嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研究與開發(fā)

摘要 在工業(yè)控制和消費(fèi)電子領(lǐng)域，目前許多設(shè)備要求具備以太網(wǎng)或者與Internet通信功能。本文討論一種基于TINI的以太網(wǎng)接入方案。此系統(tǒng)可以很方便地?cái)U(kuò)展到其他通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，諸如CAN、1-Wire網(wǎng)絡(luò)等，以適應(yīng)不同設(shè)備接入以太網(wǎng)的需要。利用本系統(tǒng)可以很好地解決與自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)開關(guān)和傳感器的遠(yuǎn)程通信問題，以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷與控制。另外，介紹了利用Java作為開發(fā)工具來開發(fā)串口到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通信程序。
關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 TINI Java DP83846A DS80C400

    為了達(dá)到利用Internet強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，需要研究合理的網(wǎng)絡(luò)接人方案。利用基于TINI平臺的嵌入式系統(tǒng)，搭建不同設(shè)備接人計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的橋梁。利用嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的軟硬件功能，可以支持不同的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)接入方案的通用性。由于嵌入式系統(tǒng)具備較好的數(shù)據(jù)處理能力，不僅可以作為簡單的網(wǎng)絡(luò)接口，還可以擴(kuò)展接人設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能，甚至于還可以對通信的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等處理。

    嵌入式系統(tǒng)包括專用的硬件和軟件部分，硬件提供性能的支持，而軟件則為用戶提供廣泛的靈活性。嵌入式系統(tǒng)的軟件包括其自身的操作系統(tǒng)和編程環(huán)境。Java所具有的各種特性使它成為嵌入式設(shè)備理想的軟件開發(fā)工具。針對Java有很多免費(fèi)開放的資源，Java獨(dú)立于硬件平臺，具備可移植性。這一切都可以降低嵌入式設(shè)備開發(fā)和使用的成本。其中TINI平臺就是一種具備Java開發(fā)功能的嵌入式系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件組成
    基于TINI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)與外界的接口主要是RS232的串口和RJ45的以太網(wǎng)接口，其功能就是將串口設(shè)備接人到局域網(wǎng)絡(luò)甚至于Interne。

2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的Java程序
2.1 軟件開發(fā)工具包——TlNI SDK
    為了在編程中實(shí)現(xiàn)對硬件的訪問，Dallas公司開發(fā)的TINI SDK將DS80C400中的硬件部分虛擬為Java的類。通過調(diào)用相關(guān)的方法來實(shí)現(xiàn)對硬件的操作。SDK中包含Dallas公司開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)。它是多任務(wù)、多線程、具有跨平臺的能力、擁有高度優(yōu)化的Java運(yùn)行環(huán)境的操作系統(tǒng)。

    在TINI SDK的支持下開發(fā)應(yīng)用程序，主要采用Java進(jìn)行，通常不直接面對匯編語言，但是TINI運(yùn)行環(huán)境提供了使用本地方法的機(jī)制。為了優(yōu)化嚴(yán)格要求速度的通道或訪問底層硬件，可以使用本地語言(主要是匯編語言)來編寫子程序，這樣增加了系統(tǒng)的靈活性。

    利用SDK中提供的API可以簡化編程。利用SDK中提供的JavaKit和TINIConvertor等工具，在PC上進(jìn)行程序的開發(fā)調(diào)試工作，生成適用于TINI運(yùn)行環(huán)境的目標(biāo)應(yīng)用程序。通過JayaKit向TINI硬件存儲(chǔ)器中裝載TINI的運(yùn)行環(huán)境(包括TINI的操作系統(tǒng))，配置好網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，即可通過FTP、TELNET等下載用戶程序到TINI硬件上并控制運(yùn)行。TINI的Java虛擬機(jī)將Java字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成為機(jī)器硬件系統(tǒng)能夠執(zhí)行的代碼。

2.2系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)方法
    為了實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)之間的交換，設(shè)計(jì)了基于TINI系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序。該程序的主要功能是，從串口設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，將所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行TcP／IP協(xié)議封裝，通過RJ45的接口發(fā)送到上位機(jī)，與上位機(jī)的服務(wù)器程序進(jìn)行交互；同時(shí)，將上位機(jī)發(fā)送給TINI的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到RS232的串口，進(jìn)而可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場的串口設(shè)備。本設(shè)計(jì)中，TINI印刷電路板上有兩個(gè)串口，分別定義為串口O和串口4。單片機(jī)內(nèi)部集成UART，串口0用來串口啟動(dòng)TINl，下載TINI運(yùn)行環(huán)境，以及作為TINI的輸出終端。本程序中，利用串口4和上位機(jī)服務(wù)器程序交互。

