（电路与系统专业论文）船用嵌入式串口服务器的设计.pdf

摘要 由于串行通信易于维护和实现，且具有较好的数据传输性能，因而广泛应用于 船舶中的设备，但这类设备常采用集中方式管理，不易扩展。随着网络化的发展， 海事产品采用礴络化的分布式管理是必然趋势。 本文根据船舶的特殊工作环境的需要，设计了低成本的、嵌入式串口服务器， 使分数于船舶各处豹懿艺3 2 串墨设备成力独立的鼹络节点，以实现船舶数据采集、 传输和设备控制的分布式智能化管理。系统主要实现主机和串口设备间数据的过滤 与转发，将r s 2 3 2 串口数据转换成u d p 包，实现串口数据流在t e p 力 p 网络上的 透明传输。 本文介绍了s _ v d r 的基本架构及串口服务器在其中的作用，实现了基于 f r e e s e 镞e 微处理器m c 9 s 1 2 n e 6 4 和o p e n t c p 协议栈的船用嵌入式宰黯服务器酶完 整设计，并开发了主机端虚拟串阴驱动程序。设计主要包括三个部分的内容：在分 析船用电子设备工作环境和要求的基础上，设计了低功耗的、单片嵌入式处理嚣 m c 9 s 1 孙范6 4 网络解决方案，以及各主要硬件模块和接口电路，并提出了硬件设计 中的抗千拢性设计要点；通过对o n t c p 协议栈的磅究，分析串翻数据和网络数 据转发程序的设计方法，实现了基于o p e n 托p 协议栈的数据透明传输的固件程序； 根据w i n d o w sw d m 设备驱动程序的分层结构，开发了主机端的虚拟串口驱动程序， 并说明了驱动程序的加载方法。最后给出了p c 端对设备进行功能及性能测试的结 果。 本文设计的船用嵌入式串口服务器体积小、功耗低、成本低廉，适用于船舶工 作环境，满足用户需求。 关键词：m c 9 s l 於隰6 4 ；o p e n t c p ；w d m 设备驱动程序；虚拟串日 a b s t r a c t t h es e r i a l lc o m 瑚l m i c a t i o nm o d ei se a s yt 0a c l l i e v ea n dm a i l 妇氓粕dh a sp r e f 色矗b l e p e 哟船强i n 她觑燃武s s i o n 丑h l s ，i ti s 弼d e l yu s e d 洫也e 删斑辩e q 试舯n t s c o m m o i l l y ，也e s ee q p i p m e n t sa 托c e n t r a l i z e dm a 班喀e d ，a 觳dn o t 蹦船n 以b l e w i t h 壤e d e 、r e l q m l e n to fn e t 、o 如玳炳m r k i n gd i 蛹b 1 i t e dm a n a g e m e n t i sa ni i 心v 溉b l e 骶n dt 0m e 嫩a r i n ep r o d 黼t s a c c 0 r d i n gt 0m es p e c i a ld e m a l l d so fm ew o f i ( i n ge n v 拍n m e n t ，t h i sp 叩e rd e s i 罂l sa l o w _ 钧豉、锄麟d 甜s 蘸越鑫e v i c es 胃躐薹毫m a l ( e s 囊姥凼s 鹣i e d 薹漆一2 3 2 钙u i p 嫩e 瑟趣乏ob c a b s o l u t en e t w o r k i i l gn d d e s ，i no r d e rt 0 唧i r c 趴d 戗m s f 醯m 妇、m a n a g e 也ee q m p m 伽皓 赫a ni n 至e l 瓤签强tw a 萝t h ew h o l es y s 套c m i n l p l e 嫩e n t sd 搬磊l t e r i n ga n d 镪嫩s m i s s i 强 b e t w e e nt 1 1 eh o s ta n ds e r i a ld e v i c e s 髓l er s - 2 3 2s e r i a ld a 船c a nb e 臼嘲1 s f o r 玎= l e dt 0u d p d a 嘲蝴d t r a n s f e r 砌i n t c 脚n e r k 曩l i sp a p e ri n 昀妇e s 龇蠹凇e w o 呔o fs - i l l 憾濂鑫t e s 色。