（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式系统的现场总线与以太网的通信实现.pdf

摘要 控制器局域网络( c a n ) 是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络， 具有高性能和高可靠性的特点，现已形成国际标准。但c a n 总线也具有其局限性，那就 是难以接入因特网。如果能够把现场总线与以太网连接，那么这些问题都将得以解决， 同时，由于以太网能够方便地接入因特网，控制信息也将可以方便快速地传送到世界上 任何一个地方。 本文结合陕西省教育厅项目“并条机自调匀整控制系统”，此系统采用c a n 的应用 层协议c a n o p e n 实现现场总线设备的组态和数据传输的功能，大大提高了c a n 总线的通 信和控制能力。本人通过查看大量国内外相关领域技术资料，在对c a n 总线技术、 c a n o p e n 协议及以太网通讯协议进行深入分析的基础上，并对c a n 总线与以太网的接口 技术进行研究，从而提出了嵌入式系统的整体设计目标，以p h i l i p s 公司的 a r m 7 一l p c 2 2 9 2 为核心处理器，以a d s l 2 为软件开发工具，选用心o s - i i 为嵌入式实时 操作系统，t c p i p 协议栈为第三方提供，实现了c a n o p e n 协议与以太网协议之间的相 互转换，使c a n 总线能够方便地接入以太网。 本文介绍了c a n 总线和c a n o p e n 协议的主要内容及通信原理，以及t c p i p 协议栈 各层协议的数据封装，并描述了网关的模型和软硬件的总体结构。然后详细论述了嵌入 式网关的设计及调试过程。在硬件方面，根据系统的功能需求完成了电路设计，包括用 p r o t e l d i p 画原理圉和p c 8 制板，以及焊接电子元件的整个过程。在软件方面，首先在 a r m 上移植p c o s - i i 操作系统，并测试内核能够正常运行：编写相关硬件的底层驱动程 序( c 州控制器、以太网控制器、l c d 液晶驱动) ；并在操作系统的基础上实现c h n o p e n 协议栈，移植经过裁剪的精简t c p i p 协议栈；以及编写基于操作系统的应用程序等。 在系统测试中，网关上电后能够正常工作，其中l c d 能正常显示用户界面，各外围通信 接口能够正常通信，并可以从以太网嗅探软件抓取的数据包中查看数据的通讯过程，结 果证明此系统基本完成了预期的设计目标，实现了系统的功能，操作人员不仅能从工业 车间现场通过l c d 查看设备的运行状态，而且从远程以太网浏览器上也能查看到网页， 为现场设备层控制系统与企业信息管理系统的集成创造了条件。 关键词：c a n 总线、c a n o p e n 协议、t c p i p 协议棱、矗蹦微处理器、扯c o s i i 嵌入式实 时操作系统 t h ei m p l e m e n to fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nf i e l d b u sa n d e t h e m e tb a s e do ne m b e d d e d s y s t e m a b s t r a c t c a nb u si sas o r to f s e r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hc a n e f f e c t i v e l ys u p p o r tt h e d i s t r i b u t e dc o n t r o la n dt h er e a l - t i m ec o n t r 0 1 i tf e a t u r e so f l l i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g l l r e l i a b i l i t y a n da ni n t e m a t i o n a ls t a n d a r df o rc a nb u sh a sb e e nu s e d b u tc a nb u sh a si t s l i m i t a t i o na sw e l l t h a ti ti sv e r yd i f f i c u l tt oc o n n e c tw i t hi n t e r n e t i f c a nb u sc a nc o n n e c t w i t l le t h e m e t , a l lo f t h ep r o b l e m sw i l lb es o l v e d a tt h es a m et i m e 。