    數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由兩個(gè)進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)，它們分別是SerialWriter和SerialReader。SerialWritel的功能是從上位機(jī)服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)流，再把數(shù)據(jù)寫到串口輸出數(shù)據(jù)流；SeriaReader的功能是把串口緩沖區(qū)中的可用數(shù)據(jù)讀到輸入緩沖區(qū)，通過向網(wǎng)絡(luò)輸出流寫數(shù)據(jù)把串口數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并且更新串口數(shù)據(jù)量；同時(shí)監(jiān)視這兩個(gè)進(jìn)程有無異常。如果捕捉到異常，便關(guān)閉數(shù)據(jù)流并中斷維持線程，結(jié)束程序。

    SerialToEthernet本身繼承了一個(gè)線程類。它是一個(gè)維持線程，功能是判斷系統(tǒng)通信狀態(tài)。如果正常，則每隔6 s打印輸出數(shù)據(jù)流量；如果連接的服務(wù)器被關(guān)閉，則關(guān)閉串口socket及相關(guān)的流。它的線程程序中，是一個(gè)有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志控制的循環(huán)，維持程序運(yùn)行，每一次循環(huán)中首先使該進(jìn)程睡眠6 000 ms，然后打印輸出此時(shí)的數(shù)據(jù)流量。程序的流程如圖2、圖3、圖4所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試方案
    系統(tǒng)調(diào)試的主要目的是模擬現(xiàn)場設(shè)備與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將PC機(jī)通過串口與以太網(wǎng)接口與系統(tǒng)相連，接線方式如圖5所示；用PC機(jī)模擬現(xiàn)場的設(shè)備，同時(shí)，利用PC機(jī)作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行。

    實(shí)驗(yàn)中除了運(yùn)行SerialToEthernet外，還準(zhǔn)備了兩個(gè)簡單的用戶程序，用于系統(tǒng)調(diào)試，分別是HelloWorld和Blinky。
    第一步，下載運(yùn)行HelloWorld。其功能是在以JavaKit作為TINI的系統(tǒng)輸出終端(類似于PC機(jī)的顯示器)，打印輸出“Hello World”的字符串，用于檢驗(yàn)串口O。
    第二步，下載運(yùn)行Blinky。它的功能是與P3．5相連的LED不停閃爍，用于檢驗(yàn)I／0口的功能。
    第三步，下載運(yùn)行SerialToEthernet，同時(shí)運(yùn)行上位機(jī)上服務(wù)器程序TINlServer。TINI系統(tǒng)上運(yùn)行Serial-ToEthernet，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。為了驗(yàn)證上位機(jī)與TINI問的串口通信，上位機(jī)上運(yùn)行串口調(diào)試程序，從而用上位機(jī)模擬實(shí)際的現(xiàn)場串口設(shè)備。運(yùn)行串口調(diào)試程序時(shí)，在其中把串口設(shè)為與TINI的串口參數(shù)相同，發(fā)送模式設(shè)為連續(xù)發(fā)送。在這樣的模擬情況下，從串口調(diào)試程序窗口輸入的數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給TINI系統(tǒng)，經(jīng)過TINI的轉(zhuǎn)發(fā)，通過RJ45接口發(fā)往上位機(jī)。上位機(jī)運(yùn)行服務(wù)器程序TINIServer，它將TINI發(fā)來的數(shù)據(jù)不經(jīng)處理直接通過輸出流發(fā)送給TINI。經(jīng)過TINI的轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)再次由串口返回上位機(jī)，顯示在串口調(diào)試程序的“接收區(qū)”中。數(shù)據(jù)流向如圖6所示。

4 結(jié)論
    與傳統(tǒng)的工業(yè)控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相比，TINI更加廉價(jià)，更加緊湊，消耗功率更低，并且易于維護(hù)。此外，TINI還支持許多底層的通信接口，具有足夠的靈活性，可以適應(yīng)不同聯(lián)網(wǎng)的要求?；赥INI的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方案是低成本而且可靠的。利用Java編程可以提高嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率。在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中。利用Java軟件很方便地實(shí)現(xiàn)對底層硬件的訪問；利用Java自身的特性，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。

    對于設(shè)備來說，通過本系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展其功能；同時(shí)也可以利用以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷控制，實(shí)現(xiàn)更加廣泛意義上的網(wǎng)絡(luò)化。