舱l eo fs 藏鑫| d 撕 s e r v e ri ns v d re n t i r e l yd e s i 髓s 吐l em a r i n ee i r l b e d d e ds e r i a ld e v i c es e r v c rb a s e do n 壤em c 9 s12 套匿醪m c u 翘d 蛳t c p 即套d c o ls 缘避嬲dd e v d o p s 强ev 酞u 越s 商烈 p o r td r i v e ri nh o s tc o m p u t e r t h ed e s i g ni n c l u d e s 也r e ep a r t s ：p a r to n ei st h eh 棚w a r e c i r c u i td e s i 龋a c c o d 通gt om es p e c i a lw o r k i l l ge n v i r o n m e n ta n dd e m a n d so fm 蕊n e e l e c 昀五cd e v i c e s ，i te x p l a i n s 髓l ee v i d e n c eo f 龇c h o s 馓m c u ，d e s c 曲e s 像em 萄烈 h a r d w a r em o d u l e s 锹l d 逾t e r f 如ec i r c u i t si nd e t a i l ，a sw e l la st l l eh a r d w a r e sa n t i j 龇衄i i l g p i e f f o 船越c e 。p 硪翻附i s 蠡吸l 懈翻静零煳i 驾薹lp 愆s o 妇熬也e 咖t c pp 国溉o ls k a n a l y s e s 烈l di m p l e m 伽临t l l cm e m o dt o 把m s m i tt h es e r i a ld a 诅a n dn e 帆o r k 也l 切g 阳i n p 娥鼬霭主s k 捌c e 越v 嚣即孚翟删l 培虹h o s t 丑墩e 王te x p l o 班通s 耄h el a y e f e d 咖l 曲l r eo f d o w sw d m 赫v e r d e t a i l e d l ye x p l a i n st h ec o 砒s eo fp r o g 嘲戚n g 龇 v 确l a ls 舐a lp o r t 姒v e f ，a n dh o wt 0l o a di t i nm c 锄d ，恤t e s tr e s l d to f 触加0 n 勰d 鼬n n a n c ei s 番v e 藏 1 h sm a r i r 圮e 妇b e d d e ds e r i a ld e v i c es e n ，e ri ss m a l li ns i z e 、l o wi nc o s ta n dp o 、e r c o 潞翻整p 连i o 鼗致盈s 谯e 越越端e 勰的删雒db 掇c a ：薹哆檄e e 重s 撒e 艄醯s 醴璐e 嚣 薹硒懈o r d s ：m c 9 s l 於隰6 4 ，o 弦酊c p ，w d md e 惦e e 蹦w r ，v i 咖a ls e f i a lp o 姓 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交盼学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所敬得的研究成果。除文中已经标明芍l 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以羁确方式标明。本声臻的法律结果壶本入承担。 作者签名：岛瘫 器期：浏年轰月 嚣 学位论文版权使震授权书 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：学校有权 保留并向溺家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫攒等复制手段保存和汇编本学位论文。圊时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：岛藏 日期：沁基年6 月f 日 导师签名：k 飞 日期：净、年月t 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发猫章程，同意将本人的学位 论文提交“c a 己i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程中的规定 享受相关权益。回意途塞握变压澄蜃! 鱼坐笙；旦二笙；旦三垒蕉查： 作者签名：白辘 霹期：) o ：遮年参月；霹 导师签名砖k n 霹期：一年晨| 日 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 随着罾簖帮毽起躲瓣遭躲发震，备释薪的技零和设备装应簏到船靛靛行中戳提 高船舶航行的性能和可靠性。为了提高船舶航行中的安全性，在事故后正确找出事 故原因，蓬际海事组织( 戳鼢) 海上委员会要求在船舶上安装航行数据记录仪 、门) r ( v o y a g ed a 协l l e c o r d e r ) v d r 俗称“船舶黑匣子 ，主要用于自动采集并记录船舶各方面的航行信息、 控黼台操传信息、v i 襻通讯秘雷达蓥像等数据。r 所记录的数据不仅轰事放谲 查提供至关重要的证据，还可为驾驶者提供改善管理和船舶操作状况的信息，即提 供改良航线蕊划、控裁船体应力、钱纯燃料配鬟静关键僖患”l 。 但是，目前在航的船舶设备千差万别，船上安装的前期设备接口不完备，如果 完全按照爻的撂准，安装过程中势必如现接霉五花八门的情况，导致安装周期 长、调试困难，鼠影响系统的可靠性，甚至需要大量地更新设备，从丽使设备耱安 装成本增加。