（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式tcpip的通信接口硬软件设计.pdf

邀子枣 搜大学臻： ：论文 审文撼要 随蛰网络和计算机技术的发展，自动测试系统逐渐趋于网络化，以 t c p i p 为协议饯懿1 0 m 以太撼逼债成为鼓远见年来毖较滚行豁鼹终通 信技术，已经广泛髑于瓣试领域。为了搜褥各耱褥穗撩烟翁传统仪器 能融会剿现代阚络测试系统中，本论文提出了基予嵌入式t c p i p 豹以 太网和举行并行数据之间转换的方巢。 本文墨绕羹动测试系统中戆线搂翟逶傣接术，骰密了嚣令方嚣蕊磊舅 究和设计：以太辩与率行通信之间的转换和以太黼与并行通信之鳓的 转换。结合理论研究和实际应用，设计出以m c s 5 1 为嵌入式微处璎器， r t l 8 0 1 9 a s 为嘲终控斜器，以及麓典型拣壤接躁为代袭鲶r s 2 3 2 稻 e p p 终为仪器搂嗣寒实褒协议转换蕈投n c 5 卡，缆麓k e i t c 5 1 语 毒实璇镦入式“协议栈和协议接口转换，此荦搬成为熬个测试系统 提供u d p 服务器；采用d e l p h i 编霹u d p 露户端通信程序。这榉构成 令麓尊夔u d p 客户，羧务器模式( c l i e n t s e r v e rm o d e ) 系统。 本文详细主也阐述了硬件系统中部分接翻电路的设计和实现，护协 泼栈靛没计稻实现，并对该徐议筏瞧麓遴行了简据童| 夔分析，班太黼协 议分别与串行、并行之闯数攥转换的设诗秘实现，u d p 客户，驻务器模 式鹭遴傣熊设谤稻实现；鼗及溺试避程中逞舞熊藕题觳蒸菸决方法。 设计出的n c 5 l 卡可以将多台计算机和各种接鞠仪器涟接起来，构 成各耱嗣络搀羚结擒，实凌穗秘测试系统中游数据莱爨秘处理、遴程 瓣置仪嚣及控螯l 等功戆。遮谨完全瓣浃了冬瓣舔壤接霹鹣绩统仪器与 爨终纯蠡动测试系统之耀熬蓑密淫瓣题，充分逮零j 溺了仪器硬件爨深 和网络资源，大大节省了成本，具有很大的实用价值和经济意义。 关犍溺：自动番l 试，z z 护协议我，串行，并行，客户税服务器模式 一 皇王型垫盔堂堡主堡壅 a b s t r a c t f o l l o w i n g w i t h d e v e l o p m e n t o fn e t w o r ka n dc o m p u t e r ，a u t o m a t i c m e a s u r e m e n ta n dt e s t ( a t m )s y s t e mb e c o m e sn e t w o r k e dg r a d u a l l y 10 m e t h e r n e tb a s e do ni m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c k ，w h i c hi sv e r y p o p u l a ri n t h er e c e n ty e a r s ，h a sb e e nb r o a d l yu s e di na m t f i e l d i no r d e r t o f u s i n g o l di n s t r u m e n t si n t on e t w o r k e da m ts y s t e m ，t h i s p a p e r d i s c u s s e dt h es o l u t i o nt oc o n v e r s i o no fe t h e r n e td a t aa n ds e r i a lo rp a r a l l e l d a t a i n t h i s p a p e r ，a c c o r d i n g t oc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fb u sa n d i n t e r f a c ei na t m s y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n si nt h er e a lw o r l d ，t h ep a p e r d i s c u s s e do ft w oa s p e c t sa b o u tt h ec o m m u n i c a t i o n ，o n es i d eo ft h e mi s c o n v e r t i n go fe t h e r n e ta n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；t h eo t h e ri s c o n v e r s i o n o fe t h e r n e ta n dp a r a l l e lc o m m u n i c a t i o n r e l a t e dw i t hc o m m u n i c a t i o ni n a t m s y s t e m ，t h ep r o j e c td e s i g n e dn c 5 1 c a r d ，w h i c hi n c l u d e