基于SEP3203的嵌入式以太網(wǎng)口的設(shè)計(jì)

摘要　在自動(dòng)化控制及其他民用設(shè)備、工業(yè)控制如電力設(shè)備系統(tǒng)等領(lǐng)域，眾多設(shè)備的對(duì)外通訊接口仍然是低速串口。但低速串口有其固有的缺點(diǎn)：無(wú)法集中、全面、準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。本文介紹基于微處理器SEP3203串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的以太網(wǎng)接口的軟硬件設(shè)計(jì)方法，它可以變傳統(tǒng)的串口通訊為網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的快速聯(lián)網(wǎng)。
關(guān)鍵詞　串口；以太網(wǎng)口；SEP3203；Nucleus

1         引言

在自動(dòng)化控制及其他民用設(shè)備、工業(yè)控制如電力設(shè)備系統(tǒng)等領(lǐng)域，眾多設(shè)備的對(duì)外通訊接口仍然是低速串口。因此現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：無(wú)法集中、全面、準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)地監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。隨著以太網(wǎng)在工業(yè)、商業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模使用以及網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化強(qiáng)勁勢(shì)頭的到來(lái)，用戶與供應(yīng)商迫切需要在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)都可以實(shí)時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)和進(jìn)行控制，做到遠(yuǎn)程快速故障分析與處理、設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)，以便提高質(zhì)量，提高工作效率并降低整體成本。完全換掉這些串口通訊的設(shè)備是既不經(jīng)濟(jì)也不可行的。針對(duì)一些實(shí)際需求，采用串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器就是解決這些問(wèn)題的最佳解決方案。本課題串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器正是在這一要求下設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品, 本文就是本課題下的子課題部分。

2         基于ARM7TDMI的SEP3203微處理器簡(jiǎn)介

ARM7TDMI處理器是ARM7處理器系列成員之一，是目前應(yīng)用較廣的32位高性能嵌入式RISC處理器，SEP3203^[1]是東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心基于ARM7TDMI處理器內(nèi)核設(shè)計(jì)的16/32位RISC微處理器芯片。它面向低成本手持設(shè)備和其它通用嵌入式設(shè)備，為用戶提供了豐富的外設(shè)、低功耗管理和低成本的外存配置。

３　串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器中與以太網(wǎng)接口相關(guān)的電路結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換模塊的研究，首先要選擇一個(gè)硬件平臺(tái)即嵌入式處理器。由于ARM是

基于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（RISC）的32位內(nèi)核，代碼效率高，運(yùn)行速度快，綜合性能強(qiáng)，在基于ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式CPU中，基于ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)的SEP3203嵌入式微處理器擁有較好的技術(shù)支持，因此本轉(zhuǎn)換器選擇SEP3203作為硬件平臺(tái)；轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須要有電源，供整個(gè)系統(tǒng)用；系統(tǒng)工作時(shí)需要有工作時(shí)鐘，因此本系統(tǒng)需要有時(shí)鐘電路；由于用戶需要的轉(zhuǎn)換器要有串口、USB和以太網(wǎng)口下載等功能，由于本文只針對(duì)以太網(wǎng)口，其它兩個(gè)接口本文不作介紹。以太網(wǎng)口與嵌入式芯片之間要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊，現(xiàn)把與以太網(wǎng)口相關(guān)電路結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計(jì)顯示如圖1所示。

圖1  以太網(wǎng)接口部分的相關(guān)電路結(jié)構(gòu)

4　網(wǎng)絡(luò)接口電路的硬件設(shè)計(jì)

SEP3203芯片內(nèi)部沒(méi)有集成網(wǎng)絡(luò)模塊，但SEP3203芯片設(shè)計(jì)的接口豐富，可以方便地?cái)U(kuò)展。考慮使用中可能對(duì)網(wǎng)速的要求比較高，因此本系統(tǒng)選用了10M的以太網(wǎng)接口。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口采用REALTEK公司的RTL8019芯片。RTL8019AS 是一種高度集成的以太網(wǎng)芯片，能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)Plug and Play 并兼容NE2000。由于它擁有三種等級(jí)的掉電模式，所以它是綠色電腦的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的理想選擇。在全雙工模式下，如果是連接到一個(gè)同樣是全雙工的交換機(jī)或集線器，就可實(shí)現(xiàn)同時(shí)接收和發(fā)送^[2]。

