（计算机软件与理论专业论文）基于嵌入式web网关的纸币器监控升级系统设计.pdf

摘要 纸币识别器已成功运用于各种自助服务设备，如何以一种有效的 方式对其进行在线监控与升级( 主要升级识别算法，纸币特征数据库) 是我们急需要解决的一个问题 本文通过分析比较嵌入式设备直接式和间接式两种接入 i n t e r n e t 方式的思想和应用实例，为纸币识别器选择了一个基于嵌入 式w e b 网关的低成本，高效，安全可靠的接入i n t e r n e t 方案，并对网关 移植免费微型t c p i p 协议栈u i p 来克服硬件资源有限的局限性，达到 网关存储器使用压缩目的，探讨了裁剪和改进策略分析了u i p 的计 时接口，u i p 与网关应用程序的事件机制以及u i p 的设备驱动程序接 口，构建了嵌入式网关w e b 服务器模型搭建监控升级系统网络体系 结构，采用c s 和b s 混合网络模型对架构进行了层次划分，设计了纸 币识别器与网关的串口通信协议，在已有纸币识别器软硬件模块的基 础上，利用其处理器支持在应用编程( i a p ) 特性，重点设计升级引导模 块，对f l a s h 重新分区避免数据区与升级引导代码区的重合，编写了 i a p 编程f l a s h 的关键代码，实现纸币识别器升级引导程序的总体解 决方案最后对升级服务器线程池进行了简单设计，采用基于事件驱 动的多缓冲区多线程关键技术完成文件包的下载传输，采用序列号和 激活码验证方式，以及对升级文件采用d e s 加密的方式来提高升级安 全性，防止非法用户恶意破坏本课题的设计方案对于其它智能设备 的在线管理维护平台的建立有一定的借鉴意义和应用价值 关键词：监控，升级，嵌入式网关，纸币识别器，在应用编程 a bs t r a c t b i l l a c c e p t o r h a sb e e n a p p l i e d i n m a n y k i n d so fa u t o - s e l f d e v i c e s ，h o ww em o n i t o ra n du p g r a d eb i l la c c e p t o r s ( i d e n t i f i e d a r i t h m e t i c a n dc h a r a c t e rd a t a b a s eo fb i l lm a i n l y ) i nae f f e c t i v ew a y , i ti sa p r o b l e m w h i c hi si nd i r en e e do fs o l v e m e n t b yc o m p a r i n gd i r e c ta n di n d i r e c ti n t e r a c t c o n n e c t e da n t i l o g i e s ，o r a p p l i c a t i o ne x a m p l e s ，t h i st h e s i ss e l e c t e dai n t e m e t - c o n n e c t e ds c h e m e b a s e de m b e d d e dw e b g a t e w a yw h i c hi sc o s t - l o w l ya n de f f i c i e n c y h i g h l y ， a tt h es a m e t i m e ，g a t e w a yw a st r a n s p l a n t e dt c p i pp r o t o c o ls t a c k - 一u l pt o o v e r c o m er e s o u r c e l i m i t e da n dc o m p r e s sm e m o r i z e r - u s i n g t h et h e s i sp u t f o r w a r dc u t t i n ga n da m e l i o r a t i n gs t r a t e g i e so fu l p , a n da n a l y s e dt i m e i n t e r f a c eo fu i p ，e v e n tm e c h a n i s mb e t w e e na p p l i c a t i o na n du l p ，i n t e r f a c e b e t w e e nd r i v e r sa n da p p i c a t i o n ，a tt h eb a s eo ft h e s e ，w e bs e r v e rf r a m eo f g a t e w a yw a sc o n s t r u c t e d t h en e t w o r ka r c h i t e c t o n i co fs y s t e mw a s c o n s t r u c t e da d o p t i n gm i x e dm o d e lo fc sa n db s t