（计算机系统结构专业论文）基于rs485can总线嵌入式网关的设计与实现.pdf

曩 y j ， 原创性声明 本人声明：所_ 罕i 交的学位论文是本人在导师的指导。f 进行的研究【：作及取得的研究成 果。除本文已经注明 - 3 i 川的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得凼墓直太堂及其他教育机构的学位或证。b 而使用过的材料。与我一同f ：作的同 ：占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明剪表示谢意。 ! 学位论文作者签名： 日期： 指导教师签名： 日期：地笸：壁 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，作者在学期间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： 日期： 内蒙占大学硕f j 学位论文 基于r s 一4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 摘要 物联网已经慢慢融入到我们的日常生活，所谓物联网就是指将各种信息传 - 感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，进行信息交换和通讯，以实 现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。基于这样的现状本文通 过设计智能家居系统的嵌入式网关来对物联网进行一些深入的了解。 本文在总结前人研究成果的基础上将先进的嵌入式技术、总线技术、网络 技术和无线传输融合在一起，提出了一种基于r s - 4 8 5 总线、c a n 总线的嵌入式 网关设计方案。本方案可通过r s 一4 8 5 总线、c a n 总线、g p r s 和以太网相互通 信来实现对不同接口设备数据的转发，进而对各总线上的模拟家电设备进行控 制和监测。 本文分析了当前国内外嵌入式网关的现状和未来发展方向，介绍了软硬件 平台以及总体设计方案，给出了系统硬件构成，详细描述了网关的软件设计。 其中网关硬件采用u p n e t a r m 2 4 1 0 - s 嵌入式开发硬件平台，嵌入式l i n u x 操作 系统作为软件平台，内核采用嵌入式l i n u x 2 4 1 8 。驱动程序用到了r s 一4 8 5 接口驱动程序、c a n 总线接口驱动程序、g p r s 接口驱动程序和以太网口驱动程 序。网关应用程序利用a r m 一1i n u x g c c 进行交叉编译，然后将编译好的可执行 ， 文件上传到u p n e t a r m 2 4 1 0 一s ，客户端采用v c6 0 作为编程环境，利用u d p 协议实现数据的网络传输。 应用本系统可通过以太网远程p c 终端和手机对各总线上的节点设备进行 监测和控制。 关键词：嵌入式网关，$ 3 c 2 4 1 0 x ，c a n ，r s 一4 8 5 ，g p r s 基于r s 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f e m b a d d e dg a t e w a yb a s e do n r s 一4 8 5 c a nb u s a bs t r a c t i n t e m e to ft h i n g sh a sb e e ns l o w l yi n t e g r a t e di n t oo u rd a i l yl i f e ，t h es o c a l l e d i n t e r n e to ft h i n g sm e a n st h a tt h ev a r i o u si n f o r m a t i o ns e n s i n gd e v i c e sc o m b i n e d w i t ht h ei n t e r n e tw i t c hf o r m e dah u g en e t w o r k ，i te x c h a n g si n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t e st or e a l i z ei n t e l l i g e n ti d e n t i f i c a t i o n ，l o c a t i o n ，t r a c k i n ga n dm o n i t o r i n g a n dm a n a g e m e n t b a s e do nt h i ss t a t u s ，t h i sp a p e rt r i e st os i m u l a t et h eg e t w a yo f s m a r th o m es y s t e m st os t u d yi n t e m e to ft h i n g sd e e p l y b a s e do np r e v i o u s sr e s e a r c ht h i sp a p e rg e t sa d v a n c e de m b e d d e dt e c h n o l o g y , b u st e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , w