（模式识别与智能系统专业论文）基于lm3s8962的串口通讯服务器的设计.pdf

内蒙古人学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得凼蒙古太堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：指导教师签名： 么丁 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将 学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允 许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。 为保护学院和导师的知识产权，作者在学期问取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使 用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于 发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：刍昼晶 日期：2 鲥f ：! ! ： 指导教师签名： 日 易义矿乞 j 二一 基于l m 3 s 8 9 6 2 的串口通讯服务器的设计 摘要 在自动化工业系统等领域中重要设备的数据通信多采用r s 一4 8 5 c a n 总线 模式。r s 一4 8 5 总线具有传输速度快、成本低廉、结构简单、实时性和抗干扰能 力较强等诸多优点；c a n 总线是有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多 特点的一种已形成国际标准的现场总线，广泛应用于工业控制领域。 随着i n t e r n e t 的普及，基于以太网技术和t c p i p 协议构建的互联网已经延 伸到工业系统的每个角落。工业以太网与其它现场总线或工业通讯网络相比， 以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、可与多个主 机通信、可持续发展、潜力大等优点，因此不仅垄断了工厂综合自动化的信息 管理层网络，而且在过程监控层网络也得到了广泛应用，并且有直接向下延伸， 应用于工业现场设备层网络的趋势。 根据三种网络的优缺点，基于低成本、简便性、可靠性和通用性原则，本 文设计嵌入式串口通讯服务器综合了串行通信和网络传输的优点，让串行设备 实现网络连接，使原本不具备联网功能并分散各地的串行设备连入到网络中， 充分利用现有的i n t e r n e t 资源进行数据传输和管理，更好地为串行设备和远端主 机服务。本设计核心为l u m i n a r yl m 3 s 8 9 6 2 微处理器，其中央处理芯片采用基 于a r m v 7 架构的c o r t e x m 3 处理器内核。本文在对国内外嵌入式串口通讯服务 器综述的基础上，论述了设计串口服务器的总体方案，详细阐述了系统硬件、 软件的设计及开发。主要内容包括以下几部分：嵌入式实时系统u c o s i i 移植； 以太网、4 8 5 通讯协议和c a n 协议的分析与研究；嵌入式实时系统u c o s i i 环 内蒙古人学硕_ i 二学位论文 境下编写程序，实现以太网与4 8 5 通讯协议、以太网与c a n 协议的转换，进而 实现r s 4 8 5 一e t h e r n e t 和c a n e t h e r n e t 之间的数据传输。 关键词：删v 7 ；u c o s i i ；t c p i p 协议；4 8 5 协议；c a n 协议 内蒙古人学顾f ：学位论文 t h ed e s i g no fs e r i a ls e r v e rb a s e do nl m 3s 8 9 6 2 a bs t r a c t r s - 4 8 5 c a nb u sm o d e lh a sb e e na d o p t e da sd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n m o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t si na u t o m a t i o na n di n d u s t r i a ls y s t e m s r s 一4 8 5h a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha st h s t e rt r a n s m i s s i o ns p e e d ，l o w e rc o s t ，m o r es i m p l es t r u c t u r e ， r e a l t i m e ，s t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y a n ds oo n ；c a nb u sh a sb e c o m e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df i e l d b u sw i t hm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hc