e t h e m e tc a nc o n n e c tw i t l l i n t e r a c te a s i l y ，血e r e f o r ei n f o r m a t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e mc a na l s ob et r a n s m i t t e dt o a n y w h e r ei nt h ew o r l d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w el i n k e de d u c a t i o nd e p a r t m e n tp r o j e c to f t h es h a a n x ip r o v i n c e d r a w f r a m ea u t o l e v e l i n gc o n t r o ls y s t e m ，i nw h i c hh i g h e rl a y e rp r o t o c o l - c a n o p e nw a s a d o p t e dt or e a l i z ec o n f i g u r a t i o na n d d a t a t r a n s m i s s i o no f s c e n ee q u i p m e n t s ，g r e a t l yi m p r o v e d t h ec o m m u n i c a t i n ga n dc o n t r o l l i n gc a p a b i l i t yo f c a nb u s il o o k e do v e tm a n yi n t e r n a la n d o v e r s e a st e c h n i q u ed a t u mi nc o r r e l a t i v ed o m a i n i nt h ef o u n d a t i o no f t h o r o u g ha n a l y s i st o c a nb u st e c h n o l o g y 、c a n o p e np r o t o c o la n de t h e m a ir e s e a r c h e dt ot h ei n t e r f a c eo f e t h e m e ta n dc a n b u s f i n a l l yp u tf o r w a r dd e s i g n i n gt a r g e tf o re m b e d d e ds y s t e m a r m 7 一 l p c 2 2 9 2o f p h i l i p sc o m p a n yw a su s e da st h ek e yp r o c e s s o r , a d s l 2a st h es o f t w a r e d e v e l o p i n gb e n c h , p c o s l la se m b e d d e d r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，t c p h ps t a c kw a s o f f e r e db yt h et h i r dp a r t y t h e nag a t e w a yw a sd e v e l o p e dw h i c hc o u l dr e a l i z et h e i n t e r c o n v c r s i o nb e t w e e nc a n o p e np r o t o c o la n de t h e m e tp r o t o c o l ，a l s om a d ec a nb u s c o n v e n i e n t l yc o n n e c t e dw i t he t h c m c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e dt h em a i nc o n t e n ta n dc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l eo f c a nb u s a n dc a n o p e n p r o t o c o l ，a l s oa n dd a t af o r m a to f e v e r yl a y e rp r o t o c o lo f t h et c p i pp r o t o c o l s t a c lt h e nd e s c r i b e dt h em o d e lo f g a t e w a ya n dt h ee n t i r es t r u c t u r eo f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， a n dt h e nd e t a i l e d l yd i s c u s s e dd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gc o a r s eo f e m b e d d e dg a t e w a y i n h a r d w a r ea s p e c t , ic o m p l e t e dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nb a s e do ns y s t e m i cf u n c t i o n a l d e m a n d , i n c l u d i n gp r o t e l d x pd r a w i n g a n