i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yt o g e t h e r , a n d p r o p o s e dae m b a d d e dg a t e w a yd e s i g ns c h e m ew h i c hi sb a s eo nr s 一4 8 5b u sa n d c a nb u s t h r o u g hc o m m u n i c a t i o na m o n gr s 一4 8 5b u si n t e r f a c e ，c a nb u s i n t e r f a c e ，e t h e m e ti n t e r f a c ea n dg p r s ，t h i sd e s i g nc a ，n a c h i e v et h em u t u a l c o n v e r s i o no fd i f f e r e n ti n t e r f a c ed a t a ，a n dt h e nc o n t r o la n dm o n i t o rt h ed e v i c eo n b u sn o d e f i r s tt h i sp a p e ra n a l y z e dt h ei n t e r n e to ft h i n g s c u r r e n ts t a t u so fd o m e s t i ca n d i n t e m a t i o n a la n di t sf u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，d e s c r i b e dt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep l a t f o r m s ，a n dd e s i g n n e dp r o g r a m s ，d e s c r i b e dh a r d w a r es t r u c t u r ea n d s o f t w a r ed e s i g n t h i sg a t e w a yu s e su p - n e t a r m 2 4 10 一se m b e d d e dd e v e l o p i n g p l a t f o r ma st h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma st h e i 气、 一 、 内蒙古大学硕f ：学位论文 s o f t w a r ep l a t f o r m w h o s ek e r n a lu s e dl i n u x 2 4 18 d r i v e r sc o n t a i nr s 4 8 5i n t e r f a c e d r i v e r , c a ni n t e r f a c ed r i v e r , g p r si n t e r f a c ed r i v e ra n de t h e r i cd r i v e r t h em a i n p r o g r a m m i n go fg e t w a yi sc r o s s - c o m p i l e db ya r m l i n u x g c cc r o s s c o m p i l e ra n d t h e nu p l o a dt h ee x e c u t a b l ef i l e st ou p n e t a r m 2 410 一s ，t h ec l i e n tp r o g r a m m i n g u s i n gv c 6 0a st h ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ，u s i n gu d p p r o t o c o ld a t an e t w o r k t r a n s m i s s i o n u s e r sc o u l dc o n t r o la n dm o n i t o rt h en o dd e v i c eo nt h eb u sf r o mi n t e m e tc li e n t a n dm o b i l ep h o n eb yt h i ss y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ，$ 3 c 2 410 x ，c a n ，r s 一4 8 5 ，g p r s 基于r s - 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 一一一l 。