因此，需要一神既能记录基本的重要信息，成本不高的又能满足玎o 决议的简易墅v d r 爝子在航船靛，帮s v d r 。 i m o 导航分蚕会( n a v ) 第51 次会议要求，v d r 和s 。v d r 应提供一个存储数据 熬下载接爨，器剥灞辩部计算辊进行数据回藏，其接蜀斑与鎏际认可豹接秘标准相兼 容，例如与u s b 、以太网、f i r ew i r c 等效兼容l j j 。 随着嵌入式潮终技术的发展和成熟，海事产品向嬲络化方向发展是必然的趋 势。采麓网络结构设计s - v d r ，可使褥其数据采集和传输交褥更加方便，数据的安 全性和可靠性得到提高，也使系统模块化设计成为可能，增强系统的易扩展性，提 离露维护性。因此，结合s 嘲鲢功能需求，设计一释基于嵌入式以太霹技术、 分布式数据采集和集中管理相结合的简易型航行数据记录仪，是具有现实意义和价 值魏。 在s w d r 所需记录的数据中，虽然多数传感器都有满足国际标准协议的数据 输出端，但船舶自动识别系统c 越s ) 数据，g p s 数据以及船上大量的旧式设备，如速 度计程仪，匿声探溅仪等鲶数据，是通过粥。2 3 2 串鼷输出的。本文霹在诧基础上， 设计了应用于s v d r 系统的嵌入式串口服务器，将分散于船舶各处的r s 2 3 2 串口 设备快捷方便酶联入采用以太隧进行内部数据簧输的s v d r 系统，方便实现实时 数据采集、盘动化控制、远程管理等。 1 2 工作环境与要求 船舶主电源将交流2 2 0 v 船电转换为2 4 v 直流电供给船上的电子设备，备用电 源为2 4 v 直流电，要求电子设备能应用于2 4 v 的供电输入。 船用电子设备的工作环境会出现很恶劣的情况。海上环境复杂，多雾潮湿，风 浪大。为了适用于船舶的特殊环境，通常需要对船用电子设备做一些特殊处理。比 如，会在其表层涂利层特殊物质以防潮，这样势必影响设备的散热，长期下去就 会影响设备的整体性能。这就要求船用电子设备尽量采用低功耗设计，减少散热量， 保证自己耨萁德设备的芷鬻运行。同时，要求设备有良好的可靠性帮抗予扰性，在 风浪侵袭和船舶振动等情况下均能正常工作。且能适应较宽的工作温度范围。 1 3 研究现状分析 在近距离传输中，串行遴信易于维护帮实现并量具有较好的数据传输性能，应 用广泛，船舶中有大量旧式串口设备。但是串行通信本身具有传输速率低嘲，传输 距离短的缺点，在传输距离翻可靠性方面存在较大的局限性。随着h l t e 臌烈的普及 和发展，由于其传输速度快，传输距离远，可靠性高，可与多台主机通信等优点， 已经成为非常重要的通讯方式。在这种趋势下，以t c p 佃和以太网为代表的开放 式网络技术，正逐渐应用子各个行业，连接并控制所有的设备。 由于串口设备硬件费用低，性能可靠，维护方便，至今仍有广泛的应用。为了 避免投入大量人力物力对这些传统串灏设备更换或舞级，需要综合串行通信和鼹络 传输的优点，寻求个经济，快速的解决方案，让现有的串口设备具有联网功能， 采用网络管理系统进行数据传输和管理。 通过在现有的串口设备上添加嵌入式设备，可以让串口设备实现网络连接，使 原本不具备联网功能并分散各处的串口设备立即连入到网络中，充分利用现有的 砥m e l 资源进行数据传输和管理。巨前，投入串口服务器研究的公司逐渐增多。以 下介绍一些比较典型的公司的研究情况【6 】： ( 1 烨o x a 公司 该公司的n p o r t 串口设备联网服务器具备c p u ，实时操作系统和t c p m 协议， 可以方便的在串日和以太网之间进行双向数据传输，是独立的基于i p 的网络设备， 工作温度范围5 5 0 c 嘎 2 0 ) l 蜘矬议公词 该公司的x p o r t 嵌入式设备服务器，体积为般人的拇指大小，为串行设备提 供完整的网络解决方案，采用d s t 越e x 增强版1 6 位处理器，频率为4 8 m 眦或者 8 8 m h z ，基于x 8 6 构建，接受3 3 v d c 的供电输入。x | p o r t 的蹲络接口为l 饼1 0 0 m b p s 自适应，具有弹性，完善发展的口协议栈，使用2 5 6 位a e s 加密以保安全通讯， 肉鼹溺页服务器，可透过s m 涩，r 融，琢帮及串蜀进行管理阎。 ( 3 ) 周立功单片机 该公司的多串隧设备联网服务器具有近十种配置方式和多种工作模式，用户可 以不用做任何开发工作就完成网络应用。代表产品有n e t c o m 8 0 0 s ，具有l 钟l o o m 自适应以太网接口，8 个r s 2 3 2 串口，通信波特率达2 3 0 。4 k b p s ，具有t c ps e r v e r ， w pc l i e n t ，u d p 和凡溢c o m 等多种工作模式，其中的r 髓lc o m 模式可让用户 的串口设备无缝升级至以太网通讯方式，而无须修改原有的串口软件。工作温度范 围嘶5 。e f 9 l 。 从各公司的研究现状可以看出，市面上的串口服务器大多采用1 6 位处理器， 工作温度范围较窄，功能方藤不尽完善，价格上也很高，从干元至万元不等。主要 应用于工业自动化，门禁系统，智能小区，智能交通管理，p o s 消费系统，楼字自 动化，智能家居系统，远程数据采集与控制等领域。 