h et h e s i sd e s i g n e d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb e t w e e nb i l la c c e p t o ra n dg a t e w a y ，a l s oa tt h e b a s eo fq u o n d a ms o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fb i l la c c e p t o r ，i td e s i g n e d l e a d i n gp r o g r a m em o d u l em a k i n gu s eo fi a pc h a r a c t e r i s t i co fp r o c e s s o r o fb i l la c c e p t o r , i nt h ep r o c e s s ，t h et h e s i sp r e s e n t e ds t o r a g em a n n e ro f d a t as u b a r e at oa v o i d s u p e r p o s i t i o no fd a t aa n dc o d ea r e a s ，b yc o m p i l i n g k e yc o d eo fp r o g r a m i n gf l a s h ，r e a l i z e ds o l v i n gp r o j e c to fl e a d i n g p r o g r a m e a tt h ee n d ，t h r e a dp o o lo fu p g r a d i n gs e r v e rw a sd e s i g n e d s i m p l y ，t h es y s t e m a c c o m p l i s h e dd o w n l o a d i n gt r a n s m i s s i o no ff i l e p a c k a g ea d o p t i n gs e v e r a lb u f f e r sa n ds e r v e r a lt h r e a d sb a s e de v e n t - d r i v i n g f o r l o n g r a n g eu p g r a d i n gs e r v e r , v i av a l i d i t yo fs e q u e n c em a r ka n d a c t i v a t i o nm a r k ，a n de n c r y p t e du p g r a d i n gf i l e si nt h ew a yo fd e st o a d v a n c es a f e t ya n da v o i dl a w l e s sv i c i o u so fl a w l e s sb r e a k a g e t h ee n t i r e p r o je c to ft h et h e s i sh a sg o o d s i z e ds i g n i f i c a n c e sa n da p p l i e dw o r t h i n e s s f o ro n l i n e m a n a g e m e n t s a n dm a i n t e n a n c e so fo t h e r i n t e l l i g e n t e q u i p m e n t s k e yw o r d s ：m o n i t o r , u p g r a d e ，e m b e d d e d g a t e w a y , b i l la c c e p t o r , i a p h 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：茎莶缝日期：三塑l 年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 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：鎏童遮导师签名兰茎鱼垒白期：生让月上日 硕士学位论文绪论 1 1 引言 第一章绪论 金融货币识别技术已由初始阶段的硬币识别发展到目前的纸币、i c 卡及信 用卡识别，并进一步向数字签名及身份识别，手机联网支付方向发展，随着计算机 网络技术的发展和普及，自助服务设备已由初始阶段的互不关联的分散终端发展 为相互关联、跨地区、跨行业整体的智能自助电子商务系统，其一体化、标准化、 规范化趋势日益明显，正逐渐成为自助服务领域的主流产品 1 2 货币识别设备外部管理维护发展前景 金融货币识别设备终端泛指多国纸币识别接收器系列、多国硬币器系列、多 国货币验钞仪系列等等，随着技术的发展和人类生活方式的改变，各种货币识别 设备及其相关应用产品层出不穷地出现在我们生活之中，广泛应用于金融、商业、 