dm c s 5 1a s c p u ，r t l 8 0 19 a sa sn e t w o r ki n t e r f a c e c o n t r o l l e r ，a n d t w o p o p u l a r s t a n d a r di n t e r f a c e s ：r s 2 3 2a n de p p ，w h i c hs o f t w a r ep r o g r a m m e dw i t h k e i l c 51r e a l i z e de m b e d d e du i p p r o t o c o l s t a c ka n d c o n v e r s i o no f d i f f e r e n tp r o t o c o l sa n di n t e r f a c e s t h en c 51 p l a y e dau d p s e r v e rp a r to f t h ew h o l et e s t s y s t e m u d p c l i e n to ft h e s y s t e m i n c o m p u t e r w a s p r o g r a m m e dw i t hd e l p h i s e r v e ri nn c 5 lc a r da n dc l i e n ti n c o m p u t e r w e r es i m p l i f i e da sc sm o d e s y s t e m t h e p a p e re x p o u n d s t h e d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fs o m ei n t e r f a c e c i r c u i t sa b o u tn c 51c a r di n d e t a i l ，i n v o l v i n gu l pp r o t o c o ls t a c k d a t a t r a n s f o r m a t i o no fe t h e r n e ta n ds e r i a l o r p a r a l l e l ，u d p c sm o d e c o m m n n i c a t i o n ，a n dp r o b l e m s o n d e b u g g i n g t h e p r o j e c t a n dt h e ir s o l u t i o n s ，a n ds oo n ，a n da n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o c o ls t a c k l i n k i n gm a n yc o m p u t e r sa n dv a r i o u si n t e r f a c ei n s t r u m e n t sw i t ht h e n c 51 c a r d ，a n df o r m i n gv a r i o u sn e t w o r k t o p o l o g ys t r u c t u r e s ，t h es y s t e m s r e a l i z es u c hf u n c t i o n sa s ：d a t aa c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n g ，c o n f i g u r i n ga n d i i 电子科技大学硕论文 c o n t r o l l i n gr e m o t ei n s t r u m e n t s ，w h i c hr e s o l v et h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e n o l di n s t r u m e n t sa n dn e t w o r k e da t m s y s t e m ，u t i l i z ei n s t r u m e n t sh a r d w a r e a n dn e t w o r kr e s o u r c e s f u l l y ，r e d u c i n g c o s t 。i ti s q u i t ep r a c t i c a l a n d e c o 1 0 r y l i cb e n e f i t k e y w o r d s ：a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n d t e s t ，t l pp r o t o c o ls t a c k ，s e r i a l ， p a r a l l e l ，c l i e n t s e r v e rm o d e 。 皇王型垫奎堂堕主丝茎一一 1 1 研究目的 第一章绪论 随着网络信息技术和计算机技术的飞速发展，测试领域也发生了巨 大变化。从传统的现场总线到智能化现场总线，测试系统虽然性能上 有了很大的提高，但是复杂度也跟着提高，因此整个系统的冗余度、 可靠性就需要增加了。