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基于m s p 4 3 0 单片机的嵌入式网络终端 摘要 目前使用最广泛的以太网以及t c p i p 协议已经成为最常用的嘲络标准之 一。本论文研究的是如何实现嵌入式系统与以太网的结合，在嵌入式网络终端 中实现t c p i p 协议族，通过网络控制芯片接入以太网进行系统的远程控制和数 据传输。系统采用模块化设计，通过人机交互界面实现对嵌入式网络终端的遥 测和遥控功能。 由于本系统应用于工业控制领域，并且采用1 6 位t s p 4 3 0 单片机作为主控 制器，所以整个研究工作的重点是根据本系统的实际需要以及单片机资源有限 等特点，对t c p i p 协议栈进行适当简化和实现，以及为了应用于工业控制领域 在t c p i p 协议的应用层实现m o d b u s i c p 协议。另外，系统的上位机软件采刚 v c 进行编写，实现上位机客户端程序，用于对作为服务器的嵌入式网络终端进 行查询。 关键词：嵌入式网络终端，以太网，t c p i p ， , , i o d b u s t c p 。m s p 4 3 0 e m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a lb a s e do nm s p 4 3 0 a b s t r a c t e t h e r n e ta n d t c p i pp r o t o c o lt h a ta r eu s e dm o s tw i d e l yn o wh a y eb e c o m e o n eo lm o s tc o m m o nu s e dn e t w o r ks t a n d a r d t h isp a p e rr e s e a r c h e sh o wt o c o m b i n ee m b e d d e ds y s t e ma n de t h e r n e t ，i m p l e m e n tt c w i pp r o t o c o la t e m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a l ，r e m o t ec o n t r o la n dd a t at r a n s f e rt h r o u g h e t h e r n e tl a nc o n t r o l l e r t h es y s t e mi sb a s e d0 1 1m o d u l a rd e s i g n ，i t c o m p l e t e sr e m o t ec o n t r o la n dr e m o t em e a s u r eo fe m b e d d e dn e t w o r kt e r m i n a l b a s e do nm a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h es y s t e mi sa p p l i e da tt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o la n d1 6 一b i t m s p 4 3 0i sm a i nc o n t r o l l e r t h em a i np o i n to ft h er e s e a r c hi s h o wt o p r o p e r l yr e d u c ea n di m p l e m e n tt c p i pp r o t o c o l ，i m p l e m e n tm o d b u s t c p p r o t o c o la ta p p l i o a t i o nl a y e r o ft c p i pf o ri n d u s t r i a lc o n t r 0 1 a l lw o r k s b a s eo nt h ea c t u a ld e m a n da n dt h er e s o u r c ec h a r a c t e r is t l co ft h em c u t h ec 1 i e n ti sp cs o f t w a r ep r o g r a m m e dw i t hv c i tq u e r i e se m b e d d e dn e t w o r k t e r m i h a l t h a tu s e da ss e r v e r k e yw o r d ：e m b e d d e dn e t w o r kt e r m in a l 、e t h e r n e t 、t c p i p 、m o d b u s t c p 、 m s p 4 3 0 图1 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图2 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 - - 