dp c b d r a w i n gb o a r d , a l s ow e l d e de l e m e n t i n s o f t w a r ea s p e c t ，if i r s t l yt r a n s p l a n t e di t c o s - o p e r a t i n gs y s t e mi n t oa r m ，t h e nk e m e lw a s t e s t e dn o r m a l l y f u r t h e r m o r eic o m p i l e dt h ed r i v e ro f c o r r e l a t i v eh a r d w a r e ( c a n 、e t h e r n e t 、 l c d l ，r e a l i z e dc a n o p e np r o t o c o ls t a c ka n dt r a n s p l a n t e dr e d u c e da n dt i d yt c p i ps t a c ko n 2 t h ef o u n d a t i o no f o p e r a t i n gs y s t e m , a l s oa n dc o m p i l e da p p l i c a t i o np r o c e d u r ee t c i ns y s t e m t e s t i n g , g a t e w a yc a nn o r m a l l yr u n , t h e m i n t oe v e r yp e r i p h e r a li n t e r f a c ec a nc o m m u n i c a t ew i t h o t h e r s ，l c dc a l ld i s p l a yu s e fi n t e r f a c e ，a n dw ec a ns e ed a t ac o m m u n i c a t ep r o c e s sf r o md a t a p a c k a g e sc a p t u r e db ys n i f f e rs 0 1 a r eo fe t h e m e t t h er e s u l tp r o v e s t h a tg a t e w a yb a s i c a l l y c o m p l e t e dp r o s p e c t i v et a r g e t t h eo p e r a t o r sn o to n l yc a ns e et h er u n n i n g s t a t u so f e q u i p m e n t s f r o mt h el c dm o d u l e ，b u ta l s oc a ns e et h ew e b p a g ef r o mr e m o t ee t h e m e t i tc r e a t e st h e c o n d i t i o nf o rt h ei n t e g r a t i o no f s c e n ee q u i p m e n tl e v e la n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi n t h ee ：a t e r p r i s e g a os h a n - s h a n ( d e t e c t i n gt e c h n o l o g y & a u t o m a t i z a t i o ne q 证p m e n t s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rs o n gx i a o m e i k e yw o r d s ：c a nb u s 、c a n o p e np r o t o c o l 、t c p i ps t a c k 、a r mm i c r o p r o c e s s o r 、c o s i i e m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包括本人已申请 学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所作的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名；驯竹 日 期：讲垌j j 国 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学 位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院有权保留送交 的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：未动卅忉r 指导老师签名： 咚- t 仓 日 期：j 7 ， 第一章绪论 1 1 课题相关领域的技术背景 1 1 1c a n 总线技术 1 绪论 现场总线技术【1 】是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多 节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。