摘 要

随着现代社会的快速发展，每行每业对于电网系统的要求越来越高，对于此种现象国家电网公司提出来了智能电网的概念。对于传统的电力数据采集系统一般采用串口通信方式实现电能信息的采集,对于这种方式来说存在的缺点是精度比较低、数据传输会有延迟、采集信息数量比较少等,这种方式显然已经跟不上时代的发展了。近年来，物联网技术得到了飞速发展，而且各行各业许多的控制设备与网络互联，基于此本文采用以太网技术与MODBUS TCP协议实现对于电能信息的采集。

通过筛选，最终确定把具有Cotex-M3内核的STM32F407系列单片机作为此次项目的处理器，选取的硬件开发平台是启明STM32F407开发板，同时经过不同的比较，也选择出了一系列的开发调试工具来创建研发平台，主要有KEIL MDK、Modbus Slave、网络调试助手、串口调试助手等。同时选择了UCOSII作为实时操作系统，选择了LWIP网络协议^[1]、Modbus通信协议等。然后编写SRAM驱动、TFT液晶屏驱动、TCP/IP客户端、串口驱动等相关程序^[1]，最终实现以开发板作为客户端（数据采集终端），Modbus Slave软件（模拟电表）作为服务器，通过以太网完成数据的传输。

关键字：UCOSII LWIP 处理器（STM32F407ZGT6） 以太网 Modbus协议

Design of Smart Grid Data Acquisition Device Based on ARM

Abstract

With the rapid development of modern society, the requirements of the grid system are becoming higher and higher in every industry and every industry^[2]. For this phenomenon, the State Grid Corporation has proposed the concept of smart grid^[3]. For the traditional power data acquisition system, the serial communication method is generally used to collect the power information. The disadvantages of this method are low precision, delay in data transmission, and relatively small amount of information collected. Can't keep up with the development of the times. In recent years, the Internet of Things technology has developed rapidly, and many control devices in various industries and networks are interconnected. Based on this, Ethernet technology and MODBUS TCP protocol are used to collect power information.

Through my screening, I finally decided to use the STM32F407 series MCU with Cotex-M3 core as the processor of this project. The selected hardware development platform is the Qiming STM32F407 development board. At the same time, after different comparisons, I also selected a series of Development and debugging tools to create a development platform, mainly KEIL MDK, Modbus Slave, network debugging assistant, serial debugging assistant. At the same time, I chose UCOSII as the real-time operating system, and chose LWIP network protocol, Modbus communication protocol and so on. Then write SRAM driver, TFT LCD driver, TCP/IP client, serial port driver and other related programs , and finally realize the development board as the client (data acquisition terminal), Modbus Slave software (analog meter) as the server, through Ethernet completes the transmission of data.