计算机网络技术的出现，为工程师们解决了这 些矛盾打下了坚实的基础。目前网络化仪器和网络化测试已经出现在 测控领域里，并成为测试和控制的新生宠儿“”，如基于国际标准化 组织( i s o ) 的开放系统互联参考( o s i ) 模型的控制局域网络( c a n ) 现场总线”1 ，嵌入式t c p i p 协议的网络化传感器，安捷伦研制的网络 化示波器和网络化逻辑分析仪，n i 公的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i ， h p 的v e e 软件中的网络应用控件，开发出的虚拟仪器和软件，也能 使虚拟仪器可以上网。这些诸如此类的实例为将网络通信技术运用于 测试领域打开了关键性的大门。19 9 9 年2 月，j i n i 技术问世”，使得 各种电器、测量仪器及采用j a v a 芯片的各种装置能连接上网。j i n i 软 件连同以j a v a 语言编写的简单程序，可使联网的任何仪器设备实现其 自身功能的同时，还能为其他仪器设备加以利用。这样网络技术和软 件技术的结合的确给测控领域带来了新的局面。 尽管综合测试系统的网络化是在计算机、微电子、通信和网络等技 术的基础上发展起来的，但却不是这些技术的简单合成。任何事物的 新出现，都会存在一些兼容性和过渡性等问题，这些都是值得研究和 解决的。下面针对测试系统网络化所涉及的一些问题进行分析。 ( 1 ) 网络化测试设备间的同步问题。目前的网络技术虽然已经非 常成熟，但是被广泛应用的网络技术( 以太网、国际互联网等) 基本上都 是异步的，而对于测试应用场合，因为各测试项目的数据通常都是紧 密相关的，为了保证测试结果的正确性，必须保证各个设备之间是同 步工作的，也就是说整个测试网络内的测试设备必须在统一的时钟节 拍下进行工作。因为目前还没有这样的同步技术可以被直接使用，所 叟兰型垫查望塑主堡兰 一 以这个问题应予与重点研究解决。 ( 2 ) 传统测试设备的上网改造技术。现存大麓的传统设备中，一 些具有标准接臼( - 2 要是具有g p t b 接1 2 1 的设备) 。对这些发备进行上网 改造，可以延长其使用寿命，节省大量资金。 ( 3 ) 多功能数据总线接翻控制技术。一个电子系统往往是幽多种 功能横块构成的，而且各功能模块也不一定是采用同一总线标准设计 的。为了像谖电子系统在技术上的继承性以及系统的可扩展性、兼容 性，并实现各模块的“无缝隙”连接，必须采取多功能数据总线接口控 制技术。该技术除应考虑数据吞吐速率外，更应熏点考虑于# 为野款式 电子系统总线标准的强大兼容性，应该能将各种标准接口如r s 2 3 2 、 r 8 4 2 2 、r s 4 8 5 、i s a 、e p p 、g p i b 、p x 、u s b 及叛太瓣篱都缀姆遗缡 入系统体系结构中。 本渫题黪瓣基藏楚针黯上述超题( 2 ) 稻( 3 ) 。 因此研究熬于t c p i p 的多种接口通信转换是q 常必要的，而且具 有覆大黪瑗实使霜理论 a 蘧秘经济懑义。 1 + 2 本人工作介绍 我在课题中所做的工作： 1 n c 5 1 卡的方案提出和硬件设计，及其软件框架设计： 2 + n c 5 l 卡的硬件、软件设计、调试积编译：使翅k e i l c 5 1 实现嵌 入式印协议栈和协议转换，使n c 5 1 卡成为一个u d p 服务器。 实现熬拯议包攒a r p 、i p 、i c m p 、u d p 以及垂定义的应翅屡势 议。应用m i c e t e k 公司生产的e a s y p r o b e8 0 5 2 f 仿真器和 c o m m v i e w 秘s n i f f e r 软件箍瓒送行n c 5 l 卡较 串瑗试； 3 n c 5 1 卡的计算机通倍程序设计、调试和编译：使用d e l p h i 实 现u d p 客户极程序。n c 5 1 卡与诗箨税连缓，可蔽实臻鑫动测 试系统中的数据采集和处理、远程配置仪器及控制等功能。 1 3 论文结构维织 第二章简单地介绍了嵌入式系统的特点，和应用在n c 5 1 卡上的特 点，并分析了本课题选用8 0 5 1 作为嵌入式开发方褰豹原鞭。 电子科技大学颈论文 第三章介缨了n c 5 1 卡的硬件设计，以及一些蓬要接口电路的详细 分析。 第蹰章分援了n c 5 l 卡的软件所簧要的些硬件资源。 第五章详细地讲述了n c 5 1 卡的软件设计和实现，在这部分主要设 诗到终议栈翳设计黧实现以及以太潮和事行、著行之闼豹通信数据转 换。 第六章漤述了套户辍亵缀务器遇信设诗涉及裂的辐关壤念，以及穗 应程序实现。 第七耄穷缓了调试铎境懿搭建帮定铡，以及在调试过程孛遇翻的润 题及其解决方法。 筹，牵奔缓了本系统还存在的穗燧，以及未来邋一步开发袭系统需 要注意和解决的问题。 