o m m u n i c a t i o n r a t e ，e a s i l y t oi m p l e m e n ta n dh i g hc o s tp e r f o r m a n c e ，w i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l c o n t r 0 1 i n t e m e tb a s e do ne t h e r n e tt e c h n o l o g ya n dt c p i ph a se x t e n d e dt oe v e r yc o r n e r o fi n d u s t r yc o n t r 0 1 c o m p a r e dw i t ho t h e rf i e l d b u so rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ， i n d u s t r i a le t h e r n e ti sm o r ew i d e l yu s e d ，w i t hl o w e rc o s t ，h i g h e rc o m m u n i c a t i o n r a t e ， r i c h e rr e s o u r c e so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n dc a nc o m m u n i c a t ew i t hm u l t i p l eh o s t s ， w h i c hh a sg r e a t e rp o t e n t i a l i n d u s t r i a le t h e r n e tn o to n l yh a sm o n o p o l i z e dt h ef a c t o r y i n t e g r a t e da u t o m a t e di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ，b u ta l s oh a sb e e nw i d e l y u s e di np r o c e s sm o n i t o r i n gn e t w o r k ，a n dt h et r e n di st h a tw i l lb eu s e dm o r ew i d e l yi n i n d u s t r yf i e l dn e t w o r k 内蒙古人学硕r i ：学位论文 a c c o r d i n g t ot h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et h r e en e t w o r k s ，b a s e do n t h ep r i n c i p l e so fl o wc o s t ，s i m p l i c i t y ，r e l i a b i l i t ya n dc o m m o n a l i t y ，t h i sp a p e rd e s i g n s a ne m b e d d e ds e r i a ls e r v e rc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fs e r i a lc o m m u n i c a t i o na n d n e t w o r kt r a n s m i s s i o n ，m a k es e r i a ld e v i c e sc o n n e c t e dt oe a c ho t h e rt h r o u g hn e t w o r k ， m a k ef u l lu s eo fe x i s t i n gi n t e m e tr e s o u r c e sf o rd a t at r a n s m i s s i o na n dm a n a g e m e n t ， a n db e t t e rs e r v ef o rs e r i a le q u i p m e n ta n dr e m o t eh o s t i n gs e r v i c e s t h ek e yp o i n to f t h i sd e s i g ni s l u m i n a r yl m 3s 8 9 6 2 ，i t sc e n t r a lp r o c e s s i n gc h i pm i c r o c o n t r o l l e r a d o p t sc o r t e x m 3p r o c e s s o rc o r eb a s e do na r m v 7 t h i sp a p e rr e v i e w e dt h e e m b e d d e ds e r i a ls e r v e r ，d i s c u s s e dt h eo v e r a l ld e s i g no ft h es e r i a ls e r v e r ，d e s c r i