l 一一一 i v _ t 内蒙占大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录j v 图表目录v i i 第一章绪论1 1 1 研究背景_ 1 1 2 国内外现状1 1 3 研究目标一2 1 4 研究内容一2 第二章硬件和软件平台4 2 1u p n e t a r m 2 4 1 0 一s 开发板介绍4 2 2 开发硬件环境4 2 3 软件开发平台的建立5 2 3 1格式化f l a s h 存储器5 2 3 2b o o t l o a d e r 的编译与安装6 2 3 3 内核定制6 2 3 4 文件系统制作6 2 4 交叉编译6 第三章总体设计方案9 3 1 整体架构9 第四章系统硬件设计1 2 4 1硬件设计方案12 4 2 网关硬件设计1 2 4 3 网关r s 4 8 5 总线接口1 4 4 4 网关c a n 总线接口15 v 基于r s 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 4 5 网关g p r s 接口16 4 6 网关以太网接口1 7 第五章软件设计l9 5 1 软件总体设计19 5 2 内核配置与驱动程序19 5 3 软件主要模块介绍2 1 5 3 1网关c a n 总线接口模块2 1 5 3 2 网关r s 4 8 5 总线接口模块2 5 5 3 3g p r s 模块程序设计2 9 5 3 4 数据转发程序设计3 0 5 3 5 设备信息维护3 5 5 3 6 服务器端程序设计3 6 5 3 6 远程客广端控制模块程序设计3 8 第六章总结和展望4 1 5 1 总结4 1 5 2 展望4 1 参考文献4 3 致谢4 5 v l 内蒙古大学硕士学位论文 图表目录 图2 1系统开发硬件环境图5 图3 1系统功能结构图1 0 图3 2 系统整体层次结构框图1 1 图4 1 $ 3 c 2 4 10 x 结构框图13 图4 2r s 4 8 5 总线接口电路图1 4 图4 3c a n 总线接口电路图15 图4 4s i m 卡插座电路图l6 图4 5 16 c 5 5 0 控制部件电路图17 图4 6网卡接口电路图l8 图5 1系统软件结构框图1 9 图5 2内核编译配置选项2 0 图5 3m c p 2 5 1 0 体系结构图2 2 图5 4c a n 总线接口工作流程图2 3 表5 1r s 4 8 5 帧格式说明表2 5 图5 5r s 4 8 5 接口的程序流程图2 7 图5 6g p r s 模块的程序流程图3 0 图5 7 网关的数据转发程序流程图3 3 图5 8 面向无连接编程流程图3 7 图5 9 服务器端程序流程图3 8 图5 1 0 客户端工作流程图4 0 v i i 基于r s 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 v i l l 分 内蒙占大学硕。i j 学位论文 1 1研究背景 第一章绪论 物联网( t h ei n t e m e to f t h i n g ) ，就是“物物相连的互联网9 9 0 它是指通过射频识) ；i j ( r f i d ) 、 红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，把任何物品与_ 百联网连接起来， 进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网将 会是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第四次浪潮。目前物联网产业已被 中国正式列为围家五大新兴战略性产业之一。 物联网的发展涉及到嵌入式系统、传感器及传输数据计算等领域。嵌入式系统显然是其 中的“大脑“和“中枢神经”，物联网内的所有个体都需要嵌入式系统来传输和处理信息，嵌 入式系统的好坏将直接影响物联网的运做。嵌入式系统在物联网应用的重要作用已经越来越 引起人们的重视，对于嵌入式系统研究者来讲，其中有着巨大的发展空间。 物联网已经慢慢融入到我们的日常生活，应用物联网可以使我们的日常牛活和工作更加 灵活便利。据悉，海尔将在上海世博会期间展示其全球首款“物联网冰箱”，该款冰箱具有网 络可视电话功能、浏览资讯、播放视频等多项生活与娱乐功能，让原本属于牛活电器的冰箱 成为一个多功能娱乐中心。不仪如此，在通信、电力安全监控、安全防卫、医疗器械等行业， 物联网都已取得了实质性的进展。结合这样的背景本文尝试对嵌入式智能家居网关进行一定 的探索，在研究过程中，对嵌入式系统开发和网络通信技术能有更深入的认识。 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，适用于应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。【l 】因此，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i o 接口 等。软件部分包括操作系统( 0 s ) 和应用程序，应用过程控制着系统的运作和行为，而操作系 统控制着应用程序与硬件的交互作用。随着信息化、智能化，网络化的发展，嵌入式系统技 术已经广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、机器人等众多领域。 1 2 国内外现状 智能家居系统就是一个典型的物联网应用，早期的网络构成大多采用布线系统，将各个 智能设备直接连接到一个控制部件上，这样增大了控制部件的功耗和负荷。综合考虑，本文 基十r s - 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与芟蚬 引入了总线技术，将具有相同接口的设备连接到一条总线上形成总线局域网，然后再接入到 网关，来减轻网关的负荷。