交通、电信、公用事业、文化娱乐等国内外各行各业，例如自助服务设备( 系统) ， 如银行自动柜员机( a t m ) ，智能交通自动售检票系统( a f c ) ，自动售货机等向消费 者提供服务，同时人们对货币识别设备安全性，可靠性，适应应用环境的能力，网 络接入能力，自动化的远程配置和管理能力提出了更高的要求n 1 货币识别设备 嵌入式技术得到很大发展，尤其是嵌入式软件开发平台的发展，嵌入式应用软件 变得开放而易于开发，从而促进了货币识别设备嵌入式技术的广泛应用，这样推 动了对货币识别器进行管理维护的发展，为用户提供更快捷，方便的服务 1 3 嵌入式设备接入in t e r n e t 技术 1 3 1 嵌入式设备接入i n t e r n e t 发展前景 i n t e r n e t 已深入到我们日常生活的各方各面，拉近了我们与世界的距离，所 以很多领域都在不断探索开发和利用网络的潜力，但是大部分网络终端仍以p c 的形式出现，i n t e r n e t 技术的主要应用还停留在人与人之间的信息交流，现在人 们的目光开始投向日常生活中一些非p c 设备( n o n p cd e v i c e ) ，如掌上电脑，移动 计算设备，电视机顶盒，消费电子设备，工业自动化仪表等美国贝尔实验室总裁 a r u nn e t r a v a li 的一批科学家对此作出预测：嵌入式i n t e r n e t 将会产生比p c 时 代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务器与我们能想到 的各种物理信息，生物信息相联接，通过i n t e r n e t 自动地，实时地，方便地，简单 硕士学位论文绪论 地提供给需要这些信息的对象，网络专家预测，将来在i n t e r n e t 上传输的信息 7 0 9 6 来自小型嵌入式系统怛一j 一在比较恶劣的环境中，将嵌入式设备连入 i n t e r n e t ，可以脱离、辐射高温对人体的危害，并能得到实时的现场数据 随着计算机技术，网络通信技术的进步和不断拓展，以p c 机和工作站为基础， 通过组建网络构成实用的监测系统来提高生产效率和共享信息资源，已成为现代 测控系统经常应用的方式，如果在测控系统中有更多的嵌入式智能设备也象p c 机和工作站一样成为网络的节点，充分利用目前已成熟的i n t e r n e t 网络设施，不 仅能够实现更多的资源共享，降低组建系统的费用，还可以提高测控系统的功能 这些非p c 的电子设备都有一些共同的特点，即内部有嵌入式微控制器或称之为 单片机，它能够提供一定的服务和控制功能，利用嵌入式i n t e r n e t 技术从p c 机延 伸到8 位，16 位，3 2 位单片机，并实现基于i n t e r n e t 的远程数据采集，远程控制， 自动报警，上传下载数据文件，自动发送e - m a i l 等功能，大大扩展了i n t e r n e t 的应用范围峨l s j 如何让这些嵌入式设备跟i n t e r n e t 连接起来，以便人们能够远 程获得这些设备的信息并控制其运行，已成为今天电子界信息关注焦点 1 3 2 嵌入式设备接入i n t e r n e t 的方式 嵌入式系统接入i n t e r n e t 同p c 机接入i n t e r n e t 一样，必须通过相应的通 信协议，目前的i n t e r n e t 采用t c p i p 协议，因此嵌入式系统接入i n t e r n e t 最终 必须通过t c p i p 接入，对信息进行t c p i p 协议处理，使其变成可以在i n t e r n e t 上传输的数据包嵌入式i n t e r n e t 技术在实现过程中采用的体系结构不同，使用 的芯片不同，采用的底层技术不同，采用的软件技术不同，从管理模式和对网络通 信协议的处理角度将其划分为直接式和问接式两类削，下面对这两种接入方式的 特点以及优劣点进行具体分析比较为本课题选择一种有效，实用的接入 i n t e r n e t 方案提供基础 1 嵌入式设备间接式接入方式、 间接式接入方式是对没有网络接口芯片的嵌入式设备提供高端应用支持，由 前置的p c 机或者高性能微控制器充当独立网关，嵌入式设备可以直接连接到网 关的端口上，通过网关连上i n t e r n e t ，网关不需要提供嵌入式设备的专用驱动程 序，只要完成端口间的数据传送 ( 1 ) 使用前置p c 机作为网关 由于计算机的端口资源是非常有限的，在控制复杂的设备时，只是利用计算 机固有的接口是远远不够的，不能进行控制扩展，当有多台嵌入式设备连网时，需 要急剧增加网关计算机数量，导致成本增加到不可以接受的程度，但不必为每个 嵌入式设备提供i p 地址 2 硕士学位论文绪论 图1 - 1p c 机作为网关接入方式 ( 2 ) 使用高性能微控制器作为网关 高性能微控制器作为网关可采用专用嵌入式网络协议和专用网络接口芯片 实现i n t e r n e t 连接，可以方便扩展多个被控设备结点，减少了使用的网关数量 采用专用嵌入式网络协议方式的典型代表是e m w a r e 公司开发的嵌入式微 i n