除公司之外，诲多高校和研究所也进行了串口服务器的研制开发。西南交通大 学和浙江大学均进行了相关研究，采用3 2 位删7 t d m i 处理器作为处理核心； c l i n u 】( 操作系统作为软件平台；外部扩展f 淞s h 存储器用以存放应用程序、嵌 入式操作系统以及其他在系统掉电后需要保持的用户数据等；扩展s d i m 存储器 用于嵌入式操作系统及各种褶关复杂算法的运行要求；井加以太蹭a 蠡盏c 控制器和 物理层接口e p h y ，将设备接入网络【6 1 们。此类设计大多采用三星公司民用消费类 c 附s 3 c 碡5 l o ，不适用于船用的恶劣环境；采用豹c l 遮馘操作系统，愚开源型操 作系统，系统工作不稳定，且对资源要求比较高。此方案设计的串口服务器能满足 相关功链要求，僵是结构毖较复杂，成本较高，不能直接应震予船舶环境。 因此，需要“量身打造 适用于船用环境的嵌入式串口服务器。对此而言，最 为重要的有三点：( 1 ) 能应用于船舷的特殊工作环境中，能在恶劣的条件下正常工作。 ( 2 ) 功能实现方面，希望通过合适的技术实现功能完善、性能优异的系统，且便于船 上安装和维护，易予扩展。( 3 ) 低成本。市面上生产的串口服务器并不能满足船用的 特殊需求。因此，量身打造适用于s d r 系统的串嗣服务器是具有实际意义和实 用价值的。 应广州北雁通导信息系统有限公司的要求，本文将针对s - v d r 现状和技术性 能要求设计结构简单、成本低、易扩展的船用嵌入式串翻服务器。该设计选用低成 本低功耗硬件方案，采用嵌入式以太网技术，使系统满足海事产品的可靠性、安全 性设计要求，其模块化设计可灵活地实现分布式数据采集，使系统便于安装、易于 扩展。 ， 。1 4 i 主要研究内容 论文设计的船用嵌入式串口服务器是一个能为船上的r s - 2 3 2 串口设备提供联 网能力的设备联网雒务器。系统主要实现主机和串譬设备闻数据的过滤与转发，将 麟。2 3 2 串阴数据转换成t c p 佃协议网络数据，实现串阴数据流的透明传输。 本论文完成船用嵌入式串口服务器的完整设计，主要包括硬件平台设计、固件 程序设计、主机端设备驱动程序设计三个方面。 ( 1 ) 以1 6 位h c s l 2 系列微控制器为核心搭建低功耗硬件平台，为以太网与串口 设备闻酶数据转发处理提供强劲的硬件性麓支撑。 ( 2 ) 裁剪并移植适应于硬件平台需求的开放式协议栈0 p e n t c p ，利用o p e n t c p 协议栈的离性能和离协同工作效率，方便、稳定、可靠的完成s w d r 数据的采集、 格式转换和数据传送等任务。 ( 3 ) 主机方以戳n d o w s w d m 驱动程序的方式虚拟串髓设备，避免原有串口应用 程序的修改工作；虚拟串口驱动程序与两卡驱动程序间通过t ( 传输驱动程序接目) 相连。 1 5 论文结构安排 该论文安排上分为五个部分：系统总体设计、硬件平台设计、设备固件程序设 计、设备驱动程序设计、测试和总结。 系统总体设计即第二章，介绍了s v d r 系统的结构，说明了本设计所徽的工 作，提出了需要解决的关键问题以及相应的解决方法。 硬件平台设计即第三章，介绍了系统所采用的处理器、串口扩展芯片和其他外 围电路的具体连接和使用；并分析了系统工作时的电磁环境，据此提出提高硬件可 靠性设计的相关措施。 设备弱件程序设计即第鲻章，具体分析了o 阐t c i p 协议栈，实现了0 p e n t c p 4 硕士学位论文 m a s 了e r st 王| e s l s 协议栈在硬件平台上的移植、串岛扩展芯片g m 8 挖5 豹控制，荠对整个设备数据转 发程序进行了描述。 设备驱动程序设计即第五章，阐述了砌o w sw d m 驱动程序的总体结构，对 w d m 驱动程序的分层结构、组成、装载顺序做了具体描述，详叙了虚拟串口设备 驱动的开发方法、步骤，以及虚拟串阴驱动程序和网卡驱动程序之间的连接方式， 并介绍了驱动程序的加载方式。 测试和总结即第六章，编写p c 端测试程序，对设备进行功能和性能测试；总 结论文所作工作，麴纳不足并提毒进一步的工作方向。 第二章系统总体设计 2 1s - v d r 系统结构介绍 嗣际海市组织默o 对s 均爻的性貔要求比较严格，但对其实现方法楣对来说 是比较开放的。根据船舶航行数据信息的分布情况，初期研制的大部分v d r 系统 都采用集审控制方式【l l 】。集中控制的记录方式便于信息的分析和综合，容易实现整 个系统的最优化控制。但是单台计算机的集中控制把危险也集中了，一旦计算机出 现故障，将导致全面失控；集中控制的回路和运算量很大，单台计算机的速度和容 量制约了控制数量和质量；随着控制水平的提高，新要求不断提出，软件越来越复 杂，增加了软件开发的难度，延长了开发周期。集中式控制方式的缺陷，促使控制 囱分散式发展。 s v d r 系统采用现场分散控制与集中存储相结合的嵌入式计算机控制系统结 构，采用以太露方式进行内部数据传输，这可为大量数据的传输提供足够的带宽， 保证数据传输的可靠性。综合s v d r 系统需求和其他公司的s w d r 设计方案，整 个s ) r 系统可分为四个部分：供电子系统、分布式数据采集子系统、 删h a 撼e 瓣dv o y a g er 船。