淺談單芯片嵌入式網(wǎng)關(guān)在人員定位中的應(yīng)用

隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖環(huán)網(wǎng)作為一種工業(yè)底層控制局域網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與常用局域網(wǎng)一樣，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線形、環(huán)形和暈形。在光纖單環(huán)CAN網(wǎng)絡(luò)中，由于器件的延時將導(dǎo)致環(huán)路信號自激，使環(huán)形CAN網(wǎng)絡(luò)堵塞（或稱為鎖死）。為遵守CAN總線控制器在鏈路層的協(xié)議，應(yīng)設(shè)計一種光纖CAN單環(huán)網(wǎng)專用邏輯控制單元LCU。該單元的功能是：對CAN總線數(shù)據(jù)實現(xiàn)收發(fā)控制，即主節(jié)點對接收到的數(shù)據(jù)不轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)沿光纖環(huán)回到原發(fā)送節(jié)點時，立即被剔除；從節(jié)點對接收數(shù)據(jù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。同時還可消除環(huán)形光纖CAN總線網(wǎng)絡(luò)的自激現(xiàn)象，保證環(huán)網(wǎng)不被堵塞。

由于單芯片嵌入式網(wǎng)關(guān)具有成本低、體積小、可靠性高、功耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強等諸多優(yōu)點，在通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。

1 嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)架

以太網(wǎng)（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)與IEEE802·3系列標(biāo)準(zhǔn)相類似。以太網(wǎng)最早由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯(lián)合開發(fā)成為一個標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)（10Mbit/s）、快速以太網(wǎng)（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網(wǎng)，采用的是CSMA/CD訪問控制法，它們都符合IEEE802.3。

基于以太網(wǎng)的TCP／IP轉(zhuǎn)換為工業(yè)RS 485和RS 232協(xié)議的基本構(gòu)架如圖1所示。根據(jù)嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能，本設(shè)計實現(xiàn)了以下協(xié)議：HTTP，TCP，UDP，IP，ICMP，ARP。

（1）HTTP是嵌入式WEB服務(wù)器的主要構(gòu)架，屬于應(yīng)用層協(xié)議，本文主要實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與查詢、基站系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與查詢。

（2）TCP協(xié)議是面對連接的，在本文中實現(xiàn)井下基站與遠(yuǎn)程以太網(wǎng)終端數(shù)據(jù)的通信：提供TCP Server功能，負(fù)責(zé)終端電腦主動連接網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；實現(xiàn)TCP Client功能，提供網(wǎng)關(guān)主動發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）UDP 是User Datagram Protocol的簡稱， 中文名是用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，是 OSI 參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向事務(wù)的簡單不可靠信息傳送服務(wù)。它是IETF RFC 768是UDP的正式規(guī)范。UDP協(xié)議的全稱是用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)中它與TCP協(xié)議一樣用于處理數(shù)據(jù)包。在OSI模型中，在第四層——傳輸層，處于IP協(xié)議的上一層。UDP有不提供數(shù)據(jù)包分組、組裝和不能對數(shù)據(jù)包進(jìn)行排序的缺點，也就是說，當(dāng)報文發(fā)送之后，是無法得知其是否安全完整到達(dá)的。UDP用來支持那些需要在計算機之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。包括網(wǎng)絡(luò)視頻會議系統(tǒng)在內(nèi)的眾多的客戶/服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都需要使用UDP協(xié)議。UDP協(xié)議從問世至今已經(jīng)被使用了很多年，雖然其最初的光彩已經(jīng)被一些類似協(xié)議所掩蓋，但是即使是在今天，UDP仍然不失為一項非常實用和可行的網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議。

（4）IP是英文Internet Protocol（網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議）的縮寫，中文簡稱為“網(wǎng)協(xié)”，也就是為計算機網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信而設(shè)計的協(xié)議。在因特網(wǎng)中，它是能使連接到網(wǎng)上的所有計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則，規(guī)定了計算機在因特網(wǎng)上進(jìn)行通信時應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)則。任何廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)，只要遵守 IP協(xié)議就可以與因特網(wǎng)互連互通。IP地址具有唯一性，根據(jù)用戶性質(zhì)的不同，可以分為5類。另外，IP還有進(jìn)入防護(hù)，知識產(chǎn)權(quán)，指針寄存器等含義。