t e r n e t 互联技术( e m i t ) ，e m i t 由e m m ic r o 微型w e b 服务器，e m n e t 网络协议，微 控制器网关即e m g a t e w a y 组成( 如图1 - 2 所示) ，由于一般的嵌入式设备的存储容 量有限，所以e m m i c r o 微型w e b 服务器使用了轻型的e m n e t 网络协议，e i i l n e t 协议 运行在嵌入式设备m c u 内部，使得集成e m m i c r o 的嵌入式设备能够和微控制器网 关进行有效的通信，e m m i c r o 是e m g a t e w a y 和设备系统软件进行通信的服务模 块，e m g a t e w a y 网关用来进行网际协议的互换，提供e m m i c r o 中没有的网络服务功 能，具体来讲e m i t 运行服务程序，形成一个用户可通过网络浏览器进行远程访问 的服务器，e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 、红外、射频等总线将多个嵌入式 设备联系起来，每个嵌入式设各的应用程序中包含一个独立的通信任务，监测嵌 入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中，同时e m m i c r o 还可以解释e m g a t e w a y 命令，修改设备中的变量，或进行某种控制u 1 捌由于嵌 入式设备m c u 处理e m n e t 协议要占用一定的系统资源，对m c u 的要求也较高，但是 e m g a t e w a y 网关中的一个i p 地址可以联接多个嵌入式设备 图1 2 专用网络协议接入方式 采用专用网络接口芯片的典型代表是w e b c h i p ，它独立于各种微控制器 的专用网络接口芯片，内部固化了m c u n e t 协议，一端通过s p i 三线串行接口 与嵌入式设备联接，另一端以r s - - 2 3 2 ，r s 一4 8 5 等接口电路微控制器网关接 口联接( 如图卜3 所示) ，w e b c h i p 作用就是解释通信协议，控制数据传输，使 嵌入式设备m c u 不用管理协议的具体内容，只需要解释和执行w e b c h i p 送来 的命令，w e b c h i p 将来自m c u 的数据编译成符合协议规定的格式，然后传给 g a t e w a y ，而由g a t e w a y 下传的命令和数据由w e b c h i p 负责解释，然后通过命 3 硕士学位论文绪论 令方式送给m c u 埘这种方案对m c u 要求低，软件设计也只需在原应用系统的 基础上增加一小段接口程序，不需要熟悉复杂的网络协议和相关接口，完全 不必考虑任何网络协议，只需要解释并执行w e b c h i p 传送过来的指令和数据 就可以实现与i n t e r n e t 网络联接，无需作大的改动，开发周期更短且灵活， 但需要微控制器做网关，网关中的一个i p 地址可以联接多个嵌入式应用系 统 图1 - 3 专用芯片接入方式 2 嵌入式设备直接式接入方式 直接式接入i n t e r n e t 技术实现了通过网络访问目的，每台被控制嵌入式应 用设备不需要用独立网关连接，它依赖于嵌入式硬件和嵌入式软件的发展，有以 下几种形式： ( 1 ) 采用固化标准t c p i p 协议的硬件芯片方式，典型代表如s e i k o i n s t r u m e n t s 公司的$ 7 6 0 0 a ，它支持h t t p 、s m t p 、p o p 3 、m i m e 等多种协议，将许 多功能模块设计成软件功能模块，需要使用某功能时直接调用相应模块 ( 2 ) 采用m c u 处理机加以太网控制器方式，m c u 像p c 机一样直接处理t c p i p 协议，类似于在m c u 上实现p c 机加网卡的功能，能按用户需求灵活实现很多复杂 的功能，不需要其它中间环节的支持( 如独立网关) 就可以直接连接到i n t e r n e t 典型代表如嵌入式系统接入i n t e r n e t 的一个实用产品w e b i t ( 如图1 - 4 所示) u 劓， 总体上它是一个基于a v r 单片机的系统，在单片机内有用来存储系统服务程序的 8 千字节的f l a s h 空间、5 1 2 字节的r a m 空间以及用来存放系统参数( i p 地址，m a c 地址，串口波特率等) 的e e p r o m ，在单片机的外围，有用来存放w e b 页面的e e p r o m ， 系统中包含一个l om 以太网控制器，用来提供网络的联接，系统提供的接口为 t t l 电平的u a h t 口及1 4 位i o 口支持各种应用，并且将协议处理部分分离出来 由w e b i t 单独完成 i ，o 三丑一 u a r t 篙篓嚣k - n t e m e t以太网控制器) i 图l - 4m c u 加以太网控制器接入方式 4 硕士学位论文 绪论 1 4 课题的来源 本课题来源于湖南金融货币识别与自助服务平台工程技术研究中心承担的 国家科技攻关项目“基于货币识别的智能自助服务平台的子课题 1 5 课题的研究意义 纸币识别器是一种能够自动接收纸币，对其进行真假及面额识别，拒绝假币， 接收真币，并且能够将接收情况以适当形式向其他装置( 如计算机) 汇报的智能 装置 纸币识别器的设计包括硬件和软件设计，其设计不可能做到尽善尽美，尤其 是软件部分，由于其灵活性大，更新周期短，纸币识别器鉴于识别现金这一特殊要 求，其识别模块处于不断的升级换代之中，原因总结起来有以下几点：( 1 ) 纸币识 别设备的识别客体是流通纸币，随着社会的进步。