1 4 术语及缩写词 n c 5 l ：n e t w o r kc a r db a s e do nc 5 1 ( 基于5 1 单片机的网卡) n i c ：n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r ( 网络接口控制器) 掣妒：m i c r o n ( # ) t c p i p ( 微型t c p i p 协议找) m a c ：m e d i a a c c e s sc o n t r o l ( 媒介访问控制) i p ：i n t e r n e tp r o t o c o l 瓣际徐议) u d p ：u s e r d a t a g r a mp r o t o c o l ( 用户数据报协议) i c m p ：i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ( 网际控制报文协议) r t o s ：r e a lt i m eo fs y s t e m ( 实时系统) e p p ：e n h a n c e dp a r a l l e lp o r t ( 增强烈并行端口) m f c ：m i c r o s o rf o u n d a t i o nc l a s s m s v i s u a le + 十静类瘁) v c l ：v i s u a l c o m p o n e n tl i b r a r y ( 可视化控件库) a t m ：a u t o m a t i ct e s ta n dm e a s u r e m e n t ( 裔动测试) e a ：e x t e r n a la c c e s se n a b l e ( # b 部访问使能) ，s s t 8 9 c 5 4 中的名词 s f c f ：s u p e r f t a s hc o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r ( 高速闪存配鬣寄存嚣) s s t 8 9 c 5 4 中的名词 电子科技大学硕士论文 u s b ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( n 用串行总线) 4 电子科搜大学硬= 0 论文 第二章嵌入式系统概述 2 1 一般嵌入式系统 “嵌入式系统”一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计 算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可缩扩的，适合应用 系统对功麓、可靠性、成本、体积、功耗镑综合性严擦要求蛉专怒计 算机系统；主要幽嵌入式处理器、相关支撵硬件、嵌入式操 乍系统及 应用软件系统等组成。 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可纛性毫；功藏强 大、拣耱价格晓赢；实时往强，支蓊多任务；占用空闽小，效率黼； 面向特定应用，可根据需要灵活定制。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般其餐瞪 个穗点：( ) 对实瓣移多任务窍很强静支掩麓力，辘究戒多经务并且 有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时 间减少划最低限度；( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于 寝入式系统瓣软俘绦橡已模块纯，露为了邋免在软 串穰决之趣窭现镣 误的交叉作用，需爱设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件 诊断；( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的麓性 麓懿嵌入式徽处瑾嚣；( 4 ) 嵌入式微处理器粒功耗参须援低，尤其是 用于使携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系 统更是如此，功耗只能为m w 镍至“w 级。 星藏嵌入式系统黪类型”1 霹以分为：以处理器为主，查瑟3 8 6 e x 为 代表：以微控制器为主，如8 0 5 l 系列单片机为代表；d s p 处理器，如 t m s 3 2 0 系列，以及片上系统，如m o t o r o l a 的m c o r e 。 2 。2 n c 5 卡主的嵌入式系统 嵌入式单片机的软件一般应该分为系统软件和应用软件。系统软件 处于底艨硬俘和离艨应鼹软l 譬之勰。瞧是蒸予单片瓿懿n c 5 1 专，獒 电子科技大学硕士论文 控制器的内部r a m 资源才2 5 6 字节，数据总线为8 位，而且在速度上 远低予3 8 6 e x ，d s p 等嵌入式控制器。因此必须使磊菲常紧凑髂代褥， 来实现底层软件，使其能够完成系统的开机初始化、各个硬件的驱动 即可。至于操作系统，根据系统的需求，不便嗣任何操作系统，因此 内核中的t c p i p 协议栈的工l 乍是不依赖于任何操作系统。这榉可以提 高开发出来的产品在市场上的占育率。 在开发单片机嵌入式系统时，我们采用的是仿真器技术，尽管此开 发方式没有綦于操作系统环境的开发方式效率高，但是它是从最低层 的软硬件调试开始，可以控剁到每条指令的执行，很容易发现故障， 适合可插拔单片机芯片的场台。丽基于操作系统开发技术是针对系统 没有硬传故障，并且已经有了或熟豹疫屡款 孛可以零i 鼹，只是辫要在 系统提供的基本功能上来实现应用目标的功能需求。 