b e dt h e d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nd e t a i l t h em a i n c o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s ：t h et r a n s p l a n t a t i o no f e m b e d d e dr e a l t i m es y s t e mu c o s - i i ；a n a l y s i so fe t h e r n e t ，4 8 5a n dc a n p r o t o c o l ； p r o g r a m m i n gu n d e re m b e d d e dr e a l - t i m eu c o s - i i ，m a k et h ec o n v e r s i o nb e t w e e n 。 e t h e r n e ta n d4 85a g r e e m e n ta n dt h ec o n v e r s i o nb e t w e e ne t h e r n e ta n dc a n ；a n d f i n a l l y ，a c h i e v ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nr s 一4 8 5 一e t h e m e ta n dc a n e t h e m e t k e y w o r d s ：a r m v 7 ；u c o s i i ；t c p i p ；4 8 5p r o t o c o l ；c a np r o t o c o l 内蒙古人学硕i ：学位论文 目录 第一章引言l 1 1 研究课题的来源和意义l 1 2 串口通讯服务器的研究进展3 1 2 1 串口服务器国内研究现状3 1 2 2 串口服务器国外研究现状3 1 3 选题方案分析4 1 4 课题研究的主要内容5 1 4 1 论文研究的主要内容5 1 4 2 论文的结构安排6 第二章系统整体设计7 2 1 系统结构框架7 2 2 核心控制器l m 3 s 8 9 6 2 8 2 3 设计方案的选定。9 2 3 1 a r mc o r t e x m 3 处理器内核9 2 3 2 以太网传控制器1 0 2 3 3 控制器局域网10 2 3 4 通用异步收发器。1 2 2 4 本章小结1 3 第三章硬件电路分析1 4 3 1 硬件设计原则1 4 3 2 电源电路1 5 3 3c p u 电路1 6 3 4 以太网接口电路1 8 3 5r s 一4 8 5 总线接口电路1 9 3 6c a n - b u s 接口电路2 0 3 7 本章小结2 0 第四章嵌入式实时操作系统u c o s - i i 2 1 内蒙古人学硕上学位论文 4 1 嵌入式实时操作系统简介2 1 4 2 嵌入式实时操作系统u c o s i i 2 3 4 2 1u c o s - ii 的概况2 3 4 2 2u c o s - i i 的初始化和启动2 3 4 2 3u c o s ii 管理2 4 4 2 4u c o s ii 多任务管理实现2 8 4 3u c o s ii 的移植2 9 4 4 本章小结3 1 第五章t c p i p 协议栈3 2 5 1t c p i p 的主要协议3 3 5 2t c p i p 的通信3 6 5 2 1s o c k e t 接口函数3 6 5 2 1 面向连接的服务器客户端通信：3 7 5 2 3t c p i p 数据通信处理3 9 5 3 本章小结4 0 第六章r s 一4 8 5 与t c p i p 数据传输处理41 6 1r s 一4 8 5 总线4 1 6 1 1r s 一4 8 5 总线4 1 6 1 2 串行异步通信数据格式4 1 6 2r s - 4 8 5 数据处理4 2 6 2 1 串口初始化及发送数据使用函数4 2 6 2 2 串口初始化4 3 6 2 3 串口数据的发送4 4 6 2 4 串口接受数据使用函数4 5 6 2 5r s - 4 8 5 的中断接收数据4 5 6 3t c p i p 与r s - 4 8 5 数据传输处理4 6 6 3 1r s 一4 8 5 到t c p i p 数据传输实现4 7 6 3 2t c p i p 到r s - 4 8 5 数据传输实现4 8 6 4 本章小结5 0 第七章c a n 与t c p i p 数据传输处理5 1 i t 内蒙古人学硕t ：学位论文 7 1c a n 总线协议5 1 7 1 1c a n 总线协议概述5 l 7 1 2c a n 总线报文格式5 1 7 2c a n 数据处理5 2 7 2 1 报文对象的数据结构t c a n m s g o b j e c t 5 2 7 2 2c a n 初始化5 3 7 2 3 发送报文对象5 4 7 2 4 接收报文对象5 6 7 2 5 中断处理5 8 7 3c a n 与t c p i p 数据传输处理5 9 7 3 1 c a n 到t c p i p 数据传输实现6 0 7 3 2t c p i p 到c a n 数据传输实现6 2 7 4 本章小结- 6 4 第八章结论6 5 参考文献6 7 至5 【谢j 一7 0 攻读学位期间发表的学术论文7 0 攻读学位期问参加的科研项目7 0 内蒙古人学硕j j 学位论文 第一章引言 在自动化、工业系统等领域中重要设备的数据通信多采用r s 4 8 5 或c a n 总线模式。 