任何国家为适应社会的需求，纸 币的发行总是在不断的推陈出新，如人民币在短短的几十年里就已经发行到了第 五套( 一、二、三套已经不再流通) ，纸币识别设备必须为适应新版纸币的发行 而及时有效的升级( 2 ) 假币的泛滥迫使设备制造商不断改进软件，不断升级以确 保去伪存真( 3 ) 纸币识别设备分散在全球各地，总量已达数千万套，必须寻求一 种快速、有效的升级手段( 4 ) 纸币识别设备为适应其他实际应用情况而进行的改 进和完善；对于大量分散的纸币识别器个体真币和假币信息以及机器状态信息进 行快速有效地采集，有利于建立和维护纸币特征数据库，改进纸币识别器识别算 法，建立纸币识别器开发平台，提升纸币识别器的产品性能，保障纸币器的正常运 行，因此本文针对纸币器监控升级的应用，通过构建嵌入式w e b 网关让纸币识别 器连入i n t e r n e t 以实现对纸币识别器进行有效的外部管理维护 1 6 纸币识别器软件升级方案现状 1 6 1 嵌入式w e b 服务器的引入 嵌入式w e b 服务器( e m b e d d e dw e bs e r v e r ) 是指将w e b 服务器引入现场测试 和控制设备中，在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的测试和控制设 备转变为具备了以t c p i p 为底层通信协议，w e b 技术为核心的基于互联网的网 络测试和控制设备u ” 嵌入式w e b 服务器一般主要有两种应用模式：1 ) 嵌入式w e b 服务器在嵌入式 设备开始设计时就作为一个功能模块来考虑，即包含在嵌入式设备中：2 ) 把嵌入 式w e b 服务器作成一个独立的嵌入式w e b 服务器模块，借助于其他总线与其他独 5 硕士学位论文 绪论 立设计的设备连接起来，从而使这些设备也能接入以太网，当然这些设备必需具 备一些接口并能通过这些接口来对系统自身进行监控，这也就意味着嵌入式w e b 服务器模块和所连接设备的应用程序之间的通讯可能要遵循某种自定义的通信 协议刀 1 6 2 各种纸币识别器升级方式及其比较 1 纸币识别器升级方案： ( 1 ) 传统升级方案：包括有更换整个电路板升级，现场自学习升级方法，更换 芯片升级法，升级盒法，邮寄升级软件 ( 2 ) 直接串口升级：升级文件保存在上位机中，仅仅通过上位机与纸币识别器 的串行通信完成升级 ( 3 ) 网络升级：网络升级形式包括以下三种形式：1 纸币器设备具有独立的 t c p i p 网络接入能力，将纸币器直接连入i n t e r n e t ，从升级服务器下载传输升级 文件；2 以一台p c 机作为网关，将p c 作为内部系统接入i n t e r n e t 的接口，纸币器 通过此网关连入i n t e r n e t 完成升级3 通过嵌入式设备作为网关连入i n t e r n e t 完成升级，这种方式是本课题所要研究的升级方式 网络升级方式中升级文件保存在远程服务器中，这有利于对升级文件版本的 控制，特别适应于广泛分散设备的升级应用场合网关也要借助串口等设备与纸 币器通信 2 各种升级方案的比较： ( 1 ) 传统的纸币识别器升级和直接串口升级方式需要专业技术人员进行现场 操作，不具有智能化、网络化的特点，这样导致升级效率低，周期长 ( 2 ) 在纸币器直接连入i n t e r n e t 的网络升级中，由于网络模块部分占用大量 纸币器的软硬件资源，而对于纸币器这种资源非常有限的系统来说是不现实的， 这样将限制其他核心应用的扩展，这种升级方式适应于空中升级( 自动升级) ，不 需用户干预就能对所有连入i n t e r n e t 的纸币器升级，但可能由于纸币器终端软 硬件型号版本差异大导致升级效果不彻底，不全面，并且不利于最终用户的管理 ( 3 ) 通过p c 机作为网关的网络升级方式中，虽然不需考虑网关资源的限制， 并且效率高，同时可将最终用户操作平台集中在p c 机上，但这将使开发成本急剧 增加 ( 4 ) 在综合以上升级方式的基础上，权衡各种因素，结合自动化、信息、计算 机、网络通信的知识构建面向纸币器监控升级的嵌入式w e b 网关，采用嵌入式w e b 技术构建嵌入式w e b 服务器，用户可以通过浏览器客户端远程访问网关w e b 服务 器，将各个环节的管理统一在一个网络平台上，形成一个统一完整的有机整体，本 6 硕士学位论文 绪论 课题中对纸币器的监控是为了给用户升级提供服务操作，可以使用户可以脱离现 场对纸币器进行升级，而且开发成本不高 1 7 课题的研究内容 1 满足纸币识别器监控升级需求的嵌入式w e b 网关设计 2 系统的总体网络体系结构设计 