西神子系统、回放子系统。图2 1 是s d r 系统整体框 图。 其中，数据采集子系统南多个摸块组戒，它们分布在船舶的不冠位嚣上，各自 独立互不干扰的进行各类数据采集。本文完成嵌入式串口服务器部分的设计，将船 舶上的r s 2 3 2 串口设备联入以太网，完成r s 艺3 2 串口数据和以太网数据间的转换 和转发，方便地实现实时串髓数据采集、传输，并利用网络进行自动化控制和远程 管理。 6 硕士学饿论文 氛l a s t e r s 下| | e s l s 图2 1s - v d r 系统整体框图 2 。2 关键问题及解决方法 船用嵌入式串髓服务器是应用于s v d r 系统的一个低功耗嵌入式系统，需要 在恶劣的环境中正常工作，且便于安装和维护。在设计中，目前有很多芯片和软件 系统可供选择，僵要达到顼霹所需的要求，满足实际应用需求，就必须根据需要认 真选择一个较好的方案。 本设计中，作者认为关键的闻题有以下凡个： ( 1 ) 低功耗系统 由于船用嵌入式串口服务器应用予船舶环境中，其表面做了防潮处理，内部热 量难以传导，环境温度过高或者过低都会影响整个s ) r 系统的工作，降低整个 系统的可靠性。因此处理器和外围芯片尽量采用低功耗芯片，达到低功耗和高性能 的完美结合。 要满足低功耗的要求，需要从以下几个方面考虑： 在考虑嵌入式处理器性能的基础上选择低功耗的处理器； 接口驱动电路的低功耗设计，包括上拉电岍拉电阻的选用、对悬空脚的 处理、b u f f e r 的必要性等； 动态电源管理，在系统运行期间通过为系统时钟或电压的动态控制来达到 7 节省功率的霹的，包括选用不同豹工作模式、关闭不必要鲍外设控制器等； 比较选择低功耗的电源供给电路。 ( 2 ) 能同时处理多个数据采集点的数据并传输 由于s v d r 系统需要采集多个且分散于船舶各处的不同的串墨设备数据，各 个串口设备任何时候都可以向s v 】) r 存储子系统要求存储数据。因此在软件设计 上，根据融身资源和需求选择一个合适斡嵌入式零c 鞭臻协议栈是技术关键。 o p e n t c p 是个开放源代码的免费协议栈，从嵌入式系统的应用出发，对t c p m 协 议栈作了合理的简化，使用较少躲资源藏基本上实现了整个弼辫p 协议族，并提 供了s o c k c t 编程接阴。能保证处理能力、响应速度、可靠性和稳定度，并且缩短7 软件开发周期。 ( 3 ) 可靠、高速、方便的数据传输接口 对于嵌入式串口服务器而言，数据传输的速度是很重要的。一个好的数据传输 接弱包括硬件接口、传输协议等，这将直接影响到设备的方便性、可靠性、高速性、 可扩展性等。目前工业上各种数据传输标准，都可以通过专用通信线在远方采集现 场设备的数据、进行远程显示昶控制。但是，需要专用的通信会质，例如r s - 4 8 5 、 l o m 旧舾、c a n 、电力线等等，也需要自己编写通信协议和配套的软件，还要自己 设计接口硬件。于是作者选用了目前流行的以太网络接口。t c p 职协议是公开的， 其通信协议非常的完善，对它的各种支持也最多。而且潋太网传输速率非常高，可 以达到1 0 m 甚至l o o m 。完全可满足该设计的要求。 鳓宽瀣度范霉口o 。c 0 8 5 。c ) 、抗干扰性能好 由于应用于s _ v d r 系统，必须能在各种恶劣环境下正常工作，所以应该选用 工业级或者军品级芯片。 2 。3 系统总体结构 根据需求，设计船用嵌入式串口服务器的总体结构如图2 2 所示。首先设计满 足船用电子设备的应用环境要求和功能要求的硬件平台，此平台具备r j 4 5 接头和 多个r s 0 3 2 接口，能将设备联入以太髓，并能连接多个r s - 2 3 2 串口设备；在硬件 平台基础上，开发设备固件程序，基于t c p 佃协议栈，设计数据转发程序，实现 串瑟设备数据和霹络数据的转换和转发；在主祝端开发虚拟事瑟驱动程序，使主巍 端原有的串口应用程序不需做任何修改，就能直接操作船用嵌入式串口服务器所连 接的各个串口设备。 8 硕士学蚀论文 m a s t e r st 秘e s i s 僻i p l 一数据转发 协议栈r 1 1 程序 设备嗣件程序 硬件平台 r j _ 4 5 接口r s 一2 3 2辍 _ 2 3 2 嚣 以太阏串口设备帛口设各 主梳灞 1 虚拟串口驱动程序 p c 端 串口应用程序 图2 2 总体结构图 9 硕士学位论文 糙a s 了e r s 下嚣e s l s 第三章硬件平台设计 3 1 嵌入式处理器选型 鹭翦基于嵌入式处理器的以太网设备多采用m c u 娟缎e 及 p h y + f l a s h + s r a m ( s d r a m 卜其他外设的方案进行设计【埘，这类多芯片以太网解 决方案成本高，结构复杂，系统开销大，可靠性和稳定性都不理想。 本设计中，选用飞思卡尔( f r e e s c 甜e ) 公司( 原m o t 0 l a 半导体部门) 在2 0 0 4 年推 如的一款1 6 位微控制器m c 9 s 1 2 n e 6 4 ( 以下简称n e 6 4 ) 。