摘 要：在自動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)備的對外通訊接口仍然是低速串口。但低速串口有其固有的缺點：無法集中、全面、準(zhǔn)確而實時地監(jiān)控數(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)計方法，它可以變傳統(tǒng)的串口通訊為網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(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)備的對外通訊接口仍然是低速串口。因此現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點是：無法集中、全面、準(zhǔn)確而實時地監(jiān)控數(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)自動化強勁勢頭的到來，用戶與供應(yīng)商迫切需要在任何時間和任何地點都可以實時訪問數(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。針對一些實際需求，采用串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器就是解決這些問題的最佳解決方案。本課題串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器正是在這一要求下設(shè)計出來的產(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) 　　為了實現(xiàn)該轉(zhuǎn)換模塊的研究，首先要選擇一個硬件平臺即嵌入式處理器。由于ARM是基于精簡指令系統(tǒng)（RISC）的32位內(nèi)核，代碼效率高，運行速度快，綜合性能強，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;轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須要有電源，供整個系統(tǒng)用;系統(tǒng)工作時需要有工作時鐘，因此本系統(tǒng)需要有時鐘電路;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，由于本文只針對以太網(wǎng)口，其它兩個接口本文不作介紹。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)計顯示如圖1所示。 4　網(wǎng)絡(luò)接口電路的硬件設(shè)計 　　SEP3203芯片內(nèi)部沒有集成網(wǎng)絡(luò)模塊，但SEP3203芯片設(shè)計的接口豐富，可以方便地擴展。考慮使用中可能對網(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，能簡單的實現(xiàn)Plug and Play 并兼容NE2000。由于它擁有三種等級的掉電模式，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，如果是連接到一個同樣是全雙工的交換機或集線器，就可實現(xiàn)同時接收和發(fā)送[2]。 　　RTL8019AS支持16KByte、32KByte、64KByte的BROM，另外還支持FLASH MENORY和頁訪問方式，最大支持4MByte（16K×256），此外還支持在運行完BROM 后釋放內(nèi)存以供系統(tǒng)其他程序的運行。網(wǎng)絡(luò)接口模塊的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。 　　由圖2可知，以太網(wǎng)接口通過系統(tǒng)總線外擴而成。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RTL8019AS所有的寄存器，實現(xiàn)最簡單的網(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單，在PCB板上布線比較規(guī)則。網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019的實際電路連接圖見參考文獻(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，實際電路圖如圖3[4]所示， 對比SEP3203微處理器的SRAM接口協(xié)議，由于總線沒有等待信號，所以沒有使用IOCHRDY信號。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Nucleus 　　綜合考慮各個因素，我們選擇了嵌入式實時操作系統(tǒng)Nucleus。Nucleus PLUS是美國著名RTOS廠商（ATI）（Accelerated Technology Inc）公司為實時嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的一個搶先式多任務(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，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20K字節(jié)大小，內(nèi)核規(guī)模非常小。Nucleus PLUS除提供功能強大的內(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)用的實時化Windows模塊，支持nternet網(wǎng)的WEB產(chǎn)品模塊，工控機實時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)用來選擇不同的應(yīng)用模塊。 6 網(wǎng)絡(luò)接口通信的設(shè)計 　　網(wǎng)絡(luò)接口的硬件將網(wǎng)絡(luò)上傳送來的數(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)接口使用中斷機制來完成這一任務(wù)，一個中斷時處理器將正常的處理掛起，跳轉(zhuǎn)到設(shè)備驅(qū)動程序的代碼段執(zhí)行。此時，由設(shè)備驅(qū)動程序管理所有細(xì)節(jié)。設(shè)備驅(qū)動軟件通知協(xié)議棧已經(jīng)有一個分組到達(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（）完成兩個工作，首先是對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的初始化[5]， 然后就對系統(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。 　　流程說明：①程序由Main（）函數(shù)開始，調(diào)用taskmain（）。②taskmain（）調(diào)用sys_ini（）對系統(tǒng)初始化，調(diào)hardware_ini（）對硬件初始化;調(diào)用vcre_tsk（）創(chuàng)建了6個任務(wù),調(diào)用stak_tske（）將部分任務(wù)放入就緒隊列，調(diào)用sys_sta（）啟動系統(tǒng)。③通過系統(tǒng)調(diào)度開啟任務(wù)demo_main。④函數(shù)demo_main（）調(diào)用ne2000_task（）開始測試過程。⑤ne2000_task（）的 　　主要功能是：調(diào)用Neti_Init（）對網(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個周期。 7　系統(tǒng)測試 　　在PC端運行串口調(diào)試助手，該軟件可從網(wǎng)上免費獲得，軟件運行后根據(jù)實際運行環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)測試，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、可靠性及相對于工控設(shè)備而言足夠高的通信能力而長盛不衰，而串口設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)共享也是大勢所趨。因此，串口以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的開發(fā)是有現(xiàn)實意義和社會經(jīng)濟(jì)價值的。本課題的目的是實現(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)計和軟件編程實現(xiàn)，并且設(shè)計了整機。 　　因為微處理器對于各種電器設(shè)備有良好的接入和控制能力，所以我們實現(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，通過它可以實現(xiàn)對各種實時信號儀器儀表家用設(shè)施等目標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)視。在宏觀上，對各種設(shè)備統(tǒng)一管理實現(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：①本系統(tǒng)采用ARM作為該系統(tǒng)的核心處理器，替代過去低檔CPU,嵌入式實時操作系統(tǒng)可移植到該系統(tǒng)硬件平臺。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現(xiàn)原有串口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接。 參考文獻(xiàn) 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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.微計算機信息[J].2006（8-2）:68-70.