在这里为赞么要选蠲8 彼的蕈片规，薅不蘑3 2 垃粒3 8 6 e x ，d s p 处理器作为开发核心? 其实，在避以前，教研整已经研制出了基于 3 8 6 e x _ 秘u s b 豹嬲终遵售系统，羹藏正交j | 蓥斌羁学把萁缝建成一令基 于实际应用的自动测试系统。但是3 8 6 e x 芯片比较贵，而且零售货很 难找到。签予这样懿漕况，我嚣方後蔫摹片税来实现嵌入式t c p i p 懿 网络通信。因为单片机一是价格低廉，购买比较方面，而且开发起来 褶对3 8 6 e x 皋说容荔些；二楚西蓠随着角户的功能需求，革片梳静内 部r o m 逐渐增大，可达几十k 字节。但是肖一个缺点就魁内部的r a m 资源眈较缺乏，需遴行黔部扩展，值还是院较容易实现。 要实现嵌入式t c p i p 的网络通信还有其它几种方案，在这熙就不 赘述，可参觅车文华的硕士论文哺。 2 3 阚络的鬟求 嵌入式系绞是开发阙络优测试系统在软 牟系绞方瑟豹关键技术。网 络化测试仪器是网络时代的产物，那么对于用来开发网络化测试仪器 趣嵌入式系统张滋，嵌入一个题络携议筏必然会终为开发嵌入式系统 中必要考虑的问题。 在囊行研铡鲍系绞软件核；0 赛蘸上实瑷嬲终渗议筏，遴过羁终绥议 栈提供对嵌入式系统上网络应用程序的接口。需缮能够处理标准的协 电予科技大学硕士涂文 议，如t c p 1 p 协议以及相应的应用系列，这些在网络协议栈里面都需 要实现。 2 4 用户交互环境界面 开发嵌入式系统应用于蹰终化测试仪器系统上，不褥不考虑的问题 是鲡褥鞭褥在市场竞争实髂中豹一熹之趣。提高市场嶷争力不仅仅需 要提供稳定、高效的嵌入式系统，更需要提供易学易闱的用户交互界 面接口。因为网络化仪器市场的一大部分怒利用它替代p c 上网的用 户，悠们可驻缺乏必要的计算壤翘识，氇没骞必要藐赞太多兹辩凌学 习使用。如果能够提供一个有限资源需求，并且可以绘用户提供友好 交互界面的图形界丽，市场竞争力必然会升高。 因此，这也作为研究嵌入式系统的一个蘑要论题。 2 5 ，j 、结 本警主要介绍了嵌入式系绕救主要特点，分柝7 本论文研究黪瀑题 为骨么逸择8 0 5 l 系捌豹单片枫，来实瑗嵌入式两络开发的控制器，以 及在网络和界面等方面的要求。 电子科技大学硕士论文 第三章n c 5 1 卡的硬件设计 31 n c 5 1 卡的硬件结构 n c 5 1 卡的硬件逻辑电路图如图3 一l 所示。 ep p 口 由 口 图3 ，1n c 5 1 卡的逻辑电路图 陔逻辑图中主要的有控制电路、网卡接口、e p p 接口、r s 2 3 2 串行 电平转换接口、复位电路等组成。接下来的章节将围绕此逻辑电路图 进行详细介绍。 3 2 硬件资源 3 2 1 单片机 一般的5 1 单片机内部r o m 只有几k 字节， 即使t c p i p 协议栈 使用最精简的几个协议，程序的代码也会超过单片机内部r o m 的容 量，这样需l g f i b 加r o m 及相应的硬件电路来实现，整个硬件电路的负 责度就增加了r 因此在我们所做的n c 5 1 系统中，采用s s t 8 9 c 5 4 来完成c p u 的功能。 s s t 8 9 c 5 4 片内r o m 有2 0 k 字节，分成了1 6 k 字节和4 k 字节两 部分，而且不是连续的，如图3 - 2 所示。至于对哪个程序存储块进行 电子科技大学硕士论文 操作，可以根据操作符e a 和s f c f 寄存器的第七位标志，进行选择。 在编程时，必须注意到这一点，否则会引起严重的后果。其内部r a m 只有2 5 6 字节，用来存放程序运行时临时的变量。另外需要进行外部 r a m 扩展3 2 k 字节，用以存放一下外部变量、数组、数据结构及指针 变量。 图3 2s s t 8 9 c 5 4 程序存储器组织结构 8 9 c 5 4 自身带有w a t c h d o g 复位电路，再用m a x 7 0 8 作为上电复位 电路，这样可以使n c 5 1 单板能够可靠地启动。 时钟采用的是外部晶振，时钟频率是1 2 m h z 。 32 2 网卡 目前网络控制器芯片有很多种，但是不能盲目选择，必须根据目标 系统的微处理器c p u 的性能和总线兼容性来选择，鉴于这两点，n c 5 l 系统选择台湾r e a l t e k 公司生产的r t l 8 0 1 9 a s ，因为r t l s 0 1 9 a s 支持8 位或者1 6 位传输，支持中断和查询方式，还兼容i s a 总线和 p c i 总线，而且能够满足嵌入式系统的需求。如果即使以后停产，也 电子科技大学颈j ：论文 可以采用其它的产品来代替。 丽卡采用娓也是外部时钟，频率是2 0 m h z 。 32 。3 串叠 串行口是计算机与外设进行数据交换的重要介质，在工程通信中有 着很广泛的应用。传输介质采用二芯屏蔽电缆。r s 2 3 2 信号的电平和 单片枫串口信号的电乎不一样，必须进行二者之间的电平转换。转换 电路在此略，具体可以参考文献。图3 3 所示，画出了r s 2 3 2 常 用到黪引脚接线。t x d 是发送数掇端，r x d 是接收数援溃。 一 r 专p# o 一 # j 亡磊7 豳3 - 3r s 2 3 2 连线图 与擎片枫的连接方式如图3 4 所示。 