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 插图清单 l p c 机与嵌入式网络终端构成的网络系统 l 硬件框图 2 主控制器模块电路图 3 以太网接口模块电路图 4 串口通讯模块电路图 5 电源模块电路图 1 软件模块图 2 主程序流程图 3t c p 1 p 协议族的四层层次 4 地址解析协议 5t c p i p 协议族中不同层次的协议 6 数据进入协议栈时的封装过程 7 网络数据处理程序 8 以太网的封装格式 9a r p 报文格式 1 0a r p 报文处理流程 l li p 的报文格式 12i p 报文处理流程 1 3i c m p 报文及封装 14i c m p 报文格式 15i c m p 报文处理流程 1 6t c p 的报文格式 1 7t c p 连接的建立和关闭 1 8t c p 状态变迁图 1 9t c p 滑动窗口 2 0t c p 报文处理流程 2 lt c p 重发机制 2 2 主从查询回应周期 2 3m o d b u s t c p 协议帧格式 2 4m o d b u s t c p 报文处理流程， 1t c p i p 应用程序工作模型图 2 上位机客户端流程图 3p i n g 命令演示 4p i n g 命令时的数据报抓包 卫“矗一加m坦b k伸加勉筋抖巧拍勰船凹”弘加引鸵钳彤钾舯州引 图4 5 系统的运行演示 图4 6 系统的运行抓包 图4 7i p 地址输入窗口 5 2 5 2 5 3 独创性声明 本a 卢明所早交的学位论文魁本 在导师指导卜进行的研究1 = 作及墩得的研究成果。 据我所知、除了文d 特别加以标往和i 致谢的地方外，论盘中不包含其他人已经发表战撰下弓 过的研究成果，也不包含为获得一 鱼世：坐厶主或他教育机构舵学似或让5 而使 i i 过的材料。与我一同工作的同忠对奉研究所性能任何贡献均已在论文t 扣竹了嘲确柏说明 j 1 = 表示谢意。 学位论文作者签名：亏簪厅l ! ；己_ 誉签字巳鼽：弘一年妇；) 巾日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒蟹土些盔。置有关保留使并j 学位论文前蛳定，有权保留 并向国家有关部r 】或机构送交论文的复印f 1 录呻戤盘，允许论文被商阅平借阅。本人授权鱼 蟹l 。些。堂u r h 将学位论文曲全部或部分内荦 编 有芫数据库进行检索可以采膨印、 缩印戏扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保誉晌学位论文住解密肃适用本授杈m 学位论文作者签名 柔眺苫 签字日删：另目防 月另阴 学位论文作者毕业后圭向 工作单位： 通讯地址： 新妣碉雄青 l 签字日划：叠，f 年f 月。f 日 电话 邮编 致谢 在从事项目、课题研究和撰写论文的过程中，白始至终得到了我的导师陶 维青副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是收集资料、论文成 稿，都倾注了陶老师的心血，由衷感谢陶老师在学业指导及各方面所给予我的 关心，陶老师广博的学识、严谨的治学作风、高度负责的敬业精神必将使我终 身受益。 本次论文工作得以顺利完成还要感谢本实验室王骏、郑杰、周强、王成进、 黄丽琼等同学，在我课程学习和论文撰写期间，给予我帮助和鼓励。 最后，衷心感谢我的家人多年来在生活和精神上给予我的支持和帮助。 作者：张晓飞 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 随着经济的发展和科技的进步，网络用户f 呈快速增长趋势，而且各种工 业控制设备和仪器仪表也逐步网络化。作为目前使用最广泛的以太网以及 t c p i p 协议已经成为最常用的网络标准之一，它的高速性、可靠性、灵活性和 兼容性使其在各个领域得到越来越广泛的应用。同时在t a m 控制设备、仪器仪 表等应用领域存在大量的嵌入式设备，这些设备很多只有f ；| = 1f 1 、c a n 总线等简l 靼 的网络接口，通信能力有限，有的甚至处于孤立运行状态。如何让嵌入式系统 接入以太网并通过网络对它们进行远程控制和数掘传输，实现t c p p 协议和嵌 入式系统的结合成为当前控制学科研究热点。 1 1 嵌入式网络终端的概况 1 1 1 嵌入式系统 按照i e e ( 电气工程协会) 的定义：嵌入式系统是指用来控制或监视机器、装 置或工厂等大规模系统的设备。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为 基础，软硬件可裁减，系统功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求非常严格 的计算机系统。整个系统是软件与硬件的结合体，整个系统的设计目的在于满 足某种特定功能。嵌入式系统主要具有以下一些特性： ( 1 ) 嵌入式系统的c p u 与通用型的c p u 最大不同就是嵌入式c p u 大多工作在 为特定用户群设计的系统中，具有低功耗，体积小、集成度高等特点。嵌入式 系统设计大都趋于小型化，将大部分任务集成在芯片内部，从而大大增强了系 统的移动能力和系统与网络结合能力。 ( 2 ) 嵌入式系统的存储容量较小，嵌入式系统一般以r o m 、f l a s hm e m o r y 、 r a m 等作为存储介质。由于嵌入式系统体积、成本等因素限制，嵌入式系统不可 能有太大的存储容量。 ( 3 ) 对嵌入式系统的硬件和软件都必须进行高效率地设计。在具体应用中各 种不同系统要进行有针对性的设计，力争在芯片上实现最佳的性能，使对处理 器的选择更具有竞争力。 ( 4 ) 由于嵌入式系统大多作为应用的关键部件，嵌入式系统一般对实时性要 求比较高。为了提高执行速度和系统可靠性，系统中的软件一般都固化在单片 机本身中或存储器芯片。 嵌入式系统技术有着非常广阔的应用前景，基于嵌入式系统的工业自动化 设备也具有很大的发展空间，目前己经有大量的8 、1 6 、3 2 位嵌入式微控制器 应用在工业过程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备监测等领域”1 。 随着科学技术的快速发展，嵌入式系统技术也得到迅速地发展，嵌入式系 统技术发展趋势有以下几个方面： ( 1 ) 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统丌发商不仪要提供嵌 入式硬件、软件系统，还需要提供强大的硬件丌发工具和软件包支持例。 ( 2 ) 随着i n t e r n e t 技术的成熟，使得以往功能单一的设备变得系统结构越 来越复杂。 ( 3 ) 网络互联已经成为发展的必然趋势，为了适应网络发展的要求，嵌入式 处理器已经开始内嵌网络接口，根据不同的需要支持各种通信接口，实现在网 络上的数据传输。 ( 4 ) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。减小功耗与降低成本是 嵌入式发展关键，这就要求设计者选用最佳的编程模型，不断改进算法，优化 编译器性能。 1 1 2 嵌入式网络终端 随着i n t e r n e t 技术的发展，嵌入式系统开始与以太网网络接口相接合组成 嵌入式网络终端。嵌入式网络终端一方面负责基于以太网通过t c p i p 协议栈与 p c 机进行网络通信，另一方面负责对现场的模拟量和开关量的采集和处理，如 图i - i 所示。与基于串口、c a n 总线等简单的网络接口的嵌入式系统相比较，基 于以太网的嵌入式系统在数据传输的速度上具有明显的优势。以太网的速率为 1 0 m b s 、l o o m b s ，而串口的传输速度一般在9 6 0 0 波特率以下，c a n 总线的最大 速度为i m b p s 。所以嵌入式系统接入以太网实现t c p i p 协议栈进行通信将大大 提高数据在网络上的传输速度。 图i lp c 机与嵌入式网络终端构成的网络系统 以太网是数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p ) 、英特尔公司 ( i n t e l c o r p ) 和x e r o x 公司在1 9 8 2 年联合公布的一个标准。它是当今t c p i p 采用的重要的局域网技术，它采用c s m a c d ( 带冲突检测的载波侦听多路接k ) 2 接入方法。以太网在其发展的2 0 年中得到了极为广泛的应用，己经成为一种主 流技术”1 。这主要是由于应用以太网有如下一些优势： ( 1 ) 开放性好。基于t c p i p 协议的以太网是种标准的开放式网络，不同 厂商的设备很容易互联。这种特性非常适台于解决控制系统中不同厂商设备的 兼容和互操作的问题。以太网是目前应用最广泛的局域网技术，遵循国际标准 规范i e c i s o s 0 2 3 ，受到广泛的技术支持。几乎所有的编程语言都支持以太网 的应用开发，如j a v a ，v 甜+ 、v b 等。 ( 2 ) 数据传输率很高。以太网支持的数据传输速率包括1 0 m b s ，l o o m b s 和1 6 b s ，比目前任何一种现场总线都快。以太网从扁平的总线共享模式发展到 结构化的交换模式后，任意终端之间的通信通过交换机实现透明的转发，出于 每个端口都是独立的冲突域( c o l l is i o nd o m a i n ) ，不存在信道共享引起的竞争 问题，系统的通信容量成倍增加。在相同通信量的条件下，通信速率的提高意 味着网络负荷的减轻，而网络负荷的减轻则意味着确定性的提高”3 。 ( 3 ) 远程技术的应用。w e b 技术和以太网技术的结合，将实现生产过程的远 程监控、远程设备管理、远程软件维护和远程设备诊断。 ( 4 ) 容易与信息网络集成。由于具有相同的通信协议，以太网能够实现办公 自动化网络和工业控制网络的无缝连接：随着实时嵌入式操作系统和j 嵌入式平 台的发展。嵌入式控制器、智能现场测控仪表将方便地接入以太控制网络，直 至与i n t e r n e t 相连；容易与信息网络集成，组建统一的网络”1 。 ( 5 ) 支持多种的物理介质和拓扑结构。以太网支持多种传输介质，包括同轴 电缆、双绞线、光缆、无线等，使用户可根据带宽、距离、价格等因素作多种 选择。以太网支持总线型和星型拓扑结构，可扩展性强，同时可采用多种冗余 连接方式提高网络的性能。 ( 6 ) 成本和费用低廉。由于以太网的应用最为广泛，受到了硬件开发商和生 产厂商的高度重视与广泛的支持，因此可以有多种硬件产品供用户选择，与目 前众多的现场总线相比，价格也低廉得多”。 