（5）ICMP和ARP協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一些基本配置，ARP為地址解析協(xié)議，是將IP地址轉(zhuǎn)換到硬件地址的協(xié)議，ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet控制報文協(xié)議。它是TCP/IP協(xié)議族的一個子協(xié)議，用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡(luò)通不通、主機是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件的系統(tǒng)框圖如圖2所示，光纖轉(zhuǎn)電模塊實現(xiàn)光纖到電的RJ45轉(zhuǎn)換，RJ45實現(xiàn)光纖轉(zhuǎn)換模塊和MC9S12NE64（以下簡稱NE64）的連接，4個SPE485實現(xiàn)該網(wǎng)關(guān)與基站的RS 485連接，MAX232實現(xiàn)調(diào)試輸出或基站的RS 232連接。

2.1 MC9S12NE64以太網(wǎng)單芯片簡介

NE64是Freescale公司于2004年9月推出的高性價比、業(yè)內(nèi)首個嵌入式單芯片以太網(wǎng)微控制器，內(nèi)核為HCS12。由標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置外設(shè)構(gòu)成，主要包括一個16 b的中央處理器單元（HCS12 CPU），64 kB的FLASHE2PROM，8 kB的RAM（EMAC共享），集成了10／100 Mb／s以太網(wǎng)物理層收發(fā)器（EPHY）的以太網(wǎng)媒體訪問控制器（EMAC），2個異步串行通訊接口模塊（SCI），1個4通道16 b定時器模塊（TIM）以及多達(dá)21個管腳可用于鍵盤喚醒輸入（KWU）等。內(nèi)置的PLL電路允許對功耗和性能進(jìn)行調(diào)節(jié)來滿足運行要求。

2.2 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

NE64內(nèi)部集成了用于連接以太網(wǎng)的EMAC和EPHY協(xié)議層，因此省了外接的PHY，只需連接少許的外部電阻和電容以及一個RJ45接口就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理連接，接口電路如圖3所示。

2.3 RS 485和RS 232接口設(shè)計

NE64本身具有雙串口，因此本文將串口0（SCI0） 設(shè)計為RS 485通信，將串口1（SCIl）設(shè)計為RS 232通信。

在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，該網(wǎng)關(guān)通過RS 485（串口0）與本地基站相連以獲取人員信息。為增加系統(tǒng)中RS 485的驅(qū)動能力，設(shè)計了4路接口，原理圖如圖4所示。

在圖4（a）中，只畫了一路的RS 485接口電路，其他的3路基本一樣。在接收腳RXD00串聯(lián)電阻和LED指示燈，用于指示電路的接收狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)的LED指示燈沒有在圖中畫出，原理同接收電路。WD1～WD3及串聯(lián)的20 Ω小電阻，具有防雷擊功能。圖4（b）中的RXD01～RXD03是另外3路RS 485的接收端，要注意的是圖中74HC09是集電極開路輸出，因此在輸出時需接一個上拉電阻，RXD0直接連接NE64的串口0的接收端，而4路RS 485的發(fā)送端TXD0連接在一起并和NE64的串口0的發(fā)送端相連。

3 軟件實現(xiàn)

嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)完成系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及wEB服務(wù)器的構(gòu)建，基于TCP／IP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有很多，但是針對嵌入式系統(tǒng)，必須考慮到硬件和軟件資源，從而需對其進(jìn)行精簡使之應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)?？紤]到硬件資源和軟件的開發(fā)，本文選用了源碼開放的OpenTCP協(xié)議棧，該協(xié)議棧由芬蘭的Viola Systems公司開發(fā)，實現(xiàn)了大多數(shù)的基于vIP4的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如HTTP，DHCP，SMTP，TFTP，TCP／IP，DNS，ARP，ICMP等協(xié)議，并由美國的SourceForge公司根據(jù)NE64的硬件資源將其移植過來，實現(xiàn)了在16位低成本嵌入式系統(tǒng)上的網(wǎng)絡(luò)化，程序的流程如圖5所示。