Keywords: UCOSII LWIP processor(STM32F407ZGT6) Ethernet Modbus protocol

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景 1

1.2 研究现状 1

1.3课题的目的与意义 1

1.4研究方法 2

第二章 整体方案选择和架构设计 3

2.1 UCOSII操作系统简介 3

2.1.1 UCOSII的任务管理 3

2.1.2 UCOSII的内存管理 4

2.1.3 UCOSII的任务间通信 4

2.1.4 UCOSII的任务调换 4

2.2 TCP/IP协议简介 4

2.3 LWIP简介 5

2.4 USART介绍 5

2.5 硬件部分 6

2.6 软件部分 7

2.7 系统架构 7

第三章 硬件系统介绍 9

3.1 STM32F407微处理器简介 9

3.2 DP83848以太网收发器 9

3.2.1 DP83848主要特性 9

3.2.2 以太网部分电路介绍 10

3.3电源模块 10

3.3.1 MP2359特点 10

3.3.2 MP2359管脚功能介绍 10

3.3.3 电源电路介绍 11

3.4 复位模块 11

3.5 串口调试模块 12

3.6 程序下载接口 12

3.7 STM32启动模块 13

3.8 液晶屏显示模块 13

3.9 蜂鸣器模块 14

第四章 基础软件实现 15

4.1 软件开发平台介绍 15

4.2 UCOSII的移植与测试 15

4.2.1移植准备工作 15

4.2.2 UCOSII与开发板间的关系 15

4.2.3 将UCOSII装载到开发板 16

4.2.4 测试UCOSII 19

4.3 LWIP协议的移植与测试 21

4.3.1 移植准备工作 21

4.3.2 ST以太网库的添加与修改 22

4.3.3 添加DP83848和MAC/DMA驱动 23

4.3.4 添加LWIP源文件 24

4.3.5 添加连接文件 24

4.3.6 LWIP源码修改 26

4.3.7 测试LWIP 28

第五章 应用软件实现 31

5.1 Modbus TCP介绍 31

5.2 Modbus TCP客户端实现 34

5.2.1 TCP客户端实现 34

5.2.2 Modbus数据包 35

5.3 客户端与服务器信息配置 36

5.3.1 客户端信息配置 36

5.3.2 服务器信息配置 36

第六章 系统调试 39

6.1硬件调试平台搭建 39

6.2 软件调试 39

第七章 总结和期望 44

7.1 本文所做工作总结 44

7.2 进一步的研究工作 44

参考文献 45

致 谢 46

附 录 47

第一章 绪论

1.1 研究的背景

随着社会的快速发展，工业现场的大多数设备都可以通过现场总线技术与以太网连接，这样就可以随时监控到工业现场所有设备的运行情况。随着电路技术的快速发展，工业中越来越多地使用高质量的微处理器。这样就使得控制器核心更完整，功能更强大。如果将嵌入式系统在控制器上运行，这样就会使TCP/IP协议运行的更加稳定。因此本次的数据采集器设计就是采用STM32F407微处理器，通过以太网技术进行数据传输的，相信这种技术在将来一定会得到比较广泛的应用。

1.2 研究现状

随着社会的快速发展，与计算机有关的所有互联网技术都得到了很大的改进，而且目前工业上很多设备也都用网络进行连接，这就使得以前没有使用网络的数据采集器显得比较落后了，也不适应现代社会的发展了。而且近年来物联网技术不断发展，这就使得原来通过串口传输的数据采集器显得落后了，所以要跟的上时代的步伐，显然使用以太网技术是一个很好的这选择，使用这种方法显然更为方便、灵活，但是我国通过以太网技术研发的数据采集器，做出来的产品还不是很成熟，在很多方面还落后于西方的一些国家。

1.3课题的目的与意义

由于历史缘故，我国的智能化与工业自动化相比较于西方一些国家起步较晚，对于本次设计来说在本人看来实现还是有一点难度的，而且这个课题国内早就已经有人做过了，而且做的相对来说还是比较好的，但是相对于一些国外的类似产品还是有很大的差距的，这是因为西方的工业发展已经有上百年的历史了，在发展的过程中各种问题他们都应该遇到过，所以他们在工业数据采集方面积累的经验和知识应该是很丰富的，因此他们的技术与产品也都远远的超过我们。而且就拿德国来说，他们的工业早就已经步入4.0时代了，然而在国内恐怕有些人还不知道工业4.0是什么，所以本次选这个课题的目的就是希望能为祖国的智能化事业奉献自己的微薄之力，同时也希望国内的关于这方面的企业和公司应该强强联合，不要封闭自己的技术，也不要总是模仿外国的技术，争取做出自己的东西，做出的产品比国外的更强。

本次做的以太网数据采集器内部板载了以太网芯片，内部也加载了轻型的TCP/IP协议栈LWIP,用户可以很轻松的把嵌入式设备与计算机网络进行通信，而且本次设计并不局限于采集电能信息，只要对方也是使用Modbus协议，都可以进行数据的采集。所以，相信此款数据采集器的未来市场前景应该会很好。

1.4研究方法

本次设计的基本思想就是在现有成熟技术的基础上，以更简单的方式设计一种成本低、稳定的设备。通过查阅大量的资料，比较不同的设计方案，得到了以下可行的实现方法。以STM32F4系列开发板作为客户端，这个开发板上的各个模块完全符合设计要求，此次设计选择的操作系统是UCOSII实时操作系统，之所以选择这个操作系统，是因为与其它实时操作系统相比，它是最经典的同时也是最稳定的实时操作系统。而且还是学习资料最多的实时操作系统，它的源码是公开的并且可以移植、剪裁、固化，唯一的不足就是如果应用在商业中，它不是免费的，由于本次的设计并不是用于商业中，还有就是本人对于嵌入式操作系统并不是很了解，所以优先选择资料多的，性能稳定的操作系统。最后将选择好的UCOSII操作系统移植到开发板上，在此操作系统下完成相应的工程项目编写。

第二章 整体方案选择和架构设计

2.1 UCOSII操作系统简介

UCOSII是一种开源的和具有内核可剥夺的实时操作系统，它是专门为嵌入式系统^[4]应用而设计的，它可以方便的移植到任何一种中央处理器上。UCOSII系统的最重要的特点是内核相对较小，其内核最小可以裁剪到8K左右。但是，虽然内核相对较小，却能够实现抢占式任务调度、任务间通信等功能。下面简单介绍一下UCOSII具有的功能。

2.1.1 UCOSII的任务管理

对于任何一种操作系统来说，对每个任务进行恰当的管理是很重要的，以下对于任务管理的几个重要部分做简要讲解：

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