嵌入式网络终端就是实现嵌入式系统与以太网的互联，要求嵌入式系统在 软件上支持t c p i p 协议。目前对于嵌入式网络终端的实现主要采取以下三种方 式： ( 1 ) 采用高性能3 2 6 4 位微处理器十嵌入式操作系统，即在r t o s ( 实时多任务 操作系统) 平台上对3 2 6 4 位高档单片机进行软件开发以实现t c p i p 协议处理。 目前国内较为流行的r t o s 有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、l i f l u x 等。1 。采用高性能 3 2 5 4 位微处理器，系统的功能强大，但不足之处是硬件成本高，开发周期长， 嵌入式操作系统购买昂贵。 ( 2 ) 采用已实现t c p i p 协议的专业芯片充当系统的通信控制器，这种方式 系统开发周期短，但存在内部固化t c p i p 协议的芯片价格偏高而且芯片功能有 局限性的缺点，应用范围较小。 ( 3 ) 采用8 1 6 位微处理器+ 网络接口芯片+ 简化t c p i p 协议。这种方式它对 系统资源的要求低，可以在低成本的8 位或1 6 位单片机上实现，价格低廉，适 用范围广泛。但缺点是要臼行丌发实现t c p i p 协议的软件。 1 2 本课题的意义 在前期的调研中，通过查阅大量文献可以看出国内外都已经有厂家年【1 科研 机构推出了嵌入式网络终端产品，取得一定的成果。但大都是基于3 2 6 4 位高 速处理器，专门针对8 1 6 位微处理器比较少。丽在工业控制的远程控制和数据 传输中，数据传输量一般很大，远程数据传输时t c p i p 协议的封装和分解需要 占用较大的存储资源，但过程控制本身并不太复杂，使用性能较高、功能齐全 的1 6 位单片机，再加上网络接口芯片完全可以满足应用需求。因此，本文选用 第三种方式进行系统的设计，在单片机中软件编程实现的t c p i p 协议通过网络 接口芯片实现网络终端。采用这种设计方案进行系统设计，既简洁，又经济。 1 3 本课题的技术难点和主要工作 本系统要集遥测、遥控、遥信及转串口等功能于一体，并且系统的运行对 稳定性、可靠性、实时性都有较高要求，同时系统成本也是考虑因素之一。在 系统多功能化、结构模块化等要求下，本课题的主要难点为： ( 1 ) 根据系统自身有限资源，在保证稳定性和实时性的前提下，对系统的 t c p i p 协议要进行适当的裁剪。 ( 2 ) 为了实现嵌入式系统的最优化和降低成本，必须充分利用c p u 集成外设 功能，精简系统的外部电路。同时要保证c p u 的资源和外部电路的有效、有序 运行。 ( 3 ) 由于系统进行大量的网络数据传输，要采用合理的方式处理c p u 与网络 接口芯片之间的数据传输，保证网络数据的f 常传输。 ( 4 ) 由于系统应用于工业控制领域，为了保证与工业控制领域常用协议 m o d b u s 协议的兼容，系统将在t c p i p 协议的应用层实现m o d b u s t c p 协议。 本课题是工程应用项目研究，对t c p i p 协议的原理和嵌入式网络终端的实 现进行系统的阐述。经过对t c p i p 协议的截剪和嵌入式t c p i p 协议的实时性 要求进行大量的分析和研究，本文采削m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 单片机与l o m b p s 以太网控 制器c s 8 9 0 0 a 设计嵌入式网络终端，以模块化设计思想提供软件设计并进行了 调试工作。 4 第二章嵌入式网络终端的硬件设计 嵌入式网络终端主要功能是采集现场的数据并进行处理同时通过以太网与 上位机通信。当嵌入式网络终端在现场实际工作时，为了保护系统和增强系统 的抗干扰能力，对模拟数据的采集需要经过信号调理将数据降至4 m a 、2 0 a a 、 o v 、j v 范围并且与嵌入式网络终端隔离，对开关量的遥信和遥控需要通过光耦进 行隔离再输入系统。 由于本文中嵌入式网络终端系统是实验室的实验板，所以对数据的采集方 面进行了简化。本系统通过对电位器的电滏采集表示对模拟数据的采集，通过 对4 路按键值的遥信和对4 路指示灯值的遥控作为对开关量的遥信和遥控。 2 1 硬件设计方案 嵌入式网络终端的硬件结构是实现系统整体功能的基础，硬件设计既要考 虑系统的各项性能是否能稳定和可靠的工作，同时也要考虑到系统的成本问题。 所以在硬件设计中需要遵循一些原则： ( 1 ) 嵌入式网络终端有较大的数据传输任务和数据采集任务，所以对快速性 有较高要求，因此在c p u 的选择上应考虑其快速性。 ( 2 ) 作为嵌入式系统，系统应尽最减少体积，所以要求c p u 有丰富的集成外 设功能，以减少系统外部电路，从而提高系统运行的稳定性、可靠性及抗干扰 能力，同时也可以减少系统的设计成本。 ( 3 ) 嵌入式系统的设计强调系统的低功耗，所以在硬件设计中要采用低功耗 的微控制芯片和硬件电路，这是电路设计的基本原则。 根据上面的硬件设计方案，本系统选择具有丰富外设功能的低功耗单片机 m s p 4 3 0 e 1 6 1l ，以太网控制芯片选择的是低功耗的c s 8 9 0 0 a 。 