p 2 c o n n e c t o rd b 9 d c o n 9 f 图3 4 审口与单片概的连接 图3 4 中，是串口通过a d m 2 0 2 避彳亍电乎电路转换后才能强摹片规 连接a a d m 2 0 2 集成了正转换和反转换两种电路，减少了电路中的芯片 数量。 电子科技大学硕士论文 324 并口 在n c 5 1 系统中，并行接口集成的是e p p 。，接口，因为e p p 比 较常用+ 3 7 3 83 9 3 ，而且很多仪器都是采用e p p 接口，并且价格低廉， 传输速率高，使用e p p 协议，系统可以获得5 0 0 k 2 m b s 的传输速率。 e p p 协议是一种与标准并行口兼容且能完成双向数据传输的协议。该 协议定义的并行口更像一个开放的总线，给用户提供了强大的功能和 灵活的设计手段。e p p 数据传输协议允许外设可以以适合它处理或者 存储数据能力的速率接收数据，这就保证了数据完整性和防止数据丢 失。这种“速率匹配”对主机和外设都是透明的，所有的并行口传输 方法都利用了联锁的握手信号，这可以允许外设控制其本身操作所需 的建立时间。e p p 的电气特性如图3 5 所示。a d oa d 7 ：数据地址 复用线，接到单片机上的数据地址线上。 w a i t ：等待信号 a d d r s t b ：地址选通信号线 d a t a s t b ：数据选通信号线 i n t r ：中断信号线 w r ：读写信号线 e p p 的地址和数据选通信号线，可以通过逻辑电路实现，如图3 6 所示。 魄予释按大学硕士论文 l e 。 。 。 0 一 一。 。 。 一一 a d 57 1 9 a 0 46 8 a d 35 ，a 0 0 r $ t b1 7 a d 24 r e 8 t惦 o ： 3 器善 一- 日 - o 二殛翔霞 二互 - - - - o 幛 c 。o c 。n n n 2 e 5 c f t o r d b 2 s 鹜3 - 5e p p 奄气特蝰露 用单片机的两个i o 口线和其读写信号线经过逻辑与戡，就可以得 裂e p p 静缝蛙和数据选透番号。 3 3 小结 艮3 - 6e p p 选通信号产生 本章介绍了n c 5 1 卡设计的硬件电路逻辑图，及其所用划的硬件瓷 滚帮转换魄臻。n c 5 l 硬搏是整个系统赡基石。 电子科技大学硕士论文 4 设计需求 箔四簟n c 5 1 卡的软件需求分析 图4 - 1 n c 5 t 卡功能图 摄挺矮 譬龟鼹懿零寒，要安瑷弱功链掘黼4 一l 辨示。 版本焱询：焱询系统的版本号。 远程配置仪器：通过软件配置更改连接别局域网上的仪器( 具有 r s 2 3 2 、e p p 接阳) 的配置，可以减少手工设置。 e p p 通信：选择当前的通信方式魑并行方式。 r s 2 3 2 遗售：选择当蔫救遴傣方式是串行方式。 数据采集：采集当前所选中的远程仪器测试出的数据或者波形。 显示：给出鞠户一个可视优的界西，以便子用户操作。 控制绿灯状态：通过局域网来改变绿灯的状态。 开发出的本系统可以运行在任何w i n d o w 操作系统，至于l i n u x 系 统还没育实践过，这可作为来求系统性熊测试的一令方嚣。 由于衬次开发基于单片机实现以太网通信技术，所遇到的困雅较 多，两且二e 作量大，因此很多其它接口( 如g p i b 、p x i 、r s 4 8 5 等) 的仪器还不能用在本课题开发的目标板上，以后若增加了这些接口， 就嚣要对襁应的功能进行修改秘璞添。困姥采月模块讫恩掇，对未来 一 皇王型垫盔鲎塑主笙鎏；一 的功髓扩麓靛比较容翁。 4 2 软件资源 4 2 1 单片枕上的资滁 4 2 1 1n c 5 1 片选信号以及各段空间的实现 a m c s l5 ( p 2 n 7 ) 作为丽卡的片选信号，地址段为：c 0 0 0 h d f 0 0 h s r a m 的地址段；0 0 0 0 h 7 f f f h m c u 的引嬲鬟洼始袭2 1 辑示。 装4 1 m c u 的i o 引脚用法 引脚功能方初始铸注 囱 纯篷 p l a 0运行指示灯o0霹0 亮，写l 灭 p l n 5m c u 工作灯oo霹0 亮，写l 灭 p l 2 谣试灯 00霹0 亮，写l 灭 p 1 “1e p p 的数据选通0o p l 2e p p 的地址选邋o0 p l a 3接a d m 2 0 2 的d s ro0 p 1 “4接a d m 2 0 2 的d t rin a p 3 n 6为翅专积e p p 豹读售纛葵经过逻辑瞧鼹才麓 号作为e p p 的控制信号 p 3 a 7为网卡和e p p 的写信 需要经过逻辑电路才能 号傍为e p p 豹羧铡惹号 4 2 、1 、2 中断 ( 1 ) 定时爨彳l 乍为蕈片撬正黉工作辩指示灯( 黄灯) 闵烁豹定时中 蹶。 ( 2 ) 串行口接发数据时使用的中断。 ( 3 ) 劳行接发数据时产生粒中颧，雩蓼为乡 郝i n t o 敬簸入镄号。 电子科技大学硕士论文 m c u 的外部1 2 m h z 晶振作为c p u 工俸和率嗣通信的时钟信号。 4 22 以太网芯片r t l 8 0 19 a s 缡程资源 地址分配：姆页共3 2 个，地址偏移量为o o h 一1 f h 。其中o o h 0 f h 共1 6 个地垃，为寄存器地址。寄存器地址褥分为4 个页面，故共有 6 4 个功能寄存器，其中前2 个页面的寄存器是非常霪要，它们是网卡 工作的个重要方面。