n e 6 4 是一款针对以太网 应用的高性能嵌入式处理器，片上集成了1 0 m ，l m 自适应的以太网控制器( e m a c ) 和物理层收发器( e p h ，支持所有的标准以太网，快速以太网以及其他全双工标准 模式的连接，具有8 k 涨和静kf 淤s 至差，并且带有2 个串行通信接露( s c 玲。熊 方便地实现单器件以太网连接。适用的工作温度范围为4 0 0 c 1 0 5 0 c 。 套范6 4c p u 速度可达5 0 m 舷，总线时钟可达到2 5 硼娩。基予强大的h c s l 2 内 核，具有优化的指令系统，与m 6 8 h c l l 指令集向上兼容，采用f r e e s c a j e 的o 2 5 闲存工艺，可以为需要更大内存、更多外围设各和更高性能的应用提供从6 8 h c 0 8 、 6 8 h c l l 和6 8 h c l 2 体系结构的升级移植。 n e 6 4 具有优良的性能和低廉的价格，可被广泛应用于网络设备、工业控制、 安全系统、照明控制、电源监控以及自动售货机远程接入系统等方面，实现单芯片 以太网解决方案。 基予l 两建处理器m c 9 s l 焱e 6 4 的设计方案，与同等功能的多芯片方案比较， 具有体积小、结构简单、集成度高、可靠性好等优点，且适用的温度范围较宽，与 会适的k 到登协议栈缝合能使硬件和软件开发成本较低，性价毙离，有效缩短了 开发周期，有利于市场竞争。 3 2 硬件平台整体结构 船用嵌入式串躁服务器主要完成船舷上串目设备与以太网闻交流数据的过滤 与转发。根据其功能要求确定其硬件结构原理图如图3 1 所示。 l o 硕士学位论文 撼a s t 嚣殳s ，h e s l s 电源熊理模块k 黧令 爿 晶振 复位电路 1 一 卜 1 6 位 r 辩5 以太网接口 h c s l 2 系列 c p u 掰e 鳃1 2 n 秘 翻一模块 b d m 调试接口 儿卜 晰 多串口扩展 ，一1n r l 爿n 串行援翻组 图3 - l 船用嵌入式串口服务器硬件结构原理图 基本组成模块主要有：微处理器m c u ，采用衙e e s c a l e 公司生产的h c s l 2 内核 m c 9 s 1 孙汜6 4 微控制器；1 0 m 1 0 0 m 以太网接口，n e 6 4 集成了e m a c 和聊h y 层， 麓蜜适应选择1 0 m 或1 0 0 m 网络，与网络隔离变压器鲇4 5 以太嘲墨相连；电源处 理模块，选用t e x 鹪i n s 仃i l 瑚e n ：t s 公司的d c d c 转换器心压2 5 7 5 ，将船舶上的2 4 v 供电转换成3 3 v ，供整个系统使用；晶振，采用外部2 5 m k 宽湿度范凰晶振，配 合m c 9 s 1 2 n e 6 4 内部皮尔斯振荡器，及自带的锁相环，为系统提供稳定可靠的时 钟源；b d m 接口，可以对芯片内部所有部件进行访问，通过该接口可以对系统进 行编程、调试等；秘r o m 模块，采用触m e l 公司的2 线串行班浮购m ，用来存 储n e 6 4 的相关配置信息，即i p 地址、子网掩码、网关、m a c 地址；多串口扩展， 用嚣片劂8 1 2 5 扩展出1 0 个串口，以满足同时连接多愈串口设备的需要。 3 3 主控系统及接口电路设计 3 3 1m c 9 s 1 2 n e 6 4c p u 简介1 1 3 l 船用嵌入式串躁服务器的系统核心是风e s e 越e 公司生产的基予h e s l 2 内核的 1 6 位微控制器m c 9 s 1 2 n e “。该微控制器在中低端网络应用领域中能取代以往的 外扩芯片模式i 能够方便地实现单器件以太网连接，构成一个完整的终端节点。具 有低成本和高性能的特点。 m c 9 s l 孙m 6 4c p u 速度可达5 0 m k ，总线时钟可达2 5 m h z 。具有8 黧m 片内静 态& 气m 和甜薹国片内f 王a s h ，外部总线具有2 0 撮地址线和1 6 报数据线，并具有 多种工作模式，因此只是一块n e 6 4 ，就能完成单器件以太网连接，可以极大的降 低成本。 软件方面，m c 9 s 1 孙咂6 4 基于强大的h c s l 2 内核，与m 6 8 h c n 指令集向上兼 硕士学位论文 孰a s t e r st h e s l s 容，具有优化的c 语言体系结构，可以生成+ 分简洁的代码。寻址模式灵活，可实 现高效的指针操作和循环控制。还能为需要更大内存、更多外围设备和更高性能的 应用提供从6 8 h c 0 8 、6 8 h c ll 和6 8 h c l 2 体系结构的升级移植。 n e “具有以下资源：8 k 蛋溘m 和6 4 kf l a s he e p r o m ；8 通道1 0 位模数转 换器( a d c ) ；4 通道1 6 位定时器( 1 1 m ) ；2 个串行通信接口( s c d ；1 个高速串行外设 接 l ( s p d ；1 个具有2 5 6 种时钟速度选项的i l c 接口；使用锬相环的时钟和复位发 生器( c i ；可扩展总线接口 其内部功能模块框匿如圈3 ，2 所示。 图3 2m c 9 s l 孙限6 4 内部功能模块框图 n e 6 4 片内具有8 k b 静态r 刽m 翻6 4 k bf l a s h ，复位后$ 。$ 3 f f f f 范围内 为寄存器空间，$ o o o o $ 1 f f f f 范围内为7 k 洲( i k 洲隐藏在寄存器空间后) 。 