2 2 系统组成 基于m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 和c s 8 9 0 0 a 的嵌入式网络终端由主控制器模块、以太网 接口模块、串口通讯模块、电源模块组成。 嵌入式网络终端的硬件框图如图2 一l 所示： ( 1 ) m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机的p 5 7 、p 5 0 作为数据总线与以太网控制器 c s 8 9 0 0 a 的数据总线s d 7 “s d o 相连。 ( 2 ) 单片机的p 3 3 p 3 0 作为地址总线与c s 8 9 0 0 a 的地址总线s a 3 s a o 相 连；单片机的p 3 6 、p 3 7 作为读写控制线分别与c s 8 9 0 0 a 的i o w 和i o r 相连。 ( 3 ) 单片机的p 2 3 p 2 0 接按键k 4 k l ，p 2 7 p 2 4 接指示灯l e d 7 l e d 4 用于系统的遥信、遥控；单片机的p 6 7 a 7 连接电位器用于模拟信号的采集。 ( 4 ) c s 8 9 0 0 a 与隔离变压器e 2 0 2 3 连接，然后通过e 2 0 2 3 与r j 4 5 的连接， 实现与以太网的连接。 ( 5 j 系统采用s p 3 2 2 3 芯片实现c m o s 电平与r s 一2 3 2 的电平转换，单片机的 p 3 4 和p 3 5 用于串行通信，通过与s p 3 2 2 3 相连，实现串口通讯。 ( 6 ) l 2 v 的电源接m c 7 8 0 5 芯片将电压降为5 v 再经过a s i n 7 芯片将电压转 化为33 v 电压用于m s p 4 3 0 f i8 1 1 单片机。 图2 l 硬件框图 2 2 1 主控制器模块 主控制嚣采用1 6 位高性能单片枫m s p 4 3 0 f i 6 1 l 。m s p 4 3 0 系列单片机是美国 德州仪器公司( t i ) 近几年开发的新一代1 6 位单片机，其突出优点是低电源、 超低功耗，有多个系列和型号。m s p 4 3 0 典型应用包括：测量系统、捕获模拟信 号转换为数字值并处理数据用于显示或者传送到主系统。其定时器使得其配置 理想地使用在工业控制中。例如数字马达控制、手持式仪表等“。 m s p 4 3 0 f 1 6 1l 单片机具有4 8 k 的内部程序f l a s h 存储器，2 5 6 字节的信息 f l a s h 存储器，i o k b 的r a m 3 。它存储空间大，硬件资源较多，编写程序简单， 调试程序方便，而且它的1 0 k b r a m 较大，可以满足系统在实现t c p i p 协议的同 时进行必要的现场数据采集和处理、串口数据传输。其主要特点： ( 1 ) 电压电源范围1 8 “3 6 v ； ( 2 ) 1 6 位r i s c 结构1 2 5 纳秒指令时间周期，从所有低功耗模式苏醒到活 6 动模式的时间小于6 i ts ： ( 3 ) 三个内部d m a 通道；片内集成比较器； ( 4 ) 具有内部参考电平、采样保持和自动扫描特性的1 2 位a d 转换器； ( 5 ) 同步的双1 2 位d a 转换器； ( 6 ) 带有三个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器a ；帝有七个捕捉i l l 较寄存 器的1 6 位定时器b ； ( 7 ) 串行通讯接口( u s a r t i ) ，具有异步u a r t 同步s p i 接口功能；串行通 讯接口( u s a r t o ) ，具有异步u a r t 同步s p i 1 2 c 接口功能； ( 8 ) 4 8 个i o 口( 均可独立控制) 。 选择m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机的优势是m s p 4 3 0 f t 6 1 l 单片机的1 0 k br a m 可以满 足嵌入式网络终端系统的大量数据传输需要，1 2 位a d 转换器可以提供高速的 a i d 转换而不需另加a d 转换电路，2 个通用同步异步1 2 c 发射接受器可以方 便地为系统提供通讯接口。 如图2 2 ，m s p 4 3 0 f 1 6 1l 通过x i n 和x o u t t c l k 接8 m h z 晶振用于产生系统 所用的时钟频率；同时m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 外接一个j t a g 口，通过s t a g 口接m s p 4 3 0 仿真器用于系统与m s p 4 3 0 开发软件i a r 之间的程序调试；m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 的 r s t n m 连接一个接地按键k o ，作为系统的复位重启：m s p 4 3 0 f 1 6 1 i 的p 6 。7 a 7 、 p 2 3 “p 2 0 和p 2 7 p 2 4 分别接电位器、4 路按键和4 路指示灯作为系统的模拟 量的遥测和开关量的遥信、遥控。 主控制器模块作为整个硬件系统的核心是协调其他各个模块有序工作的基 础，该模块在系统中主要完成以下功能： ( 1 ) 控制以太网接口模块完成网络数据包的发送和接收以及相应的封装 与解包工作。 ( 2 ) 根据上位机的指令完成相应的数据采集和处理工作。 ( 3 ) 检测串口通讯模块是否有事件发生并做出相应的反应。 ( 4 ) 完成系统上电复位，扔始化以及低电压检测。 图2 2 主控制器模块电路图 2 2 2 以太网接口模块 以太网控制芯片选用的是c s 8 9 0 0 a 。c i f f u sl o g i c 公司生产的c s 8 9 0 0 a 是 一种高集成度、全面支持i e e e 8 0 2 3 标准的l o m b p s 以太网控制器，1 0 0 脚t q p p 封装，其主要特点“”： ( 1 ) 片内4 k 字节的r a m ；支持外部e 2 p r o m ；全双工； ( 2 ) 具有 o b a s e t 端口；支持l o b a s e 2 、l o b a s e 5 、l o b a s e f 接口； ( 3 ) 适用于i o 操作模式、存储器操作模式和直接存储器存取( d m a ) 操作 模式； ( 4 ) 自动生成报头，自动进行c r c 检验，冲突后自动重发；最大电流消耗 5 5 m a ( 5 7 电源) 。 ( 5 ) 其内部的功能模块主要是8 0 2 3 介质访问控制( 姒c ) 。它负责处理有关 咀太网数据帧的发送和接收，包括：冲突检测、帧头的产生和检测、c r c 效验码 的生成和验证“。 图2 3 以太网接口模块电路图 图2 - 3 为以太网接口模块电路图，c s 8 9 0 0 a 通过x t a l l 和x t a l 2 接2 0 m h z 的 外部晶振；c s 8 9 0 0 a 与隔离变压器e 2 0 2 3 连接，然后通过e 2 0 2 3 与r 5 4 5 的连接， 实现与以太网的连接。c s 8 9 0 0 a 的l a n l e d 接红色指示灯l e d lj 当l e d l 亮时表 示c s 8 9 0 0 在接收、发送数据报；c s 8 9 0 0 a 的l i n k l e d 接绿色指示灯l e d 2 ，当l e d 2 亮时表示c s 8 9 0 0 a 连接到有效的以太网网络。 以太网接口模块是用于完成t c p i p 协议栈中的链路层功能，在发送时它把 网络层数据包转换成以太网物理帧格式用于物理信道上的传输；在接受时它将 物理信道上接受到的信号转换成网络层数据包。 2 2 3 串口通讯模块 r s 一2 3 2 是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的 串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯， 9 它的特点是串口操作简单，可靠性高“。 m s p 4 3 0 f 1 6 1l 内部集成外设有2 个通用同步异步1 2c 发射接受器均支持 r s 一2 3 2 标准，由于m s p 4 3 0 单片机的异步串口为c m o s 逻辑信号，系统选用s p 3 2 2 3 e 用于将信号转换成r s - 2 3 2 标准。s p 3 2 2 3 e 芯片有两个发送器和两个接收器能够 满足从c m o s 到r s 2 3 2 和从r s 2 3 2 到c m o s 电平转化的要求。图2 4 为串口通讯 模块的电路图，m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 的p 3 4 u r x d o 和p 3 5 u t x d o 接s p 3 2 2 3 e 芯片的 t 1 i n 和r i o u t ，再由s p 3 2 2 3 e 芯片的t i o u t 和r l i n 实现系统的串口通讯功能。 s p 3 2 2 3 e 芯片组成的串口通讯模块在软件处理中由串行中断管理，串口的数据发 送和接收均在中断中完成。 图2 4 串口通讯模块电路图 2 2 4 电源模块 由于m s p 4 3 0 f 1 6 1 i 单片机的电压电源范围1 8 3 6 v ，所以系统采用1 2 v 电 源通过m c 7 8 0 5 芯片将电压降为5 v ，再经过a s l l1 7 芯片将电虚转化为适合系统 使用的3 3 v 电压，电源模块的电路图如图2 - 5 所示。 、赢r”，m l 卞lj 图2 5 电源模块电路图 2 3 系统硬件设计的特点 ( 1 ) 系统中主控制器m s p 4 3 0 f t 6 1l 单片机内部集成了大量的外设模块，这使 得系统的电路设计大量简化，同时也提高了系统的稳定性和抗干扰能力。 ( 2 ) m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 具有1 2 位a o 转换器外设，它满足了系统的快速性和可 靠性的要求，同时也简化了硬件电路从而提高了系统的稳定性并且降低了系统 的成本。 ( 3 ) 嵌入式系统的基本要求是低功耗，是电路设计的基本要求。本系统选用 的m s p 4 3 0 f 1 6 1l 和c s 8 9 0 0 a 都为低功耗芯片，系统设计也遵循低功耗的电子设 计原则进行设计。 第三章嵌入式网络终端的软件设计 嵌入式网络终端是软件与硬件的结合体，单片机系统的软件设计特点是必 须根据单片机硬件基础进行软件的设计。