目前总线技术已经比较成熟，其中典型c a n 总线与r s 4 8 5 总线 已经广泛应用于工业，它们传输速度快，抗干扰性强，这使得实时控制变得非常容易。g p r s 是目前国内覆盖范围最大的公共无线网络，将g p r s 技术融入到网关可以是智能家具用户可 以随时随地监控家里的设备工作状态。 而且目前的总线网关大多都是监测性质的，即数据单向传输到总控中心。这样不利于远 程终端对设备网中特定设备实施控制。因此，在本次设计中加入了远程控制模块，使木网关 实现r s 一4 8 5 总线、c a n 总线与g p r s 模块及远程p c 之间传输数据，大大增强了智能家届系 统的性能。 1 3 研究目标 l 、实现将拥有总线接口的设备组成网络，将它们的监测数据、工作状态实时的、集中的 显示在嵌入式网关上，并且可以实现远程终端对网络设备的控制，这是跟传统的现场总线网 关最大的不同。传统的现场总线网关仪仪简单地完成数据的转发功能。利用微处理器强大的 运算能力，我们设计的网关还可将现场智能家居设备传送过来的信息按需求经过处理后通过 g p r s 发送出去，使用户通过手机实时的监测总线上智能设备的工作。 2 、实现远程终端对设备网中特定设备的控制。 主要实现以下功能： ( 1 ) r s 4 8 5 总线与以太网接口设备的信息通讯。 ( 2 ) c a n 总线与以太网接口设备的信息通讯。 ( 3 ) r s 4 8 5 总线与g p r s 模块的信息通讯。 ( 4 ) c a n 总线与g p r s 模块的信息通讯。 1 4 研究内容 l 、工作平台搭建 本实验选用u p n e t a r m 2 4 1 0 s 试验箱作为网关的硬件平台，该实验箱外设接口有 r s 4 8 5 接口、c a n 接口、以太网接口和g p r s 接口。根据设计要求搭建r s 4 8 5 总线及外围 的模拟智能家届设备，c a n 总线及外围的模拟智能家居设备，研究$ 3 c 2 4 1 0 x 的工作原理和 硬件接口，选用合适的节点设备作为总线上各个节点的控制部件。本文采用博创公司的 内蒙占大学硕十学位沦文 a t 8 9 s 5 2 作为c a n 总线的节点的控制部件，s p c e 0 6 1 a 凌阳单片机作为r s 4 8 5 总线的节点 控制部件。 2 、技术需求 学习r s 4 8 5 总线和c a n 总线技术，根据r s 4 8 5 总线的特性设计通讯协议；根据c a n 总线节点的设备，编制简单的c a n 总线通讯协议和数据格式；学习t c p i p 协议，并利用s o c k e t 编程实现远程信息交瓦；采用g p r s 模块a t 指令集来实现短信息的收发控制；熟悉单片机 的基本工作原理，以便对总线节点控制部件进行程序编写；研究多线程程序编写，多线程程 序可以提高应用程序响应时间，改善程序结构。 基于r s 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 第二章硬件和软件平台 2 1u p - n e t a r m 2 4 1o - s 开发板介绍 硬件平台选用北京博创公司的u p 。n e t a r m 2 4 1 0 s 开发板。该开发板是博创科技推出的 国内最强配置的嵌入式开发平刮。平台采用了基于a r m 9 架构的嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 x ， 在尽可能小的电路板上集成了6 4 m bs d r a m 、6 4 m bn a n df l a s h 、以太网卡、u s bh o s t 、u s b d e v i c e 、标准串口、液晶显示屏、调试口、g p sg p r s 扩展板、用户按键等丰富的硬件资源， 并且引出c p u 的大部分信号引脚。同时，它能够支持嵌入式l i n u x 操作系统和q t e m b e d d e d 图形库，支持用q t 编写的图形界面程序。通过这个平台可以针对$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器进行硬件 和软件开发，并且能够很方便地在该平台上进行相关的功能扩展，以及进行所需的产品设计 2 1 1 3 1 。 开发板上本文所涉及到的硬件的配置如下： 1 、c p u 为三星公司a r m 9 2 0 t 结构嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 x ，主频2 0 3 m h z ； 2 、6 4 m bn a n df l a s h 3 2 m b 2s d r a m ： 3 、a x 8 8 7 9 6 以太网卡，1 0 1 0 0 m 自适应： 4 、r s 4 8 5 总线接口； 5 、g p r s 扩展卡插座； 6 、c a n 总线接口： 7 、1 4 针、2 0 针j t a g 调试接口，主要用来调试程序。 2 2 开发硬件环境 通常，嵌入式系统开发环境的硬件有几个部分：宿主机、目标板、网线、串口线、并口 线、j t a g 卡。系统开发硬件环境如图2 1 所示。 4 内蒙占大学硕j j 学位论文 图2 1 系统开发硬件环境图 f i g u r e2 id i a g r a mo fh a r d w a r ee n v i r o n m e n tf o rs y s t e md e v e l o p m e n t 宿主机上运行l i n u x 操作系统，采用交叉编译器编译开发板的操作系统和文件系统。