RTL8019AS支持16KByte、32KByte、64KByte的BROM，另外還支持FLASH MENORY和頁(yè)訪問(wèn)方式，最大支持4MByte（16K×256），此外還支持在運(yùn)行完BROM 后釋放內(nèi)存以供系統(tǒng)其他程序的運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)接口模塊的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。

圖2　以太網(wǎng)接口系統(tǒng)連接圖           　　　

圖3  RJ45網(wǎng)絡(luò)接口電路圖 

由圖2可知，以太網(wǎng)接口通過(guò)系統(tǒng)總線外擴(kuò)而成。RTL8019AS的地址使用方式有5位、8位、11位三種。使用5位地址就可以訪問(wèn)RTL8019AS所有的寄存器，實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)功能。本系統(tǒng)使用8位地址滿足了操作系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程DMA端口的需求。

網(wǎng)絡(luò)接口模塊和SEP3203微處理器的連接線比較簡(jiǎn)單，在PCB板上布線比較規(guī)則。網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019的實(shí)際電路連接圖見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]。網(wǎng)口選用了內(nèi)置變壓及指示燈的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)際電路圖如圖3^[4]所示， 對(duì)比SEP3203微處理器的SRAM接口協(xié)議，由于總線沒(méi)有等待信號(hào)，所以沒(méi)有使用IOCHRDY信號(hào)。由于SEP3203微處理器總線的最低數(shù)據(jù)位寬是16位，所以IOCS16B固定置于16位方式。

5　軟件平臺(tái)Nucleus

綜合考慮各個(gè)因素，我們選擇了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nucleus。Nucleus PLUS是美國(guó)著名RTOS廠商(ATI)(Accelerated  Technology Inc)公司為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95％的代碼是用ANSI C寫(xiě)成的，非常便于移植并支持大多數(shù)類型的處理器。Nucleus PLUS是一組C函數(shù)庫(kù)，下載到目標(biāo)板的RAM中或直接燒錄到到目標(biāo)板的ROM中執(zhí)行。在典型的目標(biāo)環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼一般不超過(guò)20K字節(jié)大小，內(nèi)核規(guī)模非常小。Nucleus PLUS除提供功能強(qiáng)大的內(nèi)核操作系統(tǒng)外，還提供種類豐富的功能模塊。例如用于通訊系統(tǒng)的局域和廣域網(wǎng)絡(luò)模塊，支持圖形應(yīng)用的實(shí)時(shí)化Windows模塊，支持nternet網(wǎng)的WEB產(chǎn)品模塊，工控機(jī)實(shí)時(shí)BIOS模塊，圖形化用戶接口，以及應(yīng)用軟件性能分析模塊等，用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用來(lái)選擇不同的應(yīng)用模塊。

6  網(wǎng)絡(luò)接口通信的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口的硬件將網(wǎng)絡(luò)上傳送來(lái)的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)內(nèi)存中，并通知操作系統(tǒng)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)。通常，網(wǎng)絡(luò)接口使用中斷機(jī)制來(lái)完成這一任務(wù)，一個(gè)中斷時(shí)處理器將正常的處理掛起，跳轉(zhuǎn)到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的代碼段執(zhí)行。此時(shí)，由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序管理所有細(xì)節(jié)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件通知協(xié)議棧已經(jīng)有一個(gè)分組到達(dá)，并要求進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件完成這些繁瑣的處理工作后，他將從中斷返回，處理器繼續(xù)從中斷發(fā)生處往下執(zhí)行。在本協(xié)議棧中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)ι蠈討?yīng)用屏蔽了接收和發(fā)送的細(xì)節(jié)。用戶只需要調(diào)用相應(yīng)的套接字即可以完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。比如用戶要使用非阻塞方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，可以使用Select()，在Select 的timeout 參數(shù)選擇NO_PREEMPT，即可以非阻塞方式接收發(fā)送。在本TCP/IP 實(shí)現(xiàn)中，協(xié)議棧初始化是依靠調(diào)用NETI_Init（）完成的。NETI_Init()完成兩個(gè)工作，首先是對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的初始化^[5]， 然后就對(duì)系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行初始化。

