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[導讀]在儀器儀表迅速發(fā)展的同時,計算機和網絡技術也在迅速發(fā)展,PC機已經從高速增長進入到平穩(wěn)發(fā)展時期,單純由PC機帶領電子產業(yè)蒸蒸日上的時代己經成為歷史,嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和廣泛應用,使計算機和網絡進入了后PC時代。

  1 引言

  在儀器儀表迅速發(fā)展的同時,計算機和網絡技術也在迅速發(fā)展,PC機已經從高速增長進入到平穩(wěn)發(fā)展時期,單純由PC機帶領電子產業(yè)蒸蒸日上的時代己經成為歷史,嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)和廣泛應用,使計算機和網絡進入了后PC時代?;谇度胧街悄軆x表遠程監(jiān)控系統(tǒng)作為工業(yè)控制網絡重要發(fā)展方向之一,是工業(yè)數(shù)據(jù)通訊與控制網絡技術、互聯(lián)網技術等多種技術共同發(fā)展的結果[1]。該項技術的發(fā)展與成熟將會給人們的生產生活帶來深遠的影響。

  2 嵌入式控制器硬件設計

  控制器的定義:嵌入式控制器以高速處理器為核心,由高速處理器和其他芯片協(xié)同工作來控制的電子設備或裝置,能夠完成監(jiān)視、控制等各種自動化處理任務[4]。嵌入式控制器是系統(tǒng)的核心部分。

  2.1 系統(tǒng)硬件結構圖

嵌入式控制器系統(tǒng)硬件結構圖

  圖1 嵌入式控制器系統(tǒng)硬件結構圖

  嵌入式控制器的系統(tǒng)硬件結構圖見圖1所示。由5V、3.3V和1.8V二種直流電源供電。系統(tǒng)主要由DSP芯片TMS320C5402、256K FLASH存儲器、以太網接口芯片RTL8019AS、 A/D轉換芯片、串口芯片等組成。

  從嵌入式控制器的系統(tǒng)硬件結構圖以看出嵌入式控制器是嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵部分?,F(xiàn)場智能儀器儀表可以通過嵌入式控制器的模擬量和數(shù)字量接口輸入信號,由控制器內嵌的服務程序,通過以太網或Modem,在遠程由客戶端程序對現(xiàn)場智能儀表進行信號的查看和控制,從而實現(xiàn)智能儀表的遠程監(jiān)控。

  2.2 處理器DSP 5402最小系統(tǒng)設計

  (1)復位電路。同時設計上電復位電路和人工復位電路,當系統(tǒng)運行中出現(xiàn)故障時可方便地人工復位。復位電路一方面應確保復位低電平時間足夠長,保證DSP可靠復位;另一方面應保證穩(wěn)定性良好,防止DSP誤復位。復位電路采用MAX706R芯片組成自動復位電路。MAX706R是一種能與具有3.3V工作電壓的DSP芯片相匹配的自動復位芯片。該芯片的具體接法如圖2所示。

 ?。?)時鐘電路。一般DSP系統(tǒng)中經常使用外部時鐘輸入,因為使用外部時鐘時,時鐘的精度高,穩(wěn)定性好,使用方便。由于DSP工作是以時鐘為基準,如果時鐘質量不高,那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。因此,本系統(tǒng)擬采用外部時鐘源提供時鐘,如圖3所示。將外部的時鐘信號直接加到DSP芯片的X2/CLKIN引腳,X1引腳懸空。設置CLKMEI=1,CLKMD2=1,CLKMD3=1。復位后使DSP芯片的時鐘為外部晶振頻率的1/2,即2分頻。

系統(tǒng)自動復位電路

  圖2 系統(tǒng)自動復位電路   
時鐘電路                       

  圖3 時鐘電路

  (3)系統(tǒng)電源設計。TMS320VC5402芯片采用雙電源供電,DSP的核內電壓和I/O接口電壓分別為1.8V和3.3V, 本系統(tǒng)需要三種電源,電壓為5V、3.3V和1.8V。其中,RTL8019AS網卡芯片和模數(shù)轉換電路均采用5V電源供電。DSP的雙電源解決方案采用TPS73HD318實現(xiàn),輸入的電源電壓為5V,輸出電壓分別為3.3V和1.8V,每路電源的最大輸出電流為750mA。