使 用j t a g 、串口、以太网线三根电缆连接丰机与开发板。j t a g 一般用做调试、连接仿真器和 烧写引导程序b o o t l o a d e r ；r s 一2 3 2 用来对开发板进行基本的输入和输出工作；以太网完成高 速的文件下载功能，也可建立n f s 文件系统提高软件开发调试的效率。我们在安装了l i n u x 的宿主机( p c 机) 上进行开发工作，然后通过串口、以太网口、j t a g 将应用程序烧写到目 标板( u p n e t a r m 2 4 1 0 s 开发板) 中运行。瞳1 除此之外，还需要对节点控制部件需要编译器和烧写器，本文采用u n s pi d e2 0 0 编辑 器对凌阳单片机s p c e 0 6 1 a 进行程序编写与在线烧入工作；采用k e i lu v i s i o n 2 编辑器对 a t 8 9 s 5 2 单片机进行程序编译，利用s u p e r p r om o d e l3 0 0 0 u 烧写器将程序烧写入a t 8 9 s 5 2 单片机。 2 3 软件开发平台的建立 2 3 1 格式化fia s h 存储器 连接实验箱后，输入命令“b o np a r t01 2 8 k1 9 2 k1 2 1 6 k4 2 8 8 k ：m6 4 7 0 4 k ”对实验台的f l a s h 进行格式化，其中p a r t 后的参数表示分区的起始地址。本实验台分为五个区，每个区的偏移 量分别为1 2 8 k ，1 9 2 k ，1 2 1 6 k ，4 2 8 8 k 和6 4 7 0 4 k 。 基于r s 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 2 3 2b o o t l o a d e r 的编译与安装 格式化完成后，在不断掉实验台电源的情况下，进行引导程序v i v i 的烧写。因为此时的 v i v i 存在于s d r a m 中。如果此时断电，只能用j t a g 进行v i v i 的烧写。输入命令“l o a df l a s h v i v ix ”，回车。 2 3 3 内核定制 输入命令“l o a df l a s hk e r n e lx ”，回车。将内核载入开发板，该内核为嵌入式l i n u x ，内核 版本2 4 1 8 。 2 3 4 文件系统制作 烧写根文件系统r o o t 前，必须重新启动实验台，否则会导致r o o t 烧写失败。输入命令“l o a d f l a s hr o o tx ”，回车。 2 4 交叉编译 所谓交叉编译，是指在一个平台上牛成另一个平台上的可执行代码。进行嵌入式系统的 开发的时候，目标板通常具有有限的存储空间和运算能力，比如常见的a r m 平台，其一般 的静态存储空间大概是1 6m b 到3 2 m b ，而c p u 的主频大概在1 0 0 m h z 到5 0 0 m h z 之间。 这种情况下，在a r m 平台上进行本机编译就不太可能了，这是因为一般的编译工具链 ( c o m p i l a t i o n t o o lc h a i n ) 需要很大的存储空间，并需要很强的c p u 运算能力。就此需求，交 叉编译工具就应运而生了。通过交叉编译工具可以在c p u 能力很强、存储空间足够的宿主机 平台上( 比如p c 上) 编译出针对其他平台的可执行程序。n 3 1 交叉编译需要在宿主机上安装对应的交叉编译工具链( c r o s sc o m p i l a t i o nt o o lc h a i n ) ，然 后用这个交叉编译工具链编译源代码，最终生成可在目标平台上运行的代码。常见的交叉编 译例子如下： 1 、在运行w i n d o w s 操作系统的p c 机上，利用a d s ( a r m 开发环境) ，使用a r m c c 编 译器，则可编译出针对a r m 架构微处理器的可执行代码。 2 、在运行l i n u x 操作系统的p c 机上，利用a r m 1 i n u x g c c 编译器，可编译出针对l i n u x a r m 平台的可执行代码。 3 、 在运行w i n d o w s 操作系统的p c 机上，利用c y g w i n 环境，运行a r m e l f - g c c 编译器， 6 塑茎堂奎竺婴上兰垡笙茎 可编译出针对a r mc p u 的可执行代码。 木次交叉编译使用的就是第二个例子，具体步骤如下： 第一步，解压安装包，设置环境变量。下载交叉编译器应用开发库a r m - e l f - g e e 一2 9 5 3 和 丰编译器a r m v 4 1 u n k n o w n 1 i n u x g c c 。 安装编译器a r m v 4 1 u n k n o w n l i n u x 。g c c ，配置环境变量，过程如下： e x p o r tp a t h = $ p a t h ：$ h o m e b i n ：o p t h o s t a r m v 4 1 b i n s o u r c e r o o t b a s h _ _ p r o f i l e 交叉环境安装完成后，开始编译程序，使其能在实验台运行。