3 纸币识别器升级引导模块设计 4 远程升级服务器设计 5 软件模块的移植和调试 1 8 5 文工作与论文组织 本文的主要工作是研究嵌入式接入i n t e r n e t 技术，为纸币识别器在线监控 与升级应用选择一个合适的嵌入式i n t e r n e t 解决方案，在已有纸币识别器的软 硬件基础上对其进行改进，增加升级引导更新模块，支持在线升级 本文共分为四章： 第一章是绪论分析了嵌入式设备接入i n t e r n e t 的思想和各种应用实例，介绍 课题的来源，课题的研究意义，纸币识别器软件升级方案研究现状，最后指出了本 文的主要工作和论文组织结构 第二章针对纸币识别器监控升级应用需求，设计了以s x 5 2 为处理器的嵌入式 网关用于连入i n t e r n e t 在分析网关硬件结构特性的基础上，在网关中移植嵌入 式操作系统t l c o si i 和免费微型协议栈u l p ，并进行具体分析，提出了裁剪和改进 策略，完成其主要外接网络设备的驱动程序的设计 第三章采用c s 和b s 混合网络模型搭建监控升级系统的网络体系结构，设计 嵌入式网关与纸币识别器串口通信命令，以及升级服务器与网关之间网络通信传 输信令，在已有纸币识别器软硬件模块基础上，其中利用其$ 3 c 4 5 1 0 ba r m 处理器 支持在应用编程( i a p ) 特性，重点设计升级引导模块，对f l a s h 重新分区，避免数据 区与升级引导代码区的重合，编写了i a p 编程f l a s h 关键代码，实现升级引导程序 的总体解决方案对远程升级服务器线程池进行简单设计，采用基于事件驱动的 多缓冲区多线程关键技术完成升级文件包的下载传输 第四章是总结和展望，总结了本论文的工作，并且讨论了下一步的研究工作 和系统的改进方向 7 硕士学位论文面向纸币器的嵌入式网关 第二章面向纸币器的嵌入式网关 2 1 嵌入式网关硬件结构 综合各种嵌入式设备接入i n t e r n e t 技术的优缺点，纸币识别器采用间接式 i n t e r n e t 接入方案，通过构建以太网和c a n ，r s s 2 3 2 两种总线混合网络，对纸币识 别器的控制深入到现场，达到两种异质网络的无缝连接，从而实现纸币识别器的 控制和管理的信息集成，使纸币识别器的管理工作科学化，规范化，管理一体化 【1 8 】 由于纸币识别器间接式接入i n t e r n e t 需要有网关作为连接中介，在充分考 虑安全，经济，开发周期等因素的基础上，本文以s x 5 2 芯片为处理器设计嵌入式 网关，此芯片具有丰富的i o 端口来连接c a n 现场总线控制器，r s 2 3 2 接口和遵从 i e e e 8 0 2 3 协议的以太网媒体接入控制器等外围器件，由s x 5 2 为处理器芯片的嵌 入式网关的硬件结构如图2 - 1 所示：选用r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制芯片，经耦合隔离 滤波器h r 6 1 1 0 l g 以进行信号的滤波和变换，通过带r j 4 5 插头的双绞线接入以太 网，最后连入i n t e r n e t ，r s 2 3 2 接口采用m a x 2 3 2 c p e 芯片，c a n 总线控制器采用 s j a l 0 0 0 芯片，下面对以上网关主要芯片特点以及具体的连接方式进行介绍 2 1 1 s x 5 2 处理器 图2 - 1 网关硬件结构 s x 5 2 处理器是s c e n i x 公司推出的一种功能强，速度快，价格低，采用r i s c 结 构的新一代8 位m c u 1 们它内部集成了f l a s hr o m ，动态存储器r a m ，电可擦除只读 硕士学位论文 面向纸币器的嵌入式网关 存储器e e p r o m 等部件，动态存储器r a m 为容量8 k 的6 2 2 4 ，它的数据端口直接与 s x 5 2m c u 的p a 端口连接，而地址端口通过锁存器连接到s x 5 2m c up a 和p b 端口 的r a m 的作用主要完成r s 2 3 2 ，c a n 与t c p i p 之间的数据传输缓冲，电可擦除只 读存储器e e p r o m 为a t 2 4 c 2 5 6 ，它通过1 2 c 总线与s x 5 2m c u 相连，作用主要是存 储一些设置参数 s x 5 2 处理器采用单字长单时钟周期精简指令集尽可能增强其性能，使得每 条指令的执行能够在单个时钟周期内完成，提高了代码效率和指令的运行速 度，s x 5 2 处理器的速度可以达到l o o m i p s ，即1 亿次每秒，可以满足利用软件解决 硬件速度问题 在i o 通讯接口方面，s x 5 2 处理器有5 个i 0 口，共4 0 个引脚，并且提供了 便利的i o 外部扩展，所有的i o 口可以根据实际需要设置为t t l 电平或c m o s 电平模式，每个双向i o 口可以作为8 位并行口使用，从而可以实现同其它并行设 备的并行通信，也可以将每个i o 口独立编程设置为输入或输出，从而可以灵活 实现同其它串行设备的串行通信 2 1 2r t l 8 0 1 9 s a s 