  2.3 程序存儲器的擴展

  FLASH存儲器與EPROM相比,具有更高的性能價格比,而且體積小、功耗低、可電擦寫、使用方便,并且3.3V的FLASH可以直接與DSP芯片連接。因此,采用FLASH作為程序存儲器存儲程序和一些固定數(shù)據(jù)是一種比較好的選擇。本系統(tǒng)的程序存儲器選用了一片AT29LV020 FLASH存儲器。此芯片有256K×8的存儲空間,最快讀取速度為100ns。所以在讀取程序時,要使主頻低于10MHz。

  2.4 接口電路設計

 ?。?)模擬量輸入接口。模擬量輸入通道采用了TI公司生產的TLV2544芯片,當與DSP芯片連接時,可用一個幀同步信號FS來控制一個串行數(shù)據(jù)幀的開始。采用TMS320VC5402提供高速、雙向、多通道帶緩沖串行端口MCBSP,可用來與串行A/D轉換器直接連接。

  (2)以太網擴展接口。實現(xiàn)嵌入式智能儀表的遠程監(jiān)控系統(tǒng),首要的問題就是要讓智能儀表具有以太網接口。臺灣Realtek公司生產的RTL8019AS以太網接口芯片可以讓嵌入式控制器具有通用計算機的網絡接口。

  (3)RS-232串行接口設計。RS-232-C并未定義連接器的物理特性,因此存在DB-25, DB-15和DB-9等多種類型的連接器。DSP為了同現(xiàn)場智能儀表的串口相連,我們用MAXIM公司的MAX3111來完成EIA到TTL電路之間的電平和邏輯關系的轉換。

 ?。?)RS-485串行通信接口。RS-485是為了適應遠距離、分布式控制系統(tǒng)的需要而制定的一種串行通信總線標準。它支持多節(jié)點、遠距離傳輸。RS-485標準采有用平衡式發(fā)送,差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅動總線。為了擴展終端連接設備的數(shù)量,本設計增加了RS-485接口。DSP與RS-485串口的連接使用MAXIM公司的MAX3140UART通信芯片來完成。

  3 嵌入式TCP/IP協(xié)議設計

  3.1總體數(shù)據(jù)流設計

  嵌入式TCP/IP的總體數(shù)據(jù)流圖如圖4所示。

嵌入式TCP/IP的總體數(shù)據(jù)流圖

  圖4 嵌入式TCP/IP的總體數(shù)據(jù)流圖

  應用程序通過Socket應用編程接口使用TCP/IP協(xié)議棧提供的數(shù)據(jù)通訊功能[3]。發(fā)送數(shù)據(jù)時,如果選擇的是面向連接的TCP協(xié)議,則應用程序將用戶數(shù)據(jù)交給TCP協(xié)議模塊處理,TCP模塊將其首部和數(shù)據(jù)封裝成TCP報文段;如果選擇的是無連接的UDP協(xié)議,則將用戶數(shù)據(jù)交給UDP協(xié)議模塊處理,UDP模塊將其首部和數(shù)據(jù)封裝成UDP數(shù)據(jù)報。然后將封裝好的TCP報文段或UDP數(shù)據(jù)報交給IP協(xié)議模塊,IP模塊在TCP報文段或UDP數(shù)據(jù)報上添加IP首部,并封裝成IP數(shù)據(jù)包,然后根據(jù)路由表為IP數(shù)據(jù)包確定路由;找到了路由則將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網絡接口層,網絡接口層判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是從以太網接口還是從異步串口發(fā)出,如果是從以太網接口發(fā)出,則要利用ARP協(xié)議找到目的IP地址對應的物理地址,然后封裝成以太網幀,由網卡驅動程序將以太網幀發(fā)送出去。

  3.2 總體數(shù)據(jù)結構

  TCP通過一個數(shù)據(jù)結構為每個TCP連接協(xié)調發(fā)送、接收和重發(fā)動作,該數(shù)據(jù)結構稱作TCP傳輸控制塊TCB。TCP為每個活躍的連接保留一個TCB,TCB中包含了有關TCP連接的所有信息,包括連接端點的地址和端口號,當前平均往返時間的估計值,發(fā)送或接收的數(shù)據(jù),是否需要確認或重傳,以及一組有關該連接的使用情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù),所以TCB較大,本設計對TCB進行了簡化,只保留了用于控制面向連接的數(shù)據(jù)收發(fā)所必需的基本信息。