具体步骤如下： 编译程序 编写m a k e f i l e 文件 生成可执行文件：m a k e 2 、配置n f s n f s ( n e t w o r kf i l es y s t e m ，即网络文件系统) ，它是一个r p c ( r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ， 即远程过程调用) 服务，提供透明、体化的联机共享文件访问。可以让不同的主机通过网 络将远程的服务器共享出来的文件安装到自己的系统中，从客户端看来，使用的远程文件就 像是使用木地文件一样。在嵌入式中使用n f s 服务会使应用程序的开发变得十分方便，并且 不用反复烧写镜像文件。 在p c 机上点击丰菜单运行系统设置 服务器设置一 n f s 服务器，在目录中填入需要共享 的路径，在p c 机中填入允许进行连接的丰机i p 地址，并选择允许客户对共享目录的操作权 限为只读或是读写，其它设置为默认值。n f s 配置完成后，实验台就能挂载共享目录，可以 读写该共享目录中的内容。 3 、配置m i n i c o m 在l i n u x 下建立终端，输入m i n i c o m ，回车，进入m i n i c o m 启动画面，通过上下键选择 s e r i a lp o r ts e t u p ，进入端口设置界面，具体设置如下： a s e r i a ld e v i c e ：d e v t t y s 0 ( 端口号使用串口1 ) b l o c k f i l el o c a t i o n：v a r l o c k c c a l l i np r o g r a m ： d c a l l o u tp r o g r a m： e b p s p a r b i t s ：11 5 2 0 08 n 1 ( 波特率) f h a r d w a r ef l o wc o n t r o l ：n o 7 基于r s 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 g s o f t w a r ef l o wc o n t r o l ：n o 配置完成后，用串口线连接好p c 机和实验台，启动实验台，即可在m i n i c o m 上看到启 动信息。 4 、配置实验台i p 配置实验台i p 为2 0 2 2 0 7 1 5 3 9 ：i f c o n f i ge t h 02 0 2 2 0 7 1 5 3 9 5 、挂载丰机的共享目录： m o u n t - tn f s on o l o c k2 0 2 2 0 7 1 5 3 1 0 ：a r m 2 4 1 0 s h o s t 6 、拷贝程序 c pn e t c r o s s m n t y a f f s n e t c r o s s 川唰1 剀 内蒙古大学硕一f j 学位论文 3 1整体架构 第三章总体设计方案 本文以u p n e t a r m 2 4 1 0 s 为开发平台，加入存储、输入输出和网络控制器等外围部件， 组成嵌入式网关系统，实现手机、c a n 总线、r s 4 8 5 总线及以太网上数据的互相传输。整 个系统在嵌入式软硬件构架上实现。r s 4 8 5 总线上的信息和c a n 总线上的信息通过网关和 远程p c 通信，同时可以以短信的形式传输到远端手机用广；此外手机用户也可以通过短信 的形式把控制信息传输到c a n 总线和r s 4 8 5 总线。 本文需要以下硬件资源： 网关g p r s 接口； 网关c a n 总线接口； 网关r s 一4 8 5 总线接口； 网关以太网接口： u p n e t a r m 2 4 1 0 - s 开发平台。 2 0 1 1 2 1 2 2 1 下面对各个接口部件进行具体说明： 网关g p r s 接口：这个部件实现总线网关与远端手机的通讯功能，这部分实现信息的发 送。 网关c a n 总线接口：这个部件实现c a n 总线上设备信息的通讯功能，并实现接口与网 关信息的交互。 网关r s 4 8 5 总线接口：这个部件实现接收r s 4 8 5 总线上设备信息的通讯功能，并且实 现与网关的信息交互。 网关以太网接口：这个部件实现接收来来远端客户端的通讯功能，并实现以太网与网关 的信息交瓦。 u p n e t a r m 2 4 1 0 s 开发平台：当做网关来处理来自各个接口的数据信息。 下图可以很形象的描述网关的整体结构，系统功能结构图如图3 1 所示 9 基于r s 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 广 l 系统 i i i i i i l l i i l l i l i i i 图3 1系统功能结构图 f i g u r e 3 1s y s t e r nf u n c t i o i lb l o c kd i a g r a m 根据需求我们采用北京博创兴业科技有限公司的u p n e t a r m 2 4 1 0 s 嵌入式开发平台、 嵌入式l i n u x 操作系统和a r m v 4 1 一u n k n o w n l i n u x g c c 软件设计工具来进行设计。通过试验平台 上的以太网口连接以太网，通过试验平台上的g p r s 扩展口连接g p r s 模块，通过r s 4 8 5 接口连接r s 4 8 5 总线，通过c a n 总线接口连接c a n 总线。 