其中 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 被称为控制器局域网，屑于总线式通讯网络。它是 2 0 世纪8 0 年代初德国b o s c h 公司提出为解决汽车内部众多控制与测量设备之问的数 据交换而开发的一种串行数据通信总线，是一种有效支持分布式控制系统或实时控制 的串行通信网络。后来由于其成本低、可靠性高、抗干扰能力和实时性强等特点使其 应用范围逐渐扩大。c a n 总线的技术规范包括c a n 2 o a 和c a n 2 o b 两部分，c a n 协议 2 p 1 只有物理层和数据链路层两个底层协议，规定了对数据通讯的成帧处理，包括位 填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作标准。 ( 1 ) 由于c a n 总线采用了许多新技术及独特设计，c a n 总线的数据通信具有突出的可 靠性、实时性和灵活性。其具体特性【4 】如下： c a n 采用多主方式工作，网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它 节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活； e a n 信息采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，这样传输时间短，受干扰概 率低； c a n 采用按位进行的非破坏性总线仲裁技术( c s m a c a ) ，当多个节点同时向总线发送 信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继 续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) ； 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时性要求，i d 号小的报文最先得到发送； c a n 的直接通信距离最远可达1 0 l u n ( 通信速率低于5 k b s ) ，通信速率最高可达 1 m b p s ( 距离最长为4 0 m ) ； c a n 通信基于报文，无需为每个节点设定一个独立唯一的地址。它采用标识符来表 明报文的内容，c a n 节点接收到个报文时，通过基于标识符的滤波机制来决定处理 或抛弃该报文，可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送和接收数据， 无需专门的“调度”。 ( 2 ) c a n 总线存在的不足有： 第一章绪论 c a n 总线中没有路由器，网关等网络连接设备，网络规模有限，大型组网能力和网 络处理能力差： 较适合于小型系统，当用于节点数较多的大型系统时，性能将会下降； 由于c a n 总线是针对相对较少信息的发送而设计优化的一种串行通讯协议，传输大 数据量的能力较差。 c a n 优良的特性、极高的可靠性和独特的设计特别适合工业过程监控设备的互 连，并受到了业界的高度重视。c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途 的现场总线之一。 1 1 2c a n o p e n 高层协议 c a n o p e n 5 】嘲是由从事工业控制的c 认( c a ni na u t o m a t i o n ) 会员开发的基于c a n 总线的应用层协议。在o s i 模型中，c a n 标准、c a n o p e n 协议之间的关系如图卜1 所 示。至2 0 0 0 年，c a n o p e n 协议已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。c a n o p e n 协议 就是将c a n 网络中通讯数据的组建和传输进行标准化，并给用户很大的自由度，允许 用户随时添加自己所需要的薪功能。 眺v i c ep r o f i l ed e v i c ep r o f i l et b e r i e ep 丽n 茸 曙乞嚣荆；：a 舢彳“誓”1 “ i ”l t c a t o nc o - u n i t i p r o f i l e ， i 1 一 c i a 一1 _ ii - - l i i j l i l l i i 鬯h t l j “k i ”o yc 焘n 2 o a + b 1 a t e r i - - l - f - 掣舒i - y e r 。l 智i s 0 1 1 8 9 8 】l = 图卜1c a n 、c a n o p e n 标准在o s i 网络模型中的位置框图 ( 1 ) c a n o p e n 协议i f i s 主要包括以下内容： 以对象字典为核心概念，用来定义设备和通讯的相关参数，以及与各类操作之间的 接口，其它操作均需对对象字典进行； 针对数据流量需要和实时性要求的不同，定义了用于过程数据通讯( p d o ) 和服务型 数据通讯( s d o ) 两种主要的通讯模式； 定义了网络管理( n m t ) 、层参数设置( l 岍) 和特殊标识符分配( d b t ) 等网络管理服务 和节点保护( n o d eg u a r d i n g ) 、时间标记同步信息( s y n c ) 、紧急对象( e m e r g e n c y ) 等。 ( 2 ) c a n o p e n 协议具有以下特点： 2 第一章绪论 既支持管理控制层的数据传输，同时也兼容同一物理层比较小的传感器和执行器， 这就避免了传感器、执行器与高层通讯之间网关的不必要花费； 既支持对设备参数的直接读取，也支持实时过程的数据通讯； 既支持周期性通讯也支持事件触发通讯，可以最大可能地减小总线上的负载，同时 保证最小的响应时间，使网络在波特率较低的情况下也可以获得比较好的通讯特性， 特别适合于实时性的工业自动化； 在c a n 总线系统所有硬件设备不变的情况下，能够开发出c a n 所有的潜在功能，而 对物理层的硬件连接无特殊要求。 ( 3 ) c a n o p e n 国内外研究动态【9 l 【1 0 】 c a n o p e n 应用层协议在国外已有很多方面的应用，受到了足够的重视。在欧洲， c a n o p e n 协议已被广泛的应用于医疗装置中，并进一步扩展应用到保安控制系统中； 在美国，c a n o p e n 协议已经成为装载机械和公共运输设备的协议标准，同时也应用于 嵌入式系统的控制。目前，国外已有许多大公司开发了c a n o p e n 软件和硬件产品。在 我国c a n 的应用层协议主要应用是d e v i c e n e t ，很少用到c a n o p e n ，因此c a n o p e n 协 议需要在我国进一步推广。 1 1 3 以太网技术 以太网【l l 】是i e e e s 0 2 3 所支持的局域网标准，最早由x e r o x 公司开发，后经数字仪 表公司、i n t e r 公司和x e r o x 公司联合扩展，成为以太网标准。以太网标准只定义了o s i 七层参考模型中的最低两层，即物理层和数据链路层标准。作为一个完整的通信系统， 需要高层协议的支持，以太网在应用中采用t c p i p 协议栈1 1 2 j 【”1 实现高层协议是最典 型和最广泛的方式，因此一般所说的以太网技术就是指标准以太网+ t c p i p 协议栈。 ( 1 ) 与其他现场总线或工业通信网络相比，以太网具有以下优点： 应用广泛：以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，具有广泛的技术支持。 几乎所有的编程语言都支持e t h e r n e t 应用开发，如j a v a ，v i s u a lc + + 等。这些编程语 言由于广泛使用，具有很好的发展前景； 成本低廉：由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视 与广泛支持，有多种硬件产品供用户选择，硬件价格也相对低廉： 通信速率高：目前以太网的通信速率已由i o m 转向1 0 0 m 的快速以太网，1 0 0 0 m 以太网 技术已经开始应用，i o g 以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快得多。另外 以太网可以满足对带宽的更高要求： 硬件资源丰富：由于以太网己应用多年，人们在设计、应用等方面有很多的经验， 对其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发费用和系 统的整体成本，并加快系统的开发和推广速度； 第一章绪论 持续发展潜力大：在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖 于一个快速而有效的通信管理网络，从而保证了以太网技术不断持续地向前发展； 与i n t e r n e t 和i n t r a n e t 连接：能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝 集成。因此工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的发 展主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，共同发展，并保证技术 上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。 ( 2 ) 以太网也存在着不足： 以太网采用c s m a c d 碰撞检测方式，在网络负荷较重( 大于4 0 ) 时，网络通信具有不 确定性，不能满足工业控制的实时性要求； 传统以太网所用的接插俘、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不 符合工业现场恶劣环境的要求，在工厂环境中，以太网抗干扰( e m i ) 性能较差； 若用于可燃、易爆等危险场合，以太网不具备本质安全特性，同时以太网不具备通 过信号线向现场仪表供电的性能。 但随着以太网技术的飞速发展，以太网通信速率的一再提高，并且采用双工星型 网络拓扑结构和以太网交换技术，以太网的不足已得到明显改善。 1 4 嵌入式系统 在国内嵌入式系统【4 】【1 5 】是当前的一个流行和热门话题，从手机到机顶盒，都可 以看见嵌入式系统的影子。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬 件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机 系统。嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器、 存储器及外设器件和输入输出( i o ) 端口、图形控制器等。其中嵌入式微处理器是嵌 入式系统的核心。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序部 分。嵌入式系统具有以下显著的特点： 是“专用”的计算机系统，但比通用p c 系统资源少： 功耗低、体积小、集成度高、成本低，并具有较长的生命周期； 运行环境差异大： 具有系统测试和可靠性评估体系； 具有固化在非易失性存储器中的代码； 使用实时操作系统r t o s ： 包含专用调试电路，需要专业的开发工具和方法进行设计。 随着工业、国防、医疗、金融等领域对智能控制的需求不断增长，嵌入式微处理 器在运算速度、可扩充能力、可靠性、功耗和集成度等方面得到了显著提高，使得嵌 入式系统的应用领域不断扩展。使其可广泛应用于工业控制、数据采集、远程监控、 4 第一章绪论 智能管理、信息家电、移动通信、手持设备、网络设备等各种领域。特别是近年来嵌 入式技术与通信、网络技术的结合大大扩展了嵌入式系统的应用领域。 1 2 课题的提出及设计目标 ( 1 ) 课题的提出1 1 1 7 j 企业网络的结构按功能可分为信息网络和控制网络上、下两层。信息网络位于企 业网络的上层，是企业数据共享和传输的载体，它需满足与i n t e r n e t 互连的要求； 而控制网络位于企业网的下层，与信息网络紧密地集成在一起，服从信息网络的操作， 同时又具有独立性和完整性。控制网与信息网互连的意义如下： 控制网络与企业网络之间互连，建立综合实时的信息库，有利于管理层的决策； 现场控制信息和生产实时信息能及时在企业网内交换； 建立分布式数据库管理系统，使数据保持一致性、完整性和互操作性； 对控制网络进行远程控制、远程诊断和维护等，节省大量的投资和人力： 为企业提供完善的信息资源，在完成内部管理的同时，加强与外部信息的交流。 一般来说，信息网络与工业现场控制网络是两类具有不同功能、不同结构和不同 形式的网络，通常采用的网络互联方法有网桥、路由器、网关等，分别对应于不同层 次的互联。这种方式是通过硬件来实现的，即在底层控制网络与信息监控层之间加入 专门的硬件设备，使信息网络作为工业现场控制网络的扩展并与之紧密集成。硬件设 备可以是一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换。 此外，硬件设备还可以是一块智能接口网卡。互联的网络应该屏蔽信息网络与工业现 场控制网络在网络协议、服务功能、与网络管理上的差异。对于同构的信息网络与工 业现场控制网络，可以通过网桥进行连接，对于异构的信息网络与工业现场控制网络， 网关是网络互联的主要部件之一。它的作用是：构成网络之间数据的传送通道，终止 每一个网络的内部协议，并实现不同通信协议之间的转换。 ( 2 ) 本课题的设计目标 由于本系统互连的两种网络是异构网络，所以选择网关作为网络互连方法，并在 已有的自调匀整控制系统【1 8 】上实现与信息网络的集成，实现c a n 总线上各种设备与 以太网上监控机之间的数据通信。整个系统组成如图卜2 所示，从图中可看出，工业 现场有多个机台设备，每个机台独立完成纺织应用中自调匀整的功能，机台内用c a n 总线连接各个节点模块，再通过各节点模块控制与之相连接的底层电机等设备，c a n 总线上使用的是c a n o p e n 高层协议对各节点模块进行组态和数据传输。每个机台各连 接一个协议转换网关，网关的两种接口分别与两种网络相连，各网关( 有唯一的i p 地址) 再通过集线器或交换机与以太网相连，通过网关的协议转换功能使两种网络的 数据能够相互传输。通过目前商用网络上的路由器设备。可以满足控制网络通过以太 第一章绪论 网跟i n t e r n e t 互连的要求，实现工业自动化系统的完整网络体系结构。使操作人员 不仅能从车间现场中的人机界面，而且从远端的以太网和因特网都能观察到现场设备 的数据信息。 机 图l - 2 整个工业控制网络的组成 在实现网络互连的方法中，工控机加接口卡早已经被用来实现这一目的，但价格 和接口卡带来的瓶颈等问题也随之暴露出来。还有采用通用型微处理器并配备一定的 外围电路来构造硬件平台，通过在该平台上所运行的程序来实现网关的功能，常见网 关内部的微控制器大多都是采用8 位或1 6 位单片机，受到运算能力、存储空间的限 制，这些网关仅能提供低速和小数据量的以太网接入，而且实时性差。本系统采用低 功耗、高性能的3 2 位的a r m 7 微处理器为核心进行设计，同时选用c o s - i i 为嵌入 式实时操作系统，t c p i p 协议栈采用第三方提供，这类协议栈一般用c 语言编写， 与硬件平台无关，可裁剪成适合此系统的精简协议栈，并与以太网驱动程序紧密结合， 最后通过仿真器下载到微处理器的f l a s h 中。 1 3 课题研究的意义 工业控制领域正进行一场网络化信息化的革命，国际上各大工业自动化公司也正 在推出新一代的工业控制系统。我国在工业控制系统方面落后于西方发达国家，要想 赶上世界先进水平就必须发展自己的工业控制网络并开发相应的高层协议和应用软 件，解决自主知识产权问题。这里c a n 总线采用c a n o p e n 高层协议，使c a n 总线成为一 个更加完善的网络系统，不仅提高了数据传输的可靠性、实时性，大大提高了网络的 运行效率，而且使各模块具有了较强的通用性、功能扩展性和即插即用的特性。