此外，n e 6 4 内部还集成了1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网控制器饵m a c ) ，内置标准 的媒介独立接口圆鳓，符合掇e e 8 娩3 标准，可以实现地址识别及过滤、以太类型 过滤，支持半双工和全双工通信，具有和8 k b 黜m 共用可调节容量的e m a c 缓冲 区，包括一个发送缓冲区| 和两个接收缓冲区。范6 4 的蝴以2 倍于c p u 的速度 运行，使得c p u 和e m a c 缓冲区可以交叉存取数据。 n e 6 4 内部还集成了物理层收发器但p h d 。支持所有的标准以太网，快速以太 阿及其他全双工标准模式的连接，支持l o m b 和l o o m b 速率，支持自动协商模式， 并具有自诊断功能，可以满足不同物理环境的要求。 n e 6 4 芯片与一般两卡芯片静不同之处在予它的以太网缓冲区昀设计。一般霹 卡芯片使用f i f o 作为缓冲区，这种设计可以最大限度的发挥缓冲区的作用；而n e 6 4 则采用3 段删傺为缓冲区，两段用于接收，一段用于发送，删大小还可以赉 1 2 用户设定。由于它只是用于控制，以太网数据包一般较少用到1 5 k b 的最大传输， 所以这种用户设定大小的缓冲r a m 带来了应用上的灵活性，而节约下来的洲 也可以被用户程序使用。 n e “采用3 3 v 供电，具有8 0 引脚t q f p e p 和1 1 2 引脚l q f p 两种封装形式。 本设计中采用1 1 2 引脚封装形式的n e 6 4 ，有多达7 0 个通用输入输出( i o ) 引脚和 1 0 个输入回引脚。 3 3 2m c 9 s 1 2 n e 6 4 存储管理 m c 9 s 1 2 n e 6 4 的模块映射控制块管理( m m i ，) 管理处理器的地址映射，用户 可以通过配置m m7 模块的相关寄存器选择合适的存储映射方式。其典型的地址映 射如图3 3 所示。 寄存器映射到$ o o o o $ 0 3 f f 空间；8 k br a m 映射到$ 2 0 0 0 $ 3 f f f ；剩下的4 8 k b 空间用于映射f l a s h 。最低1 6 k bf l a s h 映射到$ 4 0 0 0 $ 7 f f f ，最高1 6 k b f l a s h 映射到$ c 0 0 0 $ f f f f ，剩下$ 8 0 0 0 $ b f f f 地址空间称为页窗，用于分页访问 剩余的f l a s h 。系统通过页寄存器区分访问哪个“页”。 事 潮 j 目 可 ，粥噼， 么囝= 篡一射 h o r i le 瞄强n d s p e c 墉l 翻吼ec h p8 i n a i l ec h i p 图3 3m c 9 s 1 於咂6 4 典型存储映射 1 3 一 一 l l 洲 一 觥一 一；三 = = 一 = 囝目目囝囝 三 j 一么 硕士学位论文 知披s t e r s + 珏e s l s 基于m c 9 s 1 2 冬澄繇的主控系统主要包括以下几个部分：电源处理模块、复位电 路和时钟电路、b d m 接口、以太网接口、e e p r o m 模块、多串口扩展、串口驱动 电路等。 在系统硬件设计的时候要特别关注的一点是船舶主体是导体，船上地都是浮 地，因此供电和输入信号接口最好都做隔离处理，防止可能过高的电压差破坏系统 模块，引起故障。 3 3 3 电溺i 处理模块 s v d r 电源系统包括船舶主电源供电及带有自动充电设备的专用备用电源二 级供电系统。主电源可将交流2 2 0 v 船电转换为2 4 v 直流电，为整个系统供电。应 急电源为2 4 v 直流电。主电源和应急电源是s r 系统的外部电源。备用电源赉 两个1 2 v 的蓄电池和船用恒压恒流充电器组成，是s v d r 系统的内部电源。当 s v d r 主机和数据存储器发生停电事放，郎外部的主电源和应急电源都失电之后， 备用电源自动为系统供电，并保证系统正常工作时间大于2 小时，2 小时后记录将 自动停止。主电源、应急电源和备用电源切换过程中，可保证系统连续工作。 n e 6 4 内部采用模块化设计，需甍给各个模块分别供电，所有模块电源电压都 可以是3 3 v 。 由此可见，船舶上设备主要是2 4 v 供电，s v d r 系统也应用相同的电源，而 n e 6 4 核心系统采用3 3 v 电源，因此需要将船舶上的2 4 v 电压转换成3 3 v 电压， 供给串口服务器系统。 在选取低功耗系统的电压转换结构时，有以下几种方式：( 1 ) 线性稳压( l i n e a r r e g 沮a ：妇，转换器；( 2 ) d e 幻d ：转换器；0 ) l d o ( l o wd 娥，一0 哟。其中l d o 本质上 还是一种线性稳压转换器，主要用于压差较小的场合，可以将其含并为线性稳压转 换器来谈。 对予线性稳压电压转换来说，其电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出 压差可以很大，但其致命弱点就是效率低，功耗高。其效率j 7 完全取决于输出电压 大小，且压差越大，可提供的最大输出电流越小。