从软件方面分析，本文需要设计的部分有：驱动程序，内核剪裁，接口程序，应用程序， 以及总线节点上的用户级应用程序设计。用户通过调用内核驱动程序来对硬件进行控制；接 口程序用于与节点，远程客户端，手机用户进行数据通讯。 本方案的整体结构层次如图3 2 所示： 1 0 内蒙古大学硕士学位论文 图3 2系统整体层次结构框图 f i g u r e 3 2s y s t e mo v e r a l ll e v e ls t r u c t u r ed i a g r a m 基于r s 一4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 4 1 硬件设计方案 第四章系统硬件设计 基于r s 一4 8 5 c a n 总线网关主要的功能是实现r s 4 8 5 总线、c a n 总线、g p r s 模块、以 太网之间的互相通信。它们各自形成自己独立的体系，因此下面分别各自介绍它们的硬件构 成。 硬件总体需求： a r m 9 架构的嵌入式处理器； r s 4 8 5 总线接口及总线设备( 采用凌阳单片机作为总线设备) ； c a n 总线接口及总线设备( 采用博创科技提供的c a nm o d em o d u l e 模块作为总线 设备，控制部件为a t 8 9 s 5 2 单片机) ； g p r s 模块( 采用博创科技提供的g p r s 模块) ； 以太网接口及远程客户端p c 。 4 2 网关硬件设计 网关部分采用u p n e t a r m 2 4 1 0 - s 作为硬件平台，c p u 为a r m 9 2 0 t 内核的三星$ 3 c 2 4 1 0 芯片，可以直接运行标准的a r m l i n u x 。网关通过平台上的以太网口连接以太网，通过试 验平台上的g p r s 扩展口连接g p r s 模块，通过r s 4 8 5 接口连接r s 4 8 5 总线，通过c a n 总线接口连接c a n 总线。 $ 3 c 2 4 1 0 x 是一款1 6 3 2 位r i s c 处理器，其内核基于a r m 9 2 0 t ，带有m m u 功能，采 用0 1 8 1 a m 工艺，同时支持t h u m b l 6 位压缩指令集，从而能以较小的存储空间获得3 2 位的系 统性能，如图4 1 所示。 图4 1 $ 3 c 2 4 1 0 x 结构框图 f i g u r e4 1 $ 3 c 2 4 1 0 xb l o c kd i a g r a m 其片上功能如下： 1 、内核工作电压为1 8 w 2 0 v ；存储器供电电压为3 3 v ；外部i o 设备的供电电压为3 3 v ； 2 、1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e ； 3 、l c d 控制器，最大可支持4 k 色s t n 和6 4 k 色t f t ； 4 、4 通道d m a ： 5 、3 通道u a r t ，2 通道的s p i 接口； 6 、2 通道的u s b ( 丰和从) ； 7 、4 路p w m 和一个内部时钟控制器； 1 3 基于r s 4 8 5 c a n 总线嵌入式网关的设计与实现 8 、117 个通用i o 和2 4 路外部中断； 9 、2 7 2 脚f b g a 封装； 1 0 、1 6 位的看门狗定时器： 1 1 、1 通道的i i c i i s 控制器； 1 2 、带有p l l 的片上时钟发生器： $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器支持大小端模式存储字数据，其寻址空间可达1 g 字节，每个b a n k 为1 2 8 m 字节，对于外部设备的i o 宽度可以是8 1 6 3 2 位，所有的存储器b a n k ( 共有8 个) 都具有可编程的存储周期，而且支持各种r o m 引导方式( n o r n a n df l a s h 、e e p r o m 等) 。 4 3 网关r s - 4 8 5 总线接口 r s 4 8 5 总线接1 2 采用差分传输方式，是一种串行数据接口标准，没有制订高层通讯协议。 r s 。4 8 5 总线的最大特点是，在总线上的设备同时只能有一个设备处于发送状态，其他设备必 须处于接收状态，因此，该总线为半双工通讯模式。它的硬件需求很简单，就需要一个电平 转换器m a x 4 8 5 c s a 。下图为r s 4 8 5 总线接口电路图。 n 一 ”一 k of f 1 二 j 。， 7r s # d= r 1 1 1 2 ( 删l i 卜o k r eb l 一 4l 难a 6r 、l t i ，+ ，rs“5r m j4 三 ；k i ( ：! ； i 孔t ；k i ) 图4 2r s - 4 8 5 总线接口电路图 f i g u r e4 2 r s - 4 8 5b u si n t e r f a c ec i r c u i t r s 4 8 5 总线接口直接与串口1 相连，它通过r s 4 8 5 r x d 和r s 4 8 5 t x d 两个引脚和电平 转换器进行通讯，通过一个引脚来控制节点的接收或发送。r s 4 8 5 采用平衡传输方式，需要 在传输线上接终结电阻，可以采用二线与四线方式，二线可以实现真正的多点双向通讯，而 采用四线连接时，只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备，其余为从设备，