l o h 1 7 h 共8 个地址，为d m a 地址；18 h 一1 f h 共8 个地趣，为复位端口。本系统采用8 位的操作方式，上嚣黪地址 中只有18 个是有用的：0 0 h o f h 共1 6 个寄存器地址；1o h 为d m a 地缝( 1 0 h 1 7 h 这8 个地址郡是d m a 端暖，只要瘸其中戆一个就可 以了) ；1 f h 复位端口( 18 h l f h 共8 个地址都是复位地址，每个地 址瓣功黢都是一撵载，只要其中兹一个裁可以了) 。鎏4 - 2 是蹋卡毒 存器的地址映射。片上内存：r t l 8 0 1 9 a s 芯片含有1 6 k 字节的r a m ， 邋蜒为0 x 4 0 0 0 0 x 7 f f f 。每2 5 6 令字节豫为一夏，共有6 4 廷。页的缝 i op o r tm o d e r e g i s l e r1 1 0m a p b a s e + 0 0 h b a s e + o f h b a s e + 10 h b a s e 十17 h b a s e 1 18 h 錾0 寄a s c o r e r e g i s t e r s ( 8b i t m o d e ) r e n l o c e 轻瓣a 鹣t t r e s e tp o 娃 l t op o r t 赫o d e m e m o r ym a p 8b i t m o d e ff d n s m rb l d i e r , ：4 0 0 9 h 珥0 0 纠 r e c e i v b u f f e r = 4 c 0 0 h6 t o o h 鳖4 - 2 弼卡骞存器示意强 鬻4 - 3 弼卡内部r a m 分配示意溺址就怒地 址的高8 位，页地址为o x 4 0 0 x 7 f 。这1 6 k r a m 的一部分用来存放接 收的数据鬣，部分孺采存储待发送的数据包，需要事先设定分割她 电子辩技大学硕士论文 缝。由予是采躐8 位d m a 传徐，建议n c 5 i 卡熬较传接爱0 x 4 c 一0 x 6 0 页作为网卡的接收缓冲区范嗣，发送缓冲区的起始页地址为0 x 4 0 。图 4 - 3 所示楚弼卡豹蘧垃分配示意圈。 图4 2 中的b a s e 是网卡相对单片机的然地址，在本系统中，b a s e 德为0 x c 0 0 0 h 。 4 ，2 3 攒示灯 ( 一) m c u 的指示灯 p o w e r ： 爨，亮表示有逛源； r u n ( p 1 “0 ) ：黄，运行灯，慢闪表示正常； s t a t u s ( p i “5 ) ： 绿，控铡状态显示。 ( 二) 网卡的指示灯 r e c e i v e ：亮表示以太网收到包： s e n d ： 竞袭示以太阙在发包； c o l l i s i o n ：亮表示肖冲突。 4 。3 夺终 本章节奔缁了n c 5 i 卡麓软件总体框架莘日功能，以及软件涉及到的 硬件资源。在第五章将腰围绕n c 5 l 卡的软件功能疑进一步详细分板。 6 电子科技大学预士论文 第五章n c 5 1 卡的软件设计和实现 5 ， 采耀t c p i p 按波的爨霜 t c p i p 豫”3 楚一个协议集，分为凿藩，分剩是瘦瘸、传输、 网络和物理层。它规定了网络上的所有通信设备，尤其是一个主机和 另钤一个主季昱之溺懿数据 主来格式以及传送方式。舔量t c p i p 协议是 i n t e r n e t 的基础协议，也是一种计算机数据打包和寻址的标准方法。在 数撼传送中，一般可以无差错魏黄输数握。淹 卡么t c p i p 凌议露扰蔹 莺视，在于它运行独立的网格加入到i n t e r n e t 或者组织在一起形成私有 数痰部鄹( i n t r a n e t ) 。在令傻鼷t c p i p 的痰裁羁中，信惑逶过使用 种独立的叫做i p 包或者i p 数据报的数据雄元进行传输。t c p i p 软 件使褥每台连到网络上懿计算枧围其它计算襁“看”起来一模一样， 事实上隐藏了路由器和蒸本的网络体系结构并使其备方面猎起来都像 一个大网。它可以使褥在不同物理网滟两台诗算极之闻进行售息交换。 t c p i p 的工作机制可阻这样描述：当一个数据单元从网络应用程序下 流到网络接口层，它通i 建了一系列t c p t p 模块。这其中的每一步，数 据单元都会同网络另一端对等t c p i p 模块所需的信息一起打包。这样 当数据最终传到网卡时，它成为了一个标志的以太网帧( 这里采用的 是以太网网络) 。而接收端的t c p i p 软件通过剥去以太网帧并将数据 上向传输过t c p i p 协议栈来为处于接收状态的应用程序爨新恢复原 始数据。 t c p i p 的重视原因可以总缝为以下三点： ( 1 ) t c p i p 是一族用米把不间的物理地址网络联在一起，构成网际 嘲的协议。露l 且用柬确认各静独立的不是物理网络地壹，悉是l p 选缝。 ( 2 ) t c p i p 使用多层体系结构，该结构清晰定义了每个协议的责任。 ( 3 ) 在i n t e r n e t 烹辊上，两个运行着辩应爝程序之阉传送黉通过主祝 的t c p i p 协议栈上下移动。在发送端t c p i p 模块加在数据上的信息 凌在接恢溪对应豹t c p t p 模块上滤簿，并最终恢复原始数据。 