r s 4 8 5 总线具有传输速度快、成本低廉、结构简单、实时性和抗干扰能力较强等诸多优点， 广泛应用于工业控制领域。c a n 总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点 的一种己形成国际标准的现场总线，与一般的通信总线相比，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，同样广泛应用于工业控制领域。 随着嵌入式技术与网络技术的日益发展，嵌入式i n t e r n e t 技术成为嵌入式领域重要的研究 方向。作为i n t e m e t 的基本协议，t c t i p 协议栈以其实用性、高效性，已经成为事实上的网 络协议标准，是实现嵌入式i n t e m e t 技术的关键。通过在现有串行设备上添加嵌入式串口服务 设备，可以让串行设备实现网络连接，使原本不具备联网功能并分散各地的串行设备立即连 入到网络中，充分利用现有的i n t e r n e t 资源进行数据传输和管理。 典型的串行通讯标准是r s 2 3 2 和r s 4 8 5 ，它们只定义了电压，阻抗等。本文使用的r s 一4 8 5 接口，采用r s 2 3 2 标准协议，为方便论述本文统一简称为r s 一4 8 5 通信协议。根据三种网络 的优缺点，基于低成本、简便性、可靠性和通用性原则，本文设计实现了一种r s - 4 8 5 e t h e m e t 和c a n e t h e m e t 协议转换器，实现以太网和r s 4 8 5 总线、c a n 总线之间的透明互联。 1 1 研究课题的来源和意义 对工业自动化领域而言，大量的智能设备可通过各种途径连到i n t e r n e t 上，通过网络相 互传递信息和数据，实现智能化现场设备的功能自治性、系统结构的高度分散性以及监管控 一体化。 现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线的出现，标志着工业控制技术 领域又一新时代的开始。这一技术的发展，对实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动 作用。与传统的集散控制系统相比，他具有全开放、全分散、互操作等优点，但还是有很大 的局限性，主要表现在以下几方面： 1 目f j 的现场仪表和设备的计算能力和信息处理能力较低，复杂的控制功能仍集中在 一台控制计算机上，不能实现全分散控制，存在风险集中的现象。 2 现场总线仅作为系统的一个组成部分，位于系统的底层，不足以实现系统的全开放 内蒙古大学硕l j 学位论文 性结构。系统架构呈垂直组合状，数据通信存在瓶颈。 3 i e c 6 1 1 5 8 标准包括8 种类型的现场总线，相互之间差异较大，不能实现互操作，彼 此连接存在一定困难。 4 系统中所有控制器独立运行，各执行独立的数据处理，难以做到所有信息共享，导致 系统实时性不尽如人意 上面的阐述说明传统经典的p l c 和现场总线技术已不适合这种要求。即使是像工业p c ， 0 p c 等技术，只要他们被镶嵌在传统的系统结构中，也只能是对系统的功能作些边缘性的提 高。 因此，为减轻繁重的编程工作和达到系统的简单化，需要对系统的结构进行变革。随着 信息技术的不断飞跃发展，工业控制领域中必然会产生一种能够弥补现场总线缺陷，实现全 系统统一、高效、实时的控制策略。工业以太网就是适应这一需要而迅速发展起来的控制技 术。在所有的网络技术中，以太网技术是至今最理想的选择 以太网( e t h e r n e t ) ，既是一种计算机接入局域网络的术。由于以太网传送速率的大幅 度提高，物理层标准的工业化以及以太网集线器技术的形成，千兆以太网技术和无碰撞全双 工光纤技术的出现，使得这一先进的网络技术被推进到早先认为不适宜的工业控制网络中， 形成了工业以太网技术。与目前的基于现场总线的控制网络相比，基于工业以太网技术的控 制网络是一种低成本( 许多商用以太网的芯片组与技术可以借用) 、高性能的控制网络解决 方案。 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从p c 时代过渡到了以个人 数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通讯、消费电子) 一体化的后 p c 时代。在后p c 时代罩，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应用于信息家电、 移动计算机设备、网络设备、和工业控制等领域。如果嵌入式系统能够连接到i n t e m e t 上面， 则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。可以说，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真j 下未来。但是传统的t c p i p 协议在实时性方面做 得不够好，它把大量的精力花在保证数据传送的可靠性以及数据流量的控制上。而在实时性 要求比较高的嵌入式领域中，传统的t c p i p 不能满足其实时要求。