網(wǎng)絡(luò)接口通信模塊的流程圖如圖4^[1]所示。

流程說(shuō)明：①程序由Main()函數(shù)開(kāi)始，調(diào)用taskmain()。②taskmain()調(diào)用sys_ini()對(duì)系統(tǒng)初始化，調(diào)hardware_ini()對(duì)硬件初始化；調(diào)用vcre_tsk()創(chuàng)建了6個(gè)任務(wù),調(diào)用stak_tske()將部分任務(wù)放入就緒隊(duì)列，調(diào)用sys_sta()啟動(dòng)系統(tǒng)。③通過(guò)系統(tǒng)調(diào)度開(kāi)啟任

   　　　　　　　　　　　　　

圖4　網(wǎng)絡(luò)接口通信流程圖

務(wù)demo_main。④函數(shù)demo_main()調(diào)用ne2000_task()開(kāi)始測(cè)試過(guò)程。⑤ne2000_task()的

主要功能是：調(diào)用Neti_Init()對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行初始化；調(diào)用Nu_add_Route()將缺省網(wǎng)關(guān)、

子網(wǎng)掩碼、目標(biāo)ip添加進(jìn)路由表；調(diào)用Nu_socket()創(chuàng)建一個(gè)sockets；建立sever端的地址信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；調(diào)用 Nu_connect()向sever發(fā)送建立連接的請(qǐng)求，若sever返回確認(rèn)則連接成功；調(diào)用Nu_send()/Nu_receive()發(fā)送/接收數(shù)據(jù)；傳輸完畢調(diào)用Nu_close_socket關(guān)閉socket連接，并調(diào)用Nu_sleep()掛起n個(gè)周期。

7　系統(tǒng)測(cè)試

　　在PC端運(yùn)行串口調(diào)試助手，該軟件可從網(wǎng)上免費(fèi)獲得，軟件運(yùn)行后根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)測(cè)試，模塊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)正常。

8  結(jié)論與展望

串口由于其易用性、可靠性及相對(duì)于工控設(shè)備而言足夠高的通信能力而長(zhǎng)盛不衰，而串口設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)共享也是大勢(shì)所趨。因此，串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)發(fā)是有現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。本課題的目的是實(shí)現(xiàn)串行接口的儀器接入網(wǎng)絡(luò)使得儀器的使用網(wǎng)絡(luò)化。為此本課題介紹了該轉(zhuǎn)換器以太網(wǎng)口的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)，并且設(shè)計(jì)了整機(jī)。

因?yàn)槲⑻幚砥鲗?duì)于各種電器設(shè)備有良好的接入和控制能力，所以我們實(shí)現(xiàn)了微處理器的網(wǎng)絡(luò)接入功能后，就在電器的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間建起了一道橋梁，通過(guò)它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種實(shí)時(shí)信號(hào)儀器儀表家用設(shè)施等目標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)視。在宏觀上，對(duì)各種設(shè)備統(tǒng)一管理實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的和諧的交互，這必將大大提高工作效率，改善工作環(huán)境提升人們的生產(chǎn)生活水平。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：①本系統(tǒng)采用ARM作為該系統(tǒng)的核心處理器，替代過(guò)去低檔CPU,嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可移植到該系統(tǒng)硬件平臺(tái)。②本轉(zhuǎn)換器提供RS232/RS485口到TCP/IP以太網(wǎng)口協(xié)議雙向轉(zhuǎn)換傳輸，變傳統(tǒng)的串口通訊為網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的快速聯(lián)網(wǎng)。采用透明傳輸方式，用戶不用了解復(fù)雜的TCP/IP 協(xié)議，甚至不用更改程序即可實(shí)現(xiàn)原有串口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。

參　考　文　獻(xiàn)

[1]時(shí)龍興,凌明,王學(xué)香,鐘銳.嵌入式系統(tǒng)――基于SEP3203微處理器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]徐金波.基于SEP3203微處理器的信息終端的應(yīng)用研究.[碩士學(xué)位論文].東南大學(xué).2006.

[3]REALTEK SEMI-CONDUCTOR CO, LTD.. Full-Duplex Ethernet Controller RTL8019AS Publication release date: August 20,2000

[4] http://www.prochip.com.cn/manage/file/GD01DataSheet .pdf

[5]呂昌泰,羅永剛.嵌入式以太網(wǎng)接口的研究與設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息[J].2006(8-2):68-70.