7 电子科技大学硕士论文 52 “口协议栈层次以及各层协议工作机制 521 “口协议栈层次 在本系统中，将经过裁剪后的t c p i p 协议栈简称为伊协议栈。 其中包括：应用层、传输层、网络层和物理层( 即网络接口层) ，层次 关系如图5 1 所示。“伊协议首先要解决硬件问题，即协议的物理层， 具体到程序实现就是网卡驱动程序，解决以太网数据包的收发。这是 最基本的也是最重要的，其实现的好坏直接影响协议的性能。由于以 太网数据包的收发必须依赖物理地址，而i p 协议采用i p 地址，这就 关系到两种地址相互转换的问题，即需要实现地址解析协议a r p ，a r p 实现并复杂，只要向局域网广播a r p 请求，接收a r p 应答，并相应 a r p 请求即可。为了提高a r p 协议的效率，减少网络中广播包的数量， 对协议做些优化。要求协议建立a r p 表对地址进行缓存及a r p 表的 动态更新，即地址老化。由于我们在这里开发的协议栈只是用于数据 采集，采用的是固定i p 地址，对a r p 协议的设计比较简单，不涉及 到a r p 表建立等相关操作。i p 协议实现也比较简单，关键是实现一个 效率高且通用的i p 校验程序。实现了i p 通信协议和通用校验程序， 就不难写i c m p 、u d p 等程序。i c m p 有很多种数据包格式，最常用的 回应请求与应答报文，即是实现用p i n g 命令来测试信宿机的可达性。 测试数据包的往返时间是p i n g 的难点，可以省去。怎样测试数据包的 往返时间：即在数据包中加入当前时间，返回后与现在时间相减即得 报文往返时间，给出本机与信宿机连接速度的评估。 u d p 是一个非面向连接的不可靠的数据传输协议，比t c p 效率高， 系统开销小，适合数据采集合图像传输、短小的网络数据等可靠性不 高、但响应速度要求高的场合。u d p 和t c p 并不严格遵守分层模型， 要加上一个取自i p 层的伪首部一起校验，此点必须注意。完成u d p 后，就可以实现一些基于u d p 协议的应用层协议了。 ，f 俨协议栈的结构层次如图5 1 所示。 每一层负责的功能： 链路层( 物理层) ：有时被称为数据链路层或者网络接口层，通 常包含操作系统中的设备驱动程序和通信设备中对应的网络接 口卡，她们一起处理与电缆( 或者其它传输介质) 的物理接口 电子科技大学硕士论文 缁节。该层涉及的 办议有a r p ( 绝圭丘解辑 办议) 和r a r p 涛议 网卡的驱动程序。在课题中，用到的是a r p 协议。 应用层 传输层 删络层 链臻屡 各种应用层协议 u d p 王c 醚p王p a r pe t h e r n e t 图5 - 1 “胪协议栈的结构层次 网络层：有时也被称为甄联网层，复杂分组在网络中的活动， 包撼i p 协议、i c m p 协议。 传输层：该层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的数据 通傣，它分为嚣个协议：t c p 协议和u d p 耱议。t c p 协议撬供 端到端的质量保证的数据传输，该层负责数据的分组、质缴控 制莘鞋趣孵蘸发等，对应瘸层寒淡，藏可鞋忽燎这些王痒。u d p 协议只是提供简单的把数据报从一端发送到另一端，至于数据 是秀到达或者按聪到达、数据是否损棼都必须囊应用层来完成。 应用层：该层负责处理实际的应用程序细节。这里的应用朦协 议蹩采爱爨缩熬。 5 。2 2 每屡协议的工作机制 5 2 ，2 1 以太网协议 以太网协议肖两种，一种髭z l e e e s 0 2 3 ，还有一种是e t h e r n e ti i 的封 装穆式。现代熬搽终系统均能曩对支持这嚣耱类型戆渗汶格式，因瑟对 我们来说只需要了解其中的一种就够了。在本课题中，我们采用的是 e t h e r n e tl l 蛉鸷装榛式，如图5 - 2 褒示。 图5 - 2e t h e r n e t 帧格式 e t h e r n e ti i 数结包酌最小长度为6 4 字节，故当i p 包长小于4 6 字 电子科技大学硕士论文 节时，需要用零字符填充，最大为15 1 4 字节。以太网的冲突退避算法 是由磷件自动藏幸亍的，在我们的软件设汁中可不用考虑。 类型表示上层协议类型，在本项居中只要处理这两耪类型的以太 网帧： 协议类型= o x 0 8 0 0 ：i p 包； 协议类戳= 0 x 0 8 0 6 ：a r p 包。 5 。2 。2 + 2 a r p 浆议 a r p 按议用于实现i p 地址到鄹络接翻硬 孛撼毯豹映射。索见豹以 太网网络接e l 硬件地址长度为4 8 b i t ，细节问题可以参见r c f 8 2 6 t 1 6 ，。 a r p 请求秘应答分缝兹褥式魏黧5 - 3 黢示： 厂淼 fh 协僦篡度 孝窝罐甏 戳盍銎源f 帧类型目的地址l地址i 失坐 。瞄茬件f 勰9 心引商铲 -兰望蛙羔兰塑萤坠查堕!熙兰壁= 圈5 - 3 a r p 请求，应答格式 以太网报头中的赫两个字段是以太网豹源地蛙和囊熬建韭。目的 地址为全1 的特殊士也址是广播地址。电缆上的所有以太网接口都要接 收广播的数据帧。 两个字节长的以太网帧类型表示后面数据的炎型。对于a r p 请求 线应答来说，缓字段抟蓬为0 x 0 8 0 6 。 对于一个a r p 请求来说，除目的端硬件地址以外的