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研究生:黃柏昇
研究生(外文):Huang, Po-shen
論文名稱:以網路微控制器為基礎之遠端監控系統及其韌體更新
論文名稱(外文):Remote Monitoring/Control System and Firmware Updating Based on Ethernet Microcontroller
指導教授:黃榮文
指導教授(外文):Huang, Rong-wen
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:網路微控制器遠端監控系統韌體更新
外文關鍵詞:Ethernet MicrocontrollerRemote Monitoring/Control SystemFirmware Updating
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  本研究之目的為建構以網路微控制器為基礎之遠端監控系統,並於該系統建立微控制器韌體更新服務。系統主要由網路微控制器與CAN (Control Area Network)感測監控系統所構成;網路微控制器連接上網際網路,同時和CAN感測監控系統主控節點透過RS-232介面建立通訊線路。CAN感測監控系統具有多個感測節點模組,可感測環境狀態,並將其感測資料送交主控節點判斷感測狀態後,傳送給網路微控制器,提供遙控端使用者連線取得系統感測資訊。
  遙控端使用者透過網際網路和被控端網路微控制器連線後,可藉由動態監控網頁對被控端的CAN感測監控系統各感測節點模組進行監控。此外,遙控端使用者亦能使用TELNET協定,透過網際網路和被控端系統連線,更新CAN感測監控系統主控節點微控制器之韌體。
The purpose of this study is to construct an ethernet microcontroller based remote monitoring/control system with microcontroller firmware updating service. The ethernet microcontroller connects to the internet and also to the main controller node of CAN monitoring/control system through RS-232 interface. CAN monitoring/control system has a number of sensor nodes which sense the environment physical states. The main controller node of CAN monitoring/control system judges the physical states from sensing information sent by the sensor nodes, and sends the physical states and information to the ethernet microcontroller. The remote users can use any mean to connect to the ethernet microcontroller to perform the monitoring/control functions.
After establishing connection with ethernet microcontroller, remote users can monitor and control the sensor nodes of CAN monitoring/control system through dynamic web pages. In addition, remote users can also update the firmware of the main controller of CAN monitoring/control system through internet.
摘要 I
Abstract II
謝誌 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII

第一章 緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 文獻探討 3
1-3 研究方法與步驟 6
1-4 研究架構與論文內容 7

第二章 通訊標準與協定 10
2-1 Ethernet標準 10
2-2 TCP/IP通訊協定組 15
2-2-1 IP協定 16
2-2-2 TCP協定 17
2-3 TELNET通訊協定 19
2-4 RS-232通訊標準 21
2-5 CAN通訊協定 25

第三章 系統架構與軟硬體構件 28
3-1 系統整體架構 28
3-2 硬體構件 30
3-2-1 PIC18F97J60網路微控制器 30
3-2-2 CAN感測監控系統 35
3-3 軟體構件 38
3-3-1 Microchip TCP/IP Stack 38
3-3-2 微控制器啟動載入程式 41
3-4 開發工具 42
3-4-1 MPLAB IDE整合發展環境軟體 42
3-4-2 ICD 2線上除錯器 46
3-4-3 PICDEM.net 2 系統開發實驗板 47

第四章 系統開發與整合 50
4-1 遠端微控制器監控系統開發 50
4-1-1 監控系統整體設計 50
4-1-2 系統監視機制 52
4-1-3 系統控制機制 61
4-1-4 動態監控網頁 62
4-2 遠端韌體更新機制 67
4-2-1 韌體更新機制整體設計 67
4-2-2 微控制器Bootloader 68
4-2-3 網路微控制器的TELNET連線服務 73
4-3 系統整合設計 76

第五章 結果與討論 79
5-1 遠端監控系統開發結果與討論 79
5-1-1 遠端監控系統開發結果 79
5-1-2 遠端監控系統開發結果討論 86
5-2 遠端微控制器韌體更新服務開發結果與討論 87
5-2-1 遠端微控制器韌體更新服務開發結果 87
5-2-2 遠端微控制器韌體更新服務開發結果討論 93