系统的软件设计是一个系统的主要组 成部分，软件的质量将直接影响到系统的性能指标的完成，一个好的软件设计 将是系统性能提高的倍增器“”。 嵌入式网络终端的主要功能是实现嵌入式系统与网络的连接，实现系统的 远程控制和数据传输。本系统采用模块化结构设计，每一个模块被设计成负责 单独一项功能。这样就可以方便系统的调试和连接，同时有利于软件的移植和 修改，使系统可以方便的利用通用软件代码和进行系统的功能扩展。 本系统利用c 语言作为开发工具，系统的软件开发环境为广泛使用的 m s p 4 3 0 开发软件i a r 集成开发环境，包括i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 嵌入式工作 台、c s p y 调试器“。如图3 一l ，系统的软件部分可分为：初始化模块；数据 聚集和处理模块；串口通讯模块；t c p i p 协议模块“”，另外系统还有两个中断： 定时器中断和串口中断，定时器中断用于t c p 重发机制计时和数据采集计时， 串口中断用于转发串口数据。 圈3 一l 软件模块图 3 1 主程序 本系统设计的主程序的任务是将几个功能模块联结成个整体，处理各个 功能模块之间的调度，实现系统的稳定高效运行。主程序工作流程如图3 2 ： ( 1 ) 首先对m s p 4 3 0 f 1 6 11 单片机和c s 8 9 0 0 网络控制芯片进行初始化。 ( 2 ) 在初始化完成后。系统进入一个循环处理过程，每次循环开始时，先查 询是否要进行数据的采集和处理。如果是，则进行相应的数据采集和处理。 ( 3 ) 接着系统对是否接收到网络数据进行判断。程序通过读取c s 8 9 0 0 a 的 r e c e iv e re v e n t 寄存器来判断是否接收到了新的网络数据。若没有新的网络数 据，直接跳去判断是否t c p 定时器到时。 ( 4 ) 如果接收到网络数据，进入相应的网络数据解包，并根据解包数据进行 对应的网络数据的封装。 囤3 2 主程序流程图 ( 5 ) 网络数据解包后，如果接收到的数据是转送给串口的，则进入相应的中 断进行转串 _ 数据处理。 ( 6 ) 接着判断是否t c p 定时器到时，如果t c p 定时器到时进入t c p i p 重发 机制进行数据报重发或超时错误处理直至关闭连接：没有定时器事件发生， 则直接进行下一步，把封装好的数据报发送到以太网同时启动i c p 定时器。 3 2 初始化模块的实现方案 对系统的初始化将直接关系到单片机内部资源的有效利用和系统的正常运 行。嵌入式网络终端的初始化模块的主要功能是完成对m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 单片机和 c s 8 9 0 0 网络控制芯片的初始化，包括单片机的时钟振荡器设置、i o 端口初始 化、a d 转换器的初始化、定时器a 的初始化、串口u a r t o 初始化、c s 8 9 0 0 芯 片内寄存器初始化和系统参数及变量的设置。 m s p 4 3 0 f 1 6 1l 单片机时钟振荡器的设簧： w d c r l = w d t p w + y # d t h o l d 停止看门狗。 b c s c t l ii = x t s ：选择x t i 工作在高频模式。 b ics rr e g is t e r ( 0 s c o f f ) ，0 s c o f f 位复位，允许l f t x l 工作； d o i f gl = 、o f i f o ： d e l a y c y c l e s ( 1 0 0 ) w h l i e ( i f g l o f f o ) b c s c t 2 = s e l m3 测试o f i f g 标志位直至晶振稳定。 设置x f i 为m c l k ( 系统主时钟) e 单片机中暂时没有使用的端口f i 、p 4 初始化为输出且其端口输出寄存器为 0 ；端口p 2 初始化用于开关量的输八和输出，端口p 6 7 则初始化为a d 模式： 端l 】p 3 7 、p 3 5 初始化用于控制c s 8 9 0 0 的1 0 w 、i o r ，p 35 、p 34 初始化用于 串口u a r t o ，p 3 4 “p 3 。0 初始化用于与c s 8 9 0 0 的地址总线 端口p 5 初始化用于 与c s 8 9 0 0 a 的数据总线。 单片机设置a c l k ( 辅助时钟) 、定时器a 的初始化： b c s c t l i = 、d i v a o ： b c s c t l = d i v a ： a c l k = x t l 4 = 2 肼z 。 t a c t l = ；k 3 + t a s s e l 一1 十m c 一2 十t a i e a c l k 8 = 2 5 0 k h z ，连续计数模，允许 定时器溢出中断。 这时定时器a 的中断是约2 6 2 m s 一次。接着对a d c l 2 模数转换器的初始化， 选择内部2 5 v 参考电压、单通道单次转换模式。选择a c l k 作为串口u a r t o 的 时钟源，设置p 3 4 为u s a r t ot x d ，p 3 5 为u s a r t or x d 。 