对国 内应用中大多把精力放在c a n 硬件之上的底层软件开发，少有使用上层软件协议的习 6 第一章绪论 惯，具有一定的推动意义，提高了应用水平。但c a n 总线的有效半径较短，并且孤立 于信息网络以外，如果能把现场设备接入以太网和i n t e r n e t ，远程上网客户可通过浏 览器方便地查询各个设备的状态，从而沟通现场级控制设备与信息管理层之间的联 系，这成为目前工业现场迫切需要解决的问题，为形成一体化的工业自动化网络体系 创造必要的条件。而此网关正是构成现代工业控制网络的核心，主要完成c a n o p e n 和 t c p i p 的协议转换功能，同时具有多个外围串行通信接口，可满足工业现场的不同需 求。考虑系统各方面的性能需求，选择具有优异性能的3 2 位a r m 微处理器，而且嵌入 式实时操作系统的移植能够提高系统的可靠性和开发效率，可充分发挥3 2 位c p u 的多 任务潜力，多种技术的应用更加增强了本课题的研究意义。 1 4 课题任务及论文安排 要完成此课题的设计目标，需要完成以下任务： ( 1 ) 掌握c a n 2 0 a ( b ) 协议和c a n o p e n 各通信协议的具体内容，了解c a n 总线上并条 机自调匀整控制系统各模块的作用，掌握各从节点在c a n o p e n 协议下各种数据报文 的传输机制，并规划此网关作为在c # u n o p e n 网络中主节点的设计。 ( 2 ) 掌握a r m 7 的体系结构与编程方法，及a r m ? 系列嵌入式微控制器l p c 2 2 9 2 的硬件 结构，根据系统的功能需求，查看大量芯片资料，并设计外围硬件电路；掌握c 语言 编程方法，熟悉a d s l 2 编程环境，编写驱动程序及应用软件程序。 ( 3 ) 掌握l c d 液晶控制器t 6 9 6 3 的编程方法，设计显示界面。 ( 4 ) 掌握嵌入式实时操作系统此0 s i i 内核结构、任务管理方法及通信机制，并完成 此0 s i i 到l p c 2 2 9 2 的移植，使内核能够正常运行，完成“c o s i i 上各任务的划分 和编写。 ( 5 ) 掌握t c p i p 协议栈各层的协议内容和通信方法，并完成精简协议栈到操作系统上 的移植，使网关能够与以太网上的p c 机进行正常的通信，制作简单的网页，能在p c 机上看到发送的网页内容。 根据课题任务，论文具体章节的内容安排如下： 第一章首先分析了当前c a n 总线和以太网技术的应用现状，通过比较传统c a n 总线 和以太网通信系统的优缺点，提出了将这两种网络进行集成的方案。 第二章描述了网关的模型，并对嵌入式处理器和嵌入式操作系统进行了选型分析， 介绍了c a n o p e n 协议的一些重要内容；从总体上将系统分为硬件设计和软件设计两方 面，概述了系统硬件和软件的设计方案。 第三章主要介绍了硬件电路的设计，包括基于嵌入式微控制器l p c 2 2 9 2 的最小系统 电路设计、以及一些外围电路接口的设计。 第四章详细论述了系统软件的设计，包括启动代码实现，嵌入式操作系统此0 s 一 7 第一章绪论 的移植、以及c a n o p e n 通信模块、l c d 人机模块和以太网通信模块的软件设计方法， 最后介绍了系统的应用程序设计，概述了任务的划分及通信实现机制。 第五章对软硬件系统的功能进行了测试，并对结果进行了分析。 第六章总结了全文的工作，最后讨论进一步的研究工作和展望。 8 第二章系统总体设计 2 1 网关模型 2 系统总体设计 本课题要设计的是两种异构网络即c a n 总线( 使用c a n o p e n 协议) 到以太网( 使用 t c p i p 协议) 的协议转换网关，当报文从一个网段到另一个网段的传送中，网关提供了 一种把报文重新封装成新的报文组的方法。网关工作在协议栈的最高层，经过不断打包 数据、解包数据实现从一类协议接收信息，经翻译后送往另一类协议。其中协议转换是 异构网络互连的技术关键和难点。转换方法依据的是协议分层的基本原理，即低层支持 高层，高层调用低层，低层断开连接后，高层连接也随之断开，但高层断开连接不会影 响低层。从网络的分层结构上来看网关模型是如图2 - 1 所示的分层结构。以太网上运行 t c p i p 协议，它具有应用层、传输层、网络层、以太网数据链路层和物理层；c a n 总线 具有c a n o p e n 应用层、数据链路层和物理层。把网关的应用层看作是e t h e r n e t 与c a n 的数据交换层，a r m 微处理器在此层相互解释并转发这两种不同协议的数据。 c a n 总线网关以太网 应用层 应用层 ( c n e t h e r n e t )( h t t j p 、r t p 等) 应用层 t d 传输层 ( t g p 和u d p ) 孵们 f l p 、 c 肝 网络层 ( i e 、i e m p ) 数塌链蹄层数据链鼯层 ( c j l n 2 o a ) q n 驱动洲太网驱动 ( a i 护、r a r p ) 物理层l a n 攒口 蚜太网接口 物理层 ii l 2 2 微处理器的选择 2 2 1a r n 微处理器介绍 图2 - 1 嵌入式网关模型图 a r m v 9 】 2 0 1 1 2 1 】阎跚( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是对一类基于r t s c ( 精简指令集计算机) 架构的3 2 位微处理器的统称，这类微处理器由于采用英国a 跚公司的知识产权而得名。 