以太网控制器 r e a l t c k 公司推出的r t l 8 0 1 9 s a s 高集成以太网控制芯片，与n e 2 0 0 0 兼容，在 嵌入式系统中应用广泛，它具有接口方便，驱动简单，软件移植性好，性能稳定以 及价格低廉等优点，特别适用嵌入式系统删 r t l 8 0 1 9 s a s 的i o 口地址偏移量为o x o o - - o x l f ，其中o x o o - - o x o f 这1 6 个地 址为寄存器地址，o x l o ，- - - - o x l 7 和o x l 8 - - o x l f 分别为远程d m a 端口，复位端口的地 址，寄存器分为4 页：p a g e o - p a g e 4 ，由c r ( 命令寄存器) 中的p s o ，p s l 位决定要访 问的页，r t l 8 0 1 9 s a s 内含有模拟信号处理电路，故其接地均使用模拟地，以防干 扰其它数字芯片，它的主要性能如下所述： ( 1 ) 适应e t h e r n e ti i ，i e e e 8 0 2 3 协议，支持l o b a s e - t 拓扑结构自动极性修正； ( 2 ) 支持8 位，1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i 0 基地址选择； ( 3 ) 全双工，收发可同时达到l o m b p s 的速率，具有休眠模式，以降低功耗； ( 4 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对处理器的速度要求： ( 5 ) 可连接同轴电缆和双绞线，并支持u t p ，a u i ，b n c 自动检测所连接的媒介 ( 6 ) 支持闪存读写，允许四个诊断l e d 引脚可编程输出： ( 7 ) 1 0 0 脚的t q f p 封装，缩小主板机尺寸： r t l 8 0 1 9 s a s 数据收发是通过d m a 方式进行的，划分为远程d m a 和本地d m a 两部分，远程d m a 操作是指在网关主处理器m c u 的参与下完成数据从处理器到 以太网控制器的传输，本地d m a 操作是指在r t l 8 0 1 9 s a s 的相关寄存器控制下， 9 硕士学位论文面向纸币器的嵌入式网关 以太网控制器与网线的数据交换，当主处理器要向网上发送数据时，先将一帧 数据通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 s a s 中的发送缓冲区，然后发出传送命 令；r t l 8 0 1 9 s a s 通过以太网接收到一帧数据后，经m a c 比较和c r c 校验，由其 f i f o 存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理 器 2 1 3s j a l 0 0 0c a n 总线控制器 p h i l i p s 公司开发的s j a l 0 0 0 是独立c a n 总线控制器，内部集成了c a n 协议 的物理层和数据链路层幅u ，支持新的操作模式p e l i c a n ，这种模式支持具有很 多新特性的c a n 2 o b 协议，其工作频率为6 - 2 4 m h z s j a l 0 0 0 的内部r a m 由寄存器组和报文缓冲区等组成，在报文缓冲区中发送 缓冲区t x b 和接收缓冲区r x b 共用同一段，发送信息时应往此区域中写入数据， 而接收时则从此区域中读出数据 主控制器与s j a l 0 0 0 之间状态，控制和命令信息的交换在控制寄存器中完成， 主要控制寄存器有： ( 1 ) 方式寄存器m o d ，其中m o d 0 决定是否复位，当m o d o 位为1 时，s j a l 0 0 0 进入复位状态，为0 时进入工作状态，s j a l 0 0 0 的初始化必须在复位状态 下进行，m o d 3 决定验收滤波方式，m o d 4 决定s j a l 0 0 0 是否为睡眠方 式： ( 2 ) 命令寄存器c m r ，它主要是接收来自主控制器的命令： ( 3 ) 状态寄存器s r ，提供了当前s j a l 0 0 0 的各种状态：其中s r 7 为总线状 态，s r 6 为错误状态，s r 5 为发送状态，s r 4 为接收状态，s r 3 为发送 完成状态，s r 2 为发送缓冲区状态，s r 1 为数据超载状态，s r o 为接收 缓冲区状态，可充分利用这些状态信息进行相应的处理： ( 4 ) 中断寄存器i s r 和中断使能寄存器i e r 一起提供了8 种不同类型的中断： ( 5 ) 时钟分频寄存器c d r ，决定了s j a l 0 0 0 的c l k o u t 脚的输出和它的工作方 式，当c d r 7 为o 时，s j a l 0 0 0 工作在b a s i c c a n 模式下，为1 时工作在 p e l i c a n 模式下； ( 6 ) 验收码寄存器a c r 和验收屏蔽寄存器a m r 共同构成验收滤波器： ( 7 ) 总线定时寄存器b t r o ，b t r i 决定了采样次数，波特率及机器周期等时间 