时钟源，设置p 3 4 为u s a r t ot x d ，p 3 5 为u s a r t or x d 。 c s 8 9 0 0 a 的初始化重要是对c s 8 9 0 0 a 芯片内了的一系列的寄存器进行设置。 w r it e 8 9 0 0 ( a d dp o r t ，p ps e l f c t l ) ： w r ir e 8 9 0 0 ( d a t a p o r t ，p o w e r o n r e s e t ) ：设置s ei fs t a t u s 寄存器的p o w e r o n r e s e t 位，进行c s 8 9 0 0 a 的片内初始化。 d n w rit e 8 9 0 0 ( a d d _ p o r t ，p p s eif s t ) ： w h i l e ( ! ( r e a d 8 9 0 0 ( d a t ap o r t ) i n i t d o n e ) ) ；读取s e l fs t a t u s 寄存器直到i n i t d 标志位置位，表明对c s 8 9 0 0 a 片内初始化完成。 接着对i n d i v i d u a la d d r e s s ( p a c k e t p a g eb a s e + 0 1 5 8 h ) 写入本地m a c 地址，本文中嵌入式网络终端的本地m a c 地址设置为0 1 2 3 4 5 ；对l i n ec o n t r o l 寄存器s e r t x o n 、s e r r x o n 标志位置位，使c s 8 9 0 0 a 的r e c e i v e r 和t r a n s m i t t e r 能够接收和传送以太网数据；对r e c e i v e rc o n t r o l 寄存器的r x o k a ，i n d i v i d u a l a b r o a d c a s t a 标志位置位，使c s 8 9 0 0 a 能够接收广播地址和目标地址与本 地m a c 地址相匹配的以太网帧。最后是对系统变量和标志位的设置+ 如对t c p f 1 a g s 、t c p s t a t e m a c h i n e 等设置。 3 3 数据采集和处理模块的实现方案 本系统通过对4 路按键和4 路指示灯的数据采集和处理作为系统对开关量 的输入和输出；通过调节电器位对模拟电压的采集作为系统对模拟量的数据采 集和处理。系统设置标志量m e a s u r e v a l u e 并初始化为0 ，每次定时器a 进入中 断程序时m e a s u r e v a l u e 值加1 ，当m e a s u r e v a l u e 大于3 时程序运行函数m e a s u r e r e g is t e r v l a l u e ( ) 对开关量和模拟量进行采集，最后将标志量m e a s u r e v a l u e 清零，即大约每1 s 系统对数据量进行一次采集和处理。 m e a s u r e r e g i s t e r v l a l u e ( ) 函数具体的内容为： s wd a t a = p 2 i n & o x o f ：采集按键值。 l e d d a t a = “( p 2 0 u t 4 ) ： l e dd a t a = o x o o o f ： 采集指示灯值。 v rd a t a ：g e t a d t v a l0 ：采集模拟电压值。 m e a s u r e v a l u e = 0 ：标志清零。 3 ，4 串口通讯模块的实现方案 系统的m s p 4 3 0 单片机由端口p 3 5 u r x d o 、p 3 4 u t x d o 连接s p 3 2 2 3 e 芯片， 再由s p 3 2 2 3 e 芯片接串口实现串1 1 1 1 与系统的通讯。嵌入式网络终端接受到网络 数据后进行相应的解包。如果解包后判断数据是传送给串口的，则将m o d b u s 报 文段传给t x b u f o ，具体代码为： jr ( l e n g t h r x t c p b u f f e r m e m l e n g t h _ o f s ) t t x b e f o = r x t c p b u f f e r m e m m o d b u s d a t ao f s 十l e n g t h ；f 司串口传送m o d b u s 报文。 l e n g t h l | 十 f 3 5t c p i p 协议模块的实现方案 由于嵌入式系统的自身特点，在嵌入式系统中不可能实现全部的t c p i p 协 义，而且根据系统的实际需要，系统也没有必要完全实现t c p i p 协议，因此需 要对t c p i p 协议进行适当的裁减以满足系统的要求，所以嵌入式系统所采用的 t c p i p 协议是经过裁剪后的简化t c p i p 协议族“”。 3 5 1t c p i p 协议简介 t c p i p 协议起源于6 d 年代末美国政府资助的一个分组交换网络研究项目， 到9 0 年代已发展成为计算机之间最常应用的组网形式“”。它是一个真正的开放 系统，因为协议族的定义及其多种实现可以公开地得到。网络系统是一个庞大 而复杂的系统，将网络系统的软件按层的方式来划分，一般