另外，传统t c p i p 的实 现过于复杂，需占用大量系统资源，而嵌入式应用的系统资源往往都很有限。因此，需要把 传统t c p i p 在不违背协议标准的前提下加以改进实现，使其得到提高，占用的存储空间尽 可能少，以满足嵌入式应用的要求，加上已经使用非常广泛的r s 5 8 5 总线和c a n 现场总线， 可以很好的实现对各个控制结点的网络管理。 内蒙古大学硕士学位论文 1 2 串口通讯服务器的研究进展 对于嵌入式串口通讯服务器而言，最为重要的有两点：一是功能实现方面，希望能通过 合适的技术实现性能优异且功能较为全面的系统；二是成本因素，这直接关系到嵌入式设备 的应用范围，尤其是对于普通的用户而言。从各公司的研究现状可以看出，市面上串口通讯 服务器功能齐全，但是实现技术不公开、价格很高从千元至上万元不等。 1 2 1 串口服务器国内研究现状 目前国内串口服务器的研究相对国外来说稍有不足之处，但是技术上已非常成熟。国内 在串口服务器方面比较领先的公司有m o x a 、a t o p t e c h n o l o g i e s 、研华、康海时代这些品牌。 台湾m o x a 串口服务器专为工业应用而设计。n p o r t 系列串口服务器的最先产品n p o r t i a 5 0 0 0 a 系列为1 2 4 口工业级串口设备联网服务器，内嵌m i i n ec p u ，功耗降低；串口支持 2 k v 光电隔离保护串口；网口和电源线提供浪涌保护；以太网口可级联，节省布线；冗余电 源输入；异常事件时，自动发出e m a i l 和继电器输出报警。n p o r t a 5 0 0 0 a 系列为1 6 口机架 式r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口服务器。简单易用的l c m ( l i q u i dc r y s t a lm o d u l e ) 显示操作界面， 可用于设置i p 地址；自动检测1 0 1 0 0 m b p se t h e m e t 界面；所有端口皆有突波保护功能( 1 5 k v e s d ) ；支持t c ps e r v e r ，t c pc l i e n t ，u d p ，和r e a lc o m 模模式；支持w e b 与t e l n e tc o n s o l e ； 支持s n m pm i b i i 网管功能【3 7 】。 a t o p t e c h n o l o g i e s 公司针对户市场需求，致力于工业自动化领域的产品开发，多年来不断 投入研发、生产，提供专业产品和服务，以t c p i p 架构为基础的串口服务器( s e r i a l s e r v e r ) 、 嵌入式计算机、工业级以太网交换机等。最新产品嵌入式单串口服务器g w 2 1 s - m a x i ， r s 一4 8 5 4 2 2 2 3 2 串口界面可选；可弹性扩充点对点串口连接的通讯距离。l o l o o m b p s 自适应 以太网；提供4 路逻辑i o 设置；5 v 或3 3 v 输入电压，o c 6 0 宽工作温度；提供基于t e l n e t 、 w e b 浏览器、串口控制、w i n d o w s 等多种配置方式。提供c 语言软件开发包，方便二次开发和 编程【3 8 】。 1 2 2 串口服务器国外研究现状 目前全球来说德国c o n e x t o p ，美国d i g i ，美国l a n t r o n i x ，能够做到高度集成的跟r j 4 5 完 全兼容的模块，在欧洲美洲那边都有很大的一个市场份额，现在到中国打开市场之际，他们 准备了从低端到高端的多款串口转以太网模块，这样是为了满足不同应用方面和不同价格成 内蒙古人学硕上学位论义 本的的需求的客户，其功耗低，发热量小，高度集成，高稳定可靠，性价比高。 德国c o n e x t o p 公司于2 0 0 2 年初发布的一款高度集成，高性能的的嵌入式设备联网服 务器的r j 4 5 产品一n e p o r t 系列串口服务器模块，它以小巧的体积为客户的产品提供一套简 洁、高性能且低成本的网络连接方式。它是基于3 2 位的a r mc p u 开发的，超小体积，高度 集成。尺寸与标准r j 4 5 座子完全兼容，体积仅仅只有两个r j 4 5 口大小，拥有1 0 m 1 0 0 m 的 以太网接口，并可同时传送t c p u d p 包给多个数据接收设备。并且提供1 2 个高速串口，波 特率可高达9 2 1 6 0 0 b p s 。相对于目前国内大多数基于单片机开发的模块来说，c o n e x t o p 提供的 模块功耗非常低，因此发热量非常小，从而达到高速、稳定、高可靠的目的。 随着设备联网和远程管理的需求不断增加，美国l a n t r o n i x 公司意识到设计工程师需要 可靠的嵌入式设备以太网和无线网络解决方案，提供了一个简单，低成本而可靠的方法把联 网和远程管理功能无缝地加入到产品里。世界上体积最细小的l i n u x 网络服务器，提供 m 2 m e d g ec o m p u t i n g 边缘运算，通过新进的3 2 一位元处理器轻易地处理复杂的应用【3 9 】。 