嵌入式数据采集系统主控芯片为ARM7系列的LPC2210。在数据通讯方

面整个系统可以通过串口，USB，以太网三种方式与PC进行通讯，可以满

足大部分场合的需要。本次设计的硬件系统框图如图3-1：

图3-1硬件系统框图

在硬件的各个组成部分之中处理器是其中的核心部分，通过第一章的

简单介绍，本次设计所采用的是微处理器是飞利浦公司的LPC2210。其内

部结构和各个引脚功能可以在周立功关于LPC2210的介绍中得到hen详细

的说明，此处就不再介绍。其他各部分的功能描述如下：

(1)串行接口电路用于LPC2210系统与其他应用系统串行通讯；

(2)网络接口电路用于以太网收发数据；

(3)USB主机电路用于对USB设备进行控制；

(4)电源电路分别为5 V-3.3 V、5 V-1.8 V的LDO转换器，给LPC2210

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及其他需要3.3 V电源的外围电路供电：系统也提供5 V供电；

(5)2 Mbytes外部FLASH存储器可存放用户应用程序、嵌入式操作系统

或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等；

(6)I2C接口电路对E2PROM进行控制；

(7)SRAM外部存储器扩展作为系统运行时的主要区域；

(8)JTAG接口可以对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可以烧

写FLASH和对系统进行调试、编程等[5]。

以下将详细介绍硬件设计的各个单元。

3.2 单元电路设计

3.2.1电源电路

LPC2210的I/O口供电电源为3.3 V，内核及片内外设供电电源为1.8 V；

一共有四组电源输入：数字3.3 V、数字1.8 V、模拟3.3 V、模拟1.8 V。由

于不使用A/D功能，模拟电源和数字电源可以不分开供电。从周立功的

LPC2210的使用说明中更可以得到其1.8 V消耗电流的极限是70 mA，其它

部分无需1.8 V的电压，要求3.3 V电源系统能够提供600 mA电流。根据

以上可以画电路图如图3-2：

图3-2电源电路图