3.1 基于TCP服務(wù)端和客戶端的建立

TCP：Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議TCP是一種面向連接（連接導(dǎo)向）的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層（Transport layer）通信協(xié)議，由IETF的RFC 793說明（specified）。在簡化的計算機網(wǎng)絡(luò)OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，UDP是同一層內(nèi)另一個重要的傳輸協(xié)議?；赥CP服務(wù)器端和客戶端程序是本設(shè)計的主要應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)整個定位數(shù)據(jù)的傳輸?？紤]到上位機主監(jiān)控軟件的設(shè)計，本文采用OpenTCP協(xié)議棧提供的API函數(shù)來建立TCP服務(wù)程序。在程序中，遠(yuǎn)程主控端可以通過客戶端程序主動撥號與本網(wǎng)關(guān)設(shè)備的服務(wù)器端建立連接，并獲取基站人員定位信息；如果該網(wǎng)關(guān)設(shè)備中已存放有大量數(shù)據(jù)（取決于本地存儲器），那么它將通過本地客戶端主動撥號與遠(yuǎn)程主控端服務(wù)器建立連接，并上傳數(shù)據(jù)。

服務(wù)器端程序包括初始化函數(shù)void tcps_init（void）、主回調(diào)函數(shù)void tcps_run（void）以及事件監(jiān)聽函數(shù)INT32 tcps_eventlistener（INT8，UINT8，UINT32，UINT32）。本文僅列舉了服務(wù)器端的初始化函數(shù)：

3.2 其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)

其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括嵌入式WEB服務(wù)器、UDP、ARP協(xié)議、DNS協(xié)議以及ICMP協(xié)議。WEB服務(wù)器是基于HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而構(gòu)建的，在本文主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的查詢和設(shè)置，包括TCP的套接字的初始化、HTTP的初始化以及HTTP回調(diào)函數(shù)?；赨DP的數(shù)據(jù)傳輸是該網(wǎng)關(guān)的擴展功能，運用于大量數(shù)據(jù)傳輸，并且某些數(shù)據(jù)可以被丟掉的，如將該網(wǎng)關(guān)運用在井下人員的語音傳輸系統(tǒng)中。

3.3 RS 485以及RS 232數(shù)據(jù)傳輸

RS 485和RS 232是該網(wǎng)關(guān)設(shè)備與井下人員定位基站通信的主渠道，軟件設(shè)計主要包括兩部分：初始化和數(shù)據(jù)通信。初始化程序主要設(shè)置通信波特率以及有關(guān)的狀態(tài)，數(shù)據(jù)通信主要包括串口中斷處理（發(fā)送和接收）以及對收到的基站數(shù)據(jù)處理。

4 單芯片嵌入式網(wǎng)關(guān)在煤礦井下人員定位中的應(yīng)用

在現(xiàn)場安裝了5個網(wǎng)關(guān)設(shè)備，每個網(wǎng)關(guān)分別連接6臺基站，安裝距離最遠(yuǎn)為600 m。PC機端的主控軟件用VC++6.0設(shè)計，主界面包括簡單服務(wù)器和客戶端撥號程序。以太網(wǎng)采用自動協(xié)商協(xié)議，網(wǎng)速為100 Mb／s。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設(shè)置為1 kB，實際上有用的字節(jié)數(shù)為804 B，除去數(shù)據(jù)長度、校驗和一些特殊信息，最后可用的最大字節(jié)數(shù)為796 B，即一次傳送的最大數(shù)據(jù)量為796 B。

5 結(jié) 語

基于單芯片的MC9S12NE64的嵌入式以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，完成了光纖環(huán)網(wǎng)到井下基站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了低成本、高速率的嵌入式WEB服務(wù)器、簡化的基于TCP服務(wù)器和客戶端用戶應(yīng)用程序以及UDP的數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。該網(wǎng)關(guān)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和其他控制領(lǐng)域，實現(xiàn)小型工業(yè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。