美国d i 西公司的d i g io n ei ar e a l p o r t 设备服务器能让用户轻易地将具有串行端口的任 何工业设备连接到以太网，如可编程的逻辑控制器、工艺和质量设备、发动机、驱动器、条 形码扫描器、操作员显示屏及其它类型的制造设备。d i g io n e i ar e a l p o r t 提供工业应用上的 特别需求，如：工业d i nr a i l 安装、设备共享支持、认协议提供多主控支持、业界领先的 低延迟功能等等。d 缚享有专利的r e a l p o r t 技术，使得可以通过在主机计算机上创建一个 本地c o m 或n y 端口来建立主机与网络串行设备之间的连接，从而能让应用软件与网络 设备服务器配合工作，而无需额外的更改。 1 3 选题方案分析 在嵌入式系统上实现网络功能，首要条件是保证嵌入式系统和网络的连通。本课题中嵌 入式系统与网络互联的实现方案其技术难点是：如何利用处理器本身有限的资源对信息进行 t c p i p 协议处理。按现有技术实现分类，利用单片机实现嵌入式网络连接的有三种方案： ( 1 ) m c u + 专用网络芯片 这个方案是由价格低廉的8 位m c u 加上固化了t c p i p 协议栈的芯片( 如w 5 l o o ) 来 组成应用系统的核心，然后m c u 应用系统通过网络芯片与g a t e w a y 连接，再进入i n t e m e t 网，网络芯片内部固化了m c u n e t 协议。该方案优点：设计时不必考虑任何网络协议；缺点： 需要特定硬件，增加成本。 ( 2 ) m c u + 内部专用网络+ 专用网关 4 内蒙古人学硕l j 学位论义 它是利用e m w a r e 公司开发的e m i t 技术，即e m w a r e 公司的电子设备网络协议，在应 用系统的微控制器内部使用e m n e t 协议，再通过e m g a t e w a y 与i n t e m e t 网连接，也就是说 内部采用专用网( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n 总线等) 把一批嵌入式设备连接在一起，然后再 将该专用网络连接到一个特殊的网关上，该网关将负责把内部专用网络上的信息转换为 t c p i p 协议数据包，然后发到网上实现信息传输。优点：复杂的网络协议是由e m g a t e w a y 在 p c 机上实现；缺点：需p c 机作为网关，必须熟悉e m n e t 协议和相关的接口，而且这种网 络的有效半径比较有限，有关的通信协议也比较少，并且一般孤立于i n t e m e t 以外。 ( 3 ) m c u + r t o s 采用有一定运算速度和存储资源的微控制器，在实时多任务操作系统( r t o s ) 平台上进 行软件开发，以达到在嵌入式系统中实现t c p i p 协议处理的目的。优点：硬件电路相对简 单，造价低；缺点：t c p i p 协议实现需要大容量的程序存储器，对m c u 要求较高，必须熟 悉t c p i p 协议和相关接口，软件设计复杂，工作量大。 显然以上方案中，以第三种方案m c u 直接实现形式的硬件结构最为简洁，成本低廉，虽 然t c p i p 协议复杂，但可以对其作适当简化来降低工作量。 1 4 1 论文研究的主要内容 1 4 课题研究的主要内容 ( 1 ) 本课题选用的l m 3 s 8 9 6 2 ( a r m v 7 ) 的硬件开发平台，对其m c u 和各个硬件功能设 备进行总体的把握，对目标板的充分了解为后续工作奠定了良好的基础。然后深入了解嵌入 式实时操作系统u c o s i i 的工作机制和原理，因为嵌入式实时操作系统是整个嵌入式系统的 灵魂和核心，它在很大程度上决定了嵌入式系统的整体性能。根据目标板的实际情况对其进 行一定的修改，编写相关的系统引导程序，将嵌入式实时操作系统u c o s i i 移植到目标板上。 ( 2 ) 在嵌入式实时操作系统u c o s i i 成功移植到目标板后，需要编写一些必须的底层硬 件驱动程序，因为u c o s 1 1 只提供一些系统调度、中断管理、内存管理等通用的操作系统功 能，那些具体底层硬件设备的驱动程序必须自行编写。本课题中主要包括串口驱动、快速以 太网卡驱动、l c d 驱动等。 ( 3 ) 对于嵌入式系统而言，不需要t c p i p 协议栈的所有功能，其基本的功能就可以满足 要求，所以需要对标准的t c p i p 协议栈进行一个全面的分析，制定一个既能满足嵌入式系统 的功能需求，又能符合嵌入式系统资源丌销要求的t c p i p 协议栈。我们采用的t c p i p 协议 内蒙古大学硕j ：学位论文 栈，主要包含a r p 协议、i p 协议、i c m p 协议t c p 与u d p 协议，还实现一套传输层s o c k e t 套接字接口提供给上层应用协议使用。 ( 4 ) 在实现的嵌入式t c p i p 协议栈基础上，通过传输层s o c k e t 套接字接口来实现c s 模式的s e r v e r 端和c l i e n t 端，通过这些程序来测试本课题实现的嵌入式t c p i p 协议栈，发 现其中的缺陷和不足，进而来完善它们。 ( 5 ) 修改r s 4 8 5 和c a n 的底层驱动程序，以及上层应用关于数据传输与协议转换的程 序，实现以太网和r s 4 8 5 总线、以太网和c a n 总线之间的透明互联。 1 4 2 论文的结构安排 本文描述如何实现基于u c o s i i 的嵌入式t c p i p 协议栈。