参数： ( 8 ) 输出控制寄存器o c r 决定输出的不同模式，其值常设置为o a a h ，通过对 s j a l 0 0 0 的编程，c p u 可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数 据的发送和接收 1 0 硕士学位论文 面向纸币器的嵌入式网关 c a n 控制芯片用于实现c a n 总线协议中数据链路层和物理层，核心模块负责 c a n 信息帧的收发和c a n 协议的实现，接口管理逻辑负责同外部主控制器的接口， 该单元中的每一个寄存器都可由主控制器通过s j a l 0 0 0 的地址数据总线访问 2 1 4 网关外接主要芯片与处理器的连接电路 r t l 8 0 1 9 s a s 兼容8 位和1 6 位操作，这由i o c s l 6 引脚决定，当上电复位时， 若这个引脚为低电平，则选择8 位模式，若为高电平，则选择1 6 位模式，由于s x 5 2 是8 位的数据总线，因此用8 位总线模式，每次读入或写入一个字节，只需8 根数 据线s d o s d 7 ，所以需要将此引脚接地使其为低电平，在设计中s x 5 2 的c 口的 r c o r c 7 连接r t l 8 0 1 9 s a s 的数据口s d o s d 7 ，b 口与r t l 8 0 1 9 s a s 的地址及读写 控制引脚连接，r t l 8 0 1 9 s a s 的基地址选择引脚i o s 0 - - 一i o s 3 接地，i o 基地址为 3 0 0 h ，地址线s a 9 ，s a 8 接+ 5 v ，因为寄存器地址偏移量为o o h i f h 共3 2 个，对应地 址从3 0 0 h 到3 1 f h ，所以只需将地址线s a o ，- - - s a 4 接s x 5 2b 口的r b o 一- - r b 4 ，其余地 址线接地，r t l 8 0 1 9 s a s 的i o r b ，i o w b 引脚为读写信号线，接s x 5 2 的r b 6 ，r b 5 读写 控制引脚 r t l 8 0 1 9 s a s 有三种工作方式：跳线方式，即插即用方式，免跳线方式，为了 减少连线，使用跳线方式，将j p 引脚接高电平，a u i 引脚为低电平时使用b n c 接口， 为高电平时使用a u i 接口，这里将该引脚接地r t l 8 0 1 9 a s 使用引脚t p i n + ，t p i n 一，t p o u t + ，和t p o u t 一连接耦合隔离滤波器h r 6 11 0 1 g s j a l 0 0 0 的a d 0 a d 7 为地址数据复用线，与s x 5 2 的d 口r d o - 一r d 7 相连，为 保证s x 5 2 与s j a l 0 0 0 协同工作，两个芯片共用一个硬件复位线，以确保s x 5 2 与 s j a l 0 0 0 硬件同步复位，p e a 8 2 c 2 5 0 是c a n 总线控制器和物理总线的接口，它对总 线提供发送能力，并对c a n 控制器提供接收能力，支持1 m b p s 速度a t 2 4 c 2 5 6 是 1 2 c 总线的e e p r o m ，s c l 引脚接s x 5 2 的r a 4 脚，s d a 引脚接s x 5 2 的r a 5 脚 m a x 2 3 2 c p e 完成2 3 2 电平与t t l 电平转换，t x d 接s x 5 2 的r a 2 脚，r x d 接s x 5 2 的r a 3 脚，本设计中网关的连接电路如图2 2 所示： 硕士学位论文面向纸币器的嵌入式网关 。 厂 0 s c i i r c o 求c s d o s d 70 8 c 0 _ - _ _ - r b o - r b 4 s a 0 s a 4 2 0 m 。l d s c 2r b 5 i o w b 。 丁 a n 总线_ j 茎篓 吧髓 ，l cr b 5i o r b o s a r b 7 1 0 c h r d y r s tw r r e o 摊 t p 玳- 4 -m n + s a st p u n kr p i 棒 l 一l 巨r ls a 9 t p o u i +n ，( ) i r i + 【c a n h1 如 t x oa l e ，a s 脚r d ，e啦j pi p o u t -【p ) i r r - c a n l i 1 l + 5 址r s t d r v h r 6 l i o i x t a i 1c sr e 3 p c a s 8 2 c 2 5 0 厂 e s 5 s a 7 e 三k o q 一 盂n l 一 r d o 氓d 叮 s a l m 噶 1 9 工x t a l 2 i o s c l 6 l 棚 s j a1 0 0 0s x 5 2= r t l 8 0 1 9 a s 图2 - 2 网关连接电路 2 2 u c o s - i l 在网关中的移植 嵌入式设备的主要任务应该是自身的功能性任务，适合采用操作系统来管理 各种功能任务和各种通信任务，这比传统依靠前后台的，单线程的程序设计更加 有效率，也更加可靠使得应用程序调试方便