a r m 微处理器由于性能高、成本低、功耗低、体积小等优点而在诸多领域得到了广泛应 用。到目前为止，其应用已经遍及工业控制、消费类电子产品、通信网络、无线通讯等 领域，占3 2 位r i s c 微处理器应用7 5 以上的市场份额。a r m 在3 2 位微处理器领域的领先地 9 第二章系统总体设计 位就如同5 1 系列单片机在8 位微控制器领域的地位一样。另外，全球己有几十家大的半 导体公司使用a r m 公司的授权，这使得a r m 技术可以获得更多第三方的工具、制造和软件 的支持。 a r m 7 系列微处理器是低功耗的3 2 位r i s c 处理器，主要具有如下特点： 具有e m b e d d e d l c e - r t 逻辑，调试开发方便； 功耗极低，适合对功耗要求较高的应用： 采用三级流水线和冯诺依曼结构； 提供0 9 m i p s 姗z 的性能，主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力可胜任绝大多 数的复杂应用； 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集； 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用户的产品升级换代。 得到广泛的操作系统和实时操作系统支持，包括w i n d o wc e 、p a l mo s 、s y m b i a n o s 、 l i n u x 以及业界领先的实时操作系统； 支持七种处理模式：用户模式、快中断模式、中断模式、管理模式、中止模式、未定 义模式和系统模式。 a r m 7 系列包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i s ，a r m 7 2 0 t ，a r m 7 e j 。其中 a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基 本含义为：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ( t ) ；支持片上d e b u g ( d ) ；内嵌硬件乘法器( m ) ；嵌 入式i c e ，支持片上断点和调试点( i ) 。 2 2 2l p c 2 2 9 2 的内部结构及功能伫4 】 综合考虑各方面因素，本系统选用具有a 蹦7 t m d i s 内核的l p c 2 2 9 2 ，它是p h i l i p s 公 司新推出的一款功能强大、超低功耗、支持实时仿真和跟踪的微控制器。具有1 6 k b 片内 静态r a m 和2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器，通过片内引导装载程序软件可实现在系统编程 和在应用编程( i s p 和i a p ) 。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构可实现高达6 0 湘z 的工作频率。通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，b a n k o b a n k 3 的四组片选信号分别为c s o c s 3 ，数据宽度可为8 1 6 3 2 位。l p c 2 2 9 2 是1 4 4 脚封装， 具有极低的功耗，以及2 个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、2 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外 部中断，特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。l p c 2 2 9 2 包含 7 6 ( 使用了外部存储器) 1 1 2 ( 单片应用) 个g p i o 3 。包括多个串行接口：2 个1 6 c 5 5 0 工业 标准u a r t 、高速i2 c 接口( 4 0 0 k b p s ) 和2 个s p i 接口。由于内置了宽范围的串行通信接口， 非常适合于通信网关、协议转换器、以及其它各种类型的应用。l p c 2 2 9 2 的内部结构如 图2 2 所示。 1 0 第二章系统总体设计 图2 - 2 微控制器l p c 2 2 9 2 的内部结构图 l p c 2 2 9 2 内部集成有两路符合c a n 2 o b ，i s o l l 8 9 8 1 规范标准的c a n 控制器，总线数 据波特率均可达i m b p s ，可访问3 2 位的寄存器和r a m ，全局验收过滤器可识别几乎所有总 线的1 l 位和2 9 位标识符，验收过滤器为选择的标准标识符提供f u l i c a n 自动接收功能。 作为本设计的核心部件，l p c 2 2 9 2 不仅承担主控制器的作用，同时还作为c a n 网络的节点 控制器，与网络中的其它节点实现数据传输与交换，最终实现不同协议网络之间的通讯。 2 3 嵌入式操作系统的选择 2 3 1 选择嵌入式操作系统的理由 传统的单片机系统在程序设计上一般采用的是前后台方式或超循环方式，但随着应 用的复杂性，这种方式在中断响应和多任务的调度上就出现了问题。嵌入式操作系统是 嵌入式系统的灵魂，它的出现大大提高