主要工作有移植u c o s i i 到 目标板l m 3 s 8 9 6 2 上，然后在此基础实现t c p i p 协议和r s 4 8 5 通讯协议转换、t c p i p 协议 和c a n 协议转换，最后编写一些上层的应用来测试串口服务器，全文共分为七章。 第一章绪论：主要介绍课题背景、嵌入式系统地发展趋势、嵌入式t c p i p 的使用现状、 课题的主要研究内容与课题意义。 第二章系统整体介绍：包括处理的选择，以及本次设计的嵌入式装置在整个网络综合控 制系统中的位置。 第三章e a s y a r m 8 9 6 2 开发板的硬件设计部分：3 2 位的a r m ( l u m i n a r yl m 3 s 8 9 6 2 ) 的 c p u 电路设计、电源电路、以太网电路、r s - 4 8 5 接口电路、c a n - b u s 接口电路。 第四章嵌入式实时操作系统u c o s i i 的介绍以及其主要特点，说明其在a r m 移植过程 需要注意的地方。 第五章嵌入式t c p i p 协议栈：分析和介绍了t c p i p 协议栈的各种协议，利用t c p i p 的s o c k e ta p i 函数编写服务器客户端通信任务。 第六章r s - 4 8 5 与t c p i p 数据传输处理：编写应用程序中关于数据传输过程序中协议转 换，实现了t p c i p 与r s 4 8 5 之问可以相互通信。 第七章c a n 与t c p i p 数据传输处理：编写中关于数据传输过程序中协议转换，通过设 计与编写c a n 处理函数，实现c a n 总线与以太网之间的相互通信了。 第八章结束语：总结本课题所作的工作，以及通过这个课题的收获，讨论下一步的工作。 6 内蒙古人学硕士学位论文 第二章系统整体设计 在串口通讯服务器的具体研发过程中，应充分考虑数据传输性能、系统对串口参数和网 络参数的支持、参数配置的可操作性、系统的实用性、数据的安全性以及成本等多方面因素。 通过对各方面因素的权衡，设计实现功能相对完善、性能优异并且成本较低的嵌入式串口通 讯服务器。 2 1 系统结构框架 本课题设计的串口服务器的核心为l u m i n a r yl m 3 s 8 9 6 2 微控制器，其中央处理芯片采用 c o r t e x m 3 处理器内核。c o r t e x m 3 处理器是首个基于a r m v 7 架构，而且特别针对诸如微控 制器、汽车车身系统、工业控制系统及其其无线网络等对成本功耗极端敏感的嵌入式应用领 域，以在这些领域中实现高系统性能为目标而专门设计的a r m 内核。 嵌入式串口通讯服务器实现r s 4 8 5 、c a n 与网络接口之间的通信数据的判断、转换与传 输，系统对来自串行设备的数据流进行处理，并进行格式转换，使之成为可以在网络中传播 的数据帧；对来自网络接口的数据帧进行判断，转换成串行数据并送往串行设备。 在设计中，采用了嵌入式实时系统u c o s - i i ，在此操作系统上对以太网协议和r s - 4 8 5 协议、c a n 协议进行开发，编写驱动函数和程序，实现以太网和4 8 5 协议、c a n 协议转换，进 而实现r s 一4 8 5 一e t h e r n e t 、c a n e t h e r n e t 之间的数据传输。本文串口服务器设计总体结构框 图如图2 1 所示。 图2 1 串口服务器设计图 f i g u r e 2 1t h ed e s i g no fs e r i a ls e r v e r 本次设计的嵌入式串口服务器在整个网络综合控制系统中的位置如图2 2 所示。 内蒙古人学硕一i j 学位论文 图2 2 系统结构图 f i g u r e 2 2t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m 串口通信服务器系统的实现分为应用程序和操作系统内核两大部分，应用程序部分负责 对普通数据流的双向传输，并辅以系统在线参数配置，给产品提供完善的功能；u c o s i i 操 作系统内核部分是在原有内核的基础上对串口驱动、文件系统等进行修改，使软件平台适应 本系统的需求。对于操作系统内核，需要根据硬件芯片的数据手册对内核中与串口相关的宏 定义文件、驱动程序等进行修改，并合理设置文件系统，以更好的支持嵌入式设备的功能需 求和正常运行，实现产品化【2 5 】。最终系统上电即能正常运行应用程序，支持常用串口参数， 使用非常方便。 2 2 核心控制器l m 3 s 8 9 6 2 l m 3 s 8 9 6 2 微控制器的优势在于能够方便的运用多种a r m 的开发工具和片上系统的底 层i p 应用方案，以及广大的用户群体。另外，该微控制器使用了兼容a r m 的t h u m b 指令 集的t h u m b 2 指令集来减少存储容量的需求，并以此达到减低成本的目的。最后，l m 3 s 8 9 6 2 微控制器与s t e l l a r i s 系列所有成员是代码兼容的，这位用户提供了灵活性，能够适应各种精 度的需求【l 】。 l m 3 s 8 9 6 2 器件是完全集成的混合信号片上系统型m c u 。下面列出了一些主要特性： 1 3 2 位r i s c 性能：采用小型嵌入式应用方案而优化的3 2 位a r mc o r t e x t m m 3 结构； 5 0m h z 操