第六章 結論與未來發展方向 94
6-1 結論 94
6-2 未來發展方向 95

參考文獻 96

表目錄
表2.1 DoD與OSI分層模型對照與OSI分層說明表 12
表2.2 IEEE 802.3規範的訊框結構 13
表2.3 RS-232通訊介面腳位及用途表(以DTE為例) 23
表3.1 PIC18F97J60網路微控制器特性(100個腳位) 33
表4.1 感測與狀態資料識別碼和資料代表意義 55

圖目錄
圖1.1 研究架構 8
圖2.1 TCP封包收發確認機制示意圖 18
圖2.2 TELNET封包資料例 (命令:請求例) 20
圖2.3 TELNET封包資料例 (命令:回覆請求例) 21
圖2.4 TELNET封包資料例 (命令:資料例) 21
圖2.5 DB-9連接器(公) 22
圖2.6 DB-9連接器(母) 23
圖2.7 DB-9連接器之Gender changer 23
圖2.8 DTE與DCE之RS-232介面線路連接示意圖 24
圖2.9 DTE與DTE之RS-232介面線路連接跳線示意圖 25
圖2.10 強勢位元與弱勢位元之差動電壓示意圖 26
圖3.1 系統整體架構 28
圖3.2 PIC18F97J60網路微控制器實體圖 32
圖3.3 100個腳位的PIC18F97J60網路微控制器腳位圖 32
圖3.4 PIC18F97J60網路微控制器乙太網路模組架構圖 35
圖3.5 CAN感測監控系統實體圖 36
圖3.6 感測節點模組運作示意圖 37
圖3.7 主控節點模組運作示意圖 37
圖3.8 Microchip TCP/IP Stack分層結構與TCP/IP分層結構 39
圖3.9 輪詢執行概念圖 40
圖3.10 MPLAB IDE整合發展環境軟體 43
圖3.11 MPLAB IDE 內建之MPASM 組譯器 44
圖3.12 MPASM組譯器工作概念圖 45
圖3.13 MPLINK連結器器工作概念圖 45
圖3.14 ICD 2 線上除錯器 46
圖3.15 PICDEM.net 2 實驗板 48
圖3.16 PICDEM.net 2 實驗板背面與MAC address分配貼紙 49
圖4.1 監控系統整體設計圖 51
圖4.2 主控節點模組微控制器收到感測訊息處理流程圖 54
圖4.3 網路微控制器感測與狀態資料接收判斷示意圖 57
圖4.4 RS-232通訊 Handshake示意圖 58
圖4.5 資料接收機制示意圖 59
圖4.6 控制機制概念圖 62
圖4.7 Ajax概念圖 63
圖4.8 監控網頁畫面規劃圖 64
圖4.9 異常訊息通報視窗規劃圖 65
圖4.10 動態網頁更新機制示意圖 66
圖4.11 韌體更新機制架構圖 68
圖4.12 Bootloader指令模式進入流程圖 69
圖4.13 程式記憶體空間規劃與配置 70
圖4.14 Bootloader執行使用者程式示意圖 71
圖4.15 指令模式下達指令示意圖 72
圖4.16 Bootloader中文字元傳送與接收方式 73
圖4.17 重置微控制器示意圖 76
圖4.18 線路使用權切換機制示意圖 77
圖5.1 系統硬體實體圖 80
圖5.2 遠端監控系統:歡迎及提示登入畫面 81
圖5.3 遠端監控系統:登入資訊輸入視窗 82
圖5.4 遠端監控系統:登入資訊驗證失敗畫面 82
圖5.5 遠端監控系統:監控畫面 83
圖5.6 遠端監控系統:模組異常歷史紀錄區塊-無模組異常歷史紀錄 85
圖5.7 遠端監控系統:模組異常歷史紀錄區塊-有模組異常歷史紀錄 85
圖5.8 遠端監控系統:異常訊息通報視窗 86
圖5.9 韌體更新服務畫面:提示使用者登入 88
圖5.10 韌體更新服務畫面:登入資訊驗證失敗 89
圖5.11 韌體更新服務畫面:使用者輸入無效指令 90
圖5.12 韌體更新服務畫面:使用者輸入傳送程式指令 91
圖5.13 韌體更新服務畫面:韌體更新完畢 92
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