若采用线性稳艇电压转换电路， 本设计中输入电压为2 4 v ，输出电压为3 3 v ，压差为2 0 7 v ，假定输出电流为l a 的情况下，可以计算得出消耗在线性稳压器上静功率为 p 一y 簟乙= 2 0 4 y 1 彳= 2 0 4 ，效率仅为，7 = 3 3 幸1 2 4 幸1 毒1 0 0 = 1 3 7 5 。可见， 大半的功率都消耗在线性稳藤器上了。 1 4 d c 幻p c 转换器即直流变到直流( 不同直流电源值的转换) 转换器，一般常见的有 b o o s t 和b u c k 两种电路，前者用于升压，或者用于降压。d c d c 电路效率高，升降 压灵活，可以输出大电流，静态电流小，僵外围电路相对复杂，开关噪声较大。随着 集成度的提高，许多新型d c d c 转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容即可。 综合考虑转换效率、性能、成本和噪声等多个方面，设计中选用d c d c 转换器 强x a sb s 融l m e 潞公司的n 砭5 7 5 。其2 4 v 协3 3 v 电压转换电路如图3 0 所示。 ? 图3 42 4 vt o3 3 v 电压转换电路 l m 2 5 7 5 的输入电压为7 v 到4 0 v 之间，最大输出电流为l a ，转换效率为 7 5 8 8 ，根据输入电压值的不弱转换效率会有所不同，工作温度范围为 - 4 0 0 c 计1 2 5 0 c 【1 4 1 。使用l m 2 5 7 5 设计电源转换模块，可以有效地节约能量，降低整 机功耗。 船舶上的2 4 v 供电，通过d c d c 转换器l m 2 5 7 5 ，变成3 3 v 输出，分别供应 给6 4 各个模块。n e 6 4 各模块电源对分别单独与3 3 v 供电单点相接，主要的供 电线路上加电感或磁珠隔离。 3 3 4e e p r o m 鹳块 e e p r - o m 模块主要用于存储n e “的相关配置信息，使得用户能在应用程序端 将n e “的默认臻地址、子鼷掩码、网关、m a c 地址相关信息修改成用户所需的 值。 该模块用a t m e l 公司的2 线串行脱p r o m 芯片a 睨4 c 1 6 a 实现。触陀4 c 1 6 a 可工作于3 3 v 电压之下，用套隰6 4 的i i cs d a 和i i cs c l 弓| 脚分别控制朋泫4 c 1 6 a 芯片的s d a 和s c l 引脚，双方采用i i c 总线通讯方式，s d a 和s c l 引脚分别接 1 0 k 上拉电阻，控制方便简单。 3 3 5b d m 接口 b d m ( b a c k g r o u n dd e b u gm o d u l e ，背景调试模块) 是由f r e e s c a l e 半导体公司推出 1 5 硕士学位论文 融s 下e r st 王 e s l s。 的一种单线( s 遗g l e 嘲调试方式，是目前单片机普遍采用的调试方式之一。b d m 调试方式为开发人员提供了底层的调试手段，开发人员可以通过它初次向目标板下 载程序，同时也可以通过b d m 调试器对目标板m c u 的f l a 虫进行写入、擦除等操 作。用户也可以通过它进行应用程序的下载和在线更新、在线动态调试和编程、读 取c p u 各个寄存器的内容、单片机内部资源的配置与修复、程序的加密处理等操 篓? ，而这些仅需要向c p u 发送几个简单的指令就可以实现，从嚣使调试软件的编 写变得非常简单。 b d m 硬件调试接口的设计也j 常简单，关键是要满足透信时序关系和电平转 换要求。h c s l 2 系列的b d m 只需6 个引脚，仅需给b d m 模块提供b k g d ( 背景接 口引脚) 信号即可，其接口引脚定义如图3 5 所示。 b 釉，、 l20 。 l 司 34v _ 。 56ov c e 图3 5b d m 接阴引脚定义图 3 3 6 驳太阏接瑟电路 n e 6 4 内置1 0 m 1 0 0 m 囱适应以太网控制器( e m a c ) 和物理层收发器( e p h y ) ， 在接入以太鼹时，需要一个提供l ：l 比率的发送和接收信号的隔离变压器，以避 免m c u 与以太网相互干扰，再与r j 4 5 接头相连。隔离变压器与n e 6 4m c u 信号 线的连接如图3 6 所示。 瓢离受j k 器髓c 锻l 羔、e 酣0 l 辫 1 _ x ( 1 。 蕈 1 雌 段xc 1 i 嚣+ r 一 3 。3 、f 爨￥娶争 朋y 崩对 3 ，3 v 嘲￥辩p v 填x n 图3 。6 隔离变压器连接图 本设计中选用h a n r u i l 公司的耦合隔离变压器 玎鹌h1 0 8 a ，它是带改进反射损 耗特性的高速l 气n 电磁隔离模块，能避免以太网的反射损耗问题，该隔离变压器具 有r j _ 4 5 接头，可以直接连接双绞线以_ 接入以太网。具体的接墨电路如图3 7 所示。 网姆1 l 1 0 8 a 带有2 个l 默) ，跟n e 6 4 的i 胍i ，e d 、a c t l e d 引脚相连，来指 示网络的连接情况期活动情况。 1 6 硕士学位论文 m a s t e r