  用于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)控制塊UTCB包含了UDP端結點的所有信息:外部和本地IP地址、外部和本地端口號以及其它控制信息。UTCB的使用及分配與TCB完全一樣,只是因為UDP不需要建立連接,所以只要有數(shù)據(jù)進行發(fā)送,則立即分配UTCB,一旦數(shù)據(jù)發(fā)送完成,則釋放該UTCB。

  4 嵌入式控制器軟件設計

  根據(jù)系統(tǒng)的控制要求和編程的需要,將系統(tǒng)軟件的模塊劃分如下部分,共分六個模塊,分別是主控模塊、初始化模塊、協(xié)議封裝模塊、協(xié)議拆包重組模塊、網絡接口模塊和應用層應用模塊。圖5分別是各模塊之間的邏輯關系。

軟件系統(tǒng)模塊之間的關系

  圖5軟件系統(tǒng)模塊之間的關系

 ?。?)主控模塊設計。主控模塊中通常包含一些變量的定義和函數(shù)的調用。另外一些重要的I/O端口定義也放在主控函數(shù)中。在主控模塊中定義了延時信號函數(shù)、端口設置函數(shù)、同步串口設置函數(shù)、中斷服務函數(shù)等。系統(tǒng)工作時程序從主控模塊的main()函數(shù)開始運行,首先是調用DSP及RTL8019AS的初始化程序,完成初始化之后,主程序以一個無條件循環(huán)進入工作狀態(tài)。

  (2)初始化模塊設計。系統(tǒng)軟件在運行的時候首先要調用初始化程序,對系統(tǒng)的各資源進行初始化,然后才能正常工作。初始化模塊包括了四個初始化函數(shù),分別是net_init()、dsp5402_init()、interrupt_init()、nic_atl_init()。

 ?。?)協(xié)議封裝模塊設計。協(xié)議封裝部分的作用是將數(shù)據(jù)進行分組,并以不同的協(xié)議打包封裝使其成為符合TCP/IP協(xié)議規(guī)范的分組數(shù)據(jù)。在設計中,對于不同協(xié)議的封裝,分別由不同的函數(shù)實現(xiàn)。在本系統(tǒng)中,監(jiān)控終端系統(tǒng)需要對位于網絡層的IP協(xié)議、位于傳輸層的TCP協(xié)議進行封裝。封裝順序是先傳輸層協(xié)議TCP封裝,后網絡層協(xié)議IP封裝。之后傳入網絡接口模塊發(fā)送出去。

  (4)協(xié)議拆包重組模塊設計。本模塊的工作過程是這樣的,數(shù)據(jù)從以太網上被接收下來之后,首先會放在網卡芯片的片上內存當中,由DSP即網絡接口模塊將其讀入后進行協(xié)議分解,根據(jù)協(xié)議的內容進行相應處理,如果是UDP封裝的數(shù)據(jù)則將其放入系統(tǒng)的接收緩沖區(qū)當中。由DSP根據(jù)協(xié)議中序列號字段的值對數(shù)據(jù)包進行重新分組排隊,最后將數(shù)據(jù)拆包、合并,形成連續(xù)的數(shù)據(jù)流后,傳送到應用層進行進一步處理。

  5 小結

  本文詳細闡明了嵌入式控制器的硬件和軟件的設計和實現(xiàn)過程,包括微處理器系統(tǒng)硬件設計和實現(xiàn)、和智能儀表的接口模塊實現(xiàn)、TCP/IP協(xié)議分析和實現(xiàn)等。嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的成功實現(xiàn)將有很大的實用價值和很好的應用前景。它不僅僅應用在工業(yè)控制方面,而且它還將會在氣象、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領域得到廣泛的應用。在以后的開發(fā)過程中,還可以提出比較標準化的應用層通信協(xié)議,以實現(xiàn)多家產品的兼容通信。還可以嘗試將多個單系統(tǒng)連接在一塊,來進行協(xié)調工作,真正實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的遠程化和網絡化。

  本文作者創(chuàng)新點

  本系統(tǒng)采用了16位定點高速DSP微處理器(其程序易于移植到同類32位微處理器芯片上),其運行速度可達100MIPS性能較早前流行的8位微處理器有明顯的提高。方案設計的本身就也是一種創(chuàng)新,通過采用較優(yōu)技術和高性能的硬件,組合出了高性能的監(jiān)控系統(tǒng)。借用了計算機的模塊化(包括軟件和硬件)設計思想,使系統(tǒng)可以根據(jù)需要進行重新組合。

  參考文獻:

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