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摘要 基于a r m + f p g a 协议转换器的设计与实现 摘要 现阶段工业控制领域主要是采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 等传统的组网方式来 进行组网，但这些组网方式的工作半径都十分有限，不能实现对仪器仪表的远程 监控。随着i n t e r n e t 的迅猛发展，如何将i n t e m e t 引入工控领域，扩大数据传输 范围成了现阶段的研究热点。 本文设计了基于a r m + f p g a 硬件平台的协议转换器来解决上述问题，实现 了对串口设备的远程监控。在a r m 中移植了一个实时操作系统u c o s i i 和一个 小型的协议栈，并通过网卡控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 与i n t e m e t 中的客户机通讯； 在f p g a 中实现了多路的并行独立串口模块，并通过l t c 4 8 5 与下位机通讯；设 计了a r m 和f p g a 之间的通讯接口，以实现客户机到下位机和下位机到客户机 双向数据流的畅通。 本文所提出的设计方案可以在不改变原有串口设备结构的前提下实现对设 备的远程监控，这就降低了系统升级的成本；并且本方案对设备所使用的串口协 议透明，这就扩大了系统的应用范围。 本协议转换器在实际的项目中进行了测试，实验证明，此系统可正常工作， 实现了对串口设备的远程监控。 关键字：协议转换器，u c o s i i ，协议栈，多路的并行独立串e l 模块，f p g a d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp r o t o c o l c o n v e i 汀e rb a s e do na r m + f p g a a b s t r a c t n o w , t h et r a d i t i o n a lm o t h e ds u c ha sr s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a ni sm a i n l yu s e dt o c o m p o s en e t w o r ki nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，b u tt h ew o r k i n gr a d i u so ft h e m o t h o di st o ol i m i t e dt or e a l i z er e m o t em o n i t o r i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r a c t ， h o wt oi n t r o d u c ei n t e m e ti n t ot h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，t oe x p a n dt h es c o p eo f d a t at r a n s m i s s i o nh a sb e c a m et h er e s e a r c hf o c u s a p r o t o c o lc o n v e r t e rb a s e do na r m + f p g ah a r d w a r ep l a t f o r mi sd e s i g n e dt o s o l v et h ea b o v ep r o b l e ma n dr e a l i z er e m o t em o n i t o r i n go fs e r i a ld e v i c e s u c o s - i i a n das m a l lt c p i ps t a c ki st r a n s p l a n t e di na r m ，a n di tc a nc o m m u n i c a t ew i t ha c l i e n ti ni n t e r n e tt h r o u g hr t l 8 019 a s ；ai n d e p e n d e n tm u l t i c h a n n e lp a r a l l e ls e r i a l p o r tm o d u l ei sr e a l i z e di nf p g a ，a n di tc a l lc o m m u n i c a t ew i t hs e r i a ld e v i c e st h r o u g h l t c 4 8 5 ；c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e na r ma n df p g ai sd e s i g n e dt oi m p l e m e n t t h eb i d i r e c t i o n a ld a t af l o wo fc l i e n tt os e d a ld e v i c ea n ds e r i a lt oc l i e n t 1 1 1 ed e s i g np r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a ni m p l e m e n tr e m o t e rm o n i t o r i n go fs e r i a l d e v i c e sw i t h o u tc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo fo r i g i n a ld e v i c e s ，w h i c hr e d u c e st h ec o s to f s y s t e mu p g r a d e s ；a n di t st r a n s p a r e n tt ot h ep r o t o c o lu s e db ys e r i a ld e v i c e s ，w h i c h e x p a n d e dt h es y s t e ma p p l i c a t i o n s t h e p r o t o c o lc o n v e r t e rh a sb e e nt e s t e di na c t u a lp r o j e c t e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s t l l a tt h i ss y s t e mr u n s a n dr e a l i z e st h er e m o t em o n i t o r i n go fs e r i a ld e v i c e s k e y w o r d s ：p r o t o c o lc o n v e r t e r , u c o s i i ，p r o t o c o ls t a c k ，i n d e p e n d e n tm u l t i c h a n n e l p a r a l l e ls e r i a lp o r tm o d u l e ，f p g a i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：垫坚固一 作者签名：型坚固 一 日期：迎! 皇3 垦丛 ， 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：型31 二丛 日期：土町垒= 二碰盎 盘迎 第一章综述 第一章综述 本章介绍了课题的研究背景，协议转换器的发展、功能和分类。 1 1 课题研究背景 现阶段i n t e m e t 己成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠 道。嵌入式系统也已成为现阶段计算机领域的研究热点，根据i e e e 的定义，嵌 入式系统是用于控制，监视或者辅助操作机器和设备的装型l 】【2 l 。但是目前大多 数的嵌入式系统，特别是在工业和汽车相关的嵌入式系统，还处于单独应用的阶 段。为了实现多个系统之间的信息交流，常利用c a n 3 1 、r s 2 3 2 、r s - 4 8 5 等现 场总线技术来构造通讯网络【4 】，但这种网络的工作半径十分有限，并且一般是孤 立于i n t e r n e t 之外的。 因此在工业控制领域中引入网络技术已经越来越迫切了，工业以太网就是在 以太网的基础上，定义了现场环境的应用层、用户层等高层协议【5 】。引入网络技 术后，一方面对于环境恶劣的现场，可以通过网络传递信息，实现远程控制；另 一方面，可以使现场控制和上层管理相结合，从而可以实现办公自动化与工业自 动化的紧密结合。 然而以太网技术才刚刚开始进入工业控制，工业以太网标准的统一需要一个 长时间的过程，已有的工业以太网标准有法国施耐德公司的m o d b u st c p i p 、 德国西门子的p r o f i n e t 、美国罗克韦尔的e t h e r n e t i p 、f f 的h s e 等【6 】。 现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通讯协议【7 】， 而以太网设计的初衷则是办公网。所以在以太网能够真正解决实时性和确定性问 题之前，大部分现场仍然会首选现场总线技术。怎样才能使现场总线和以太网在 工业控制中发挥各自的长处呢，一种协议转换网关就能起到这样的效果。 1 2 协议转换器简介 协议转换器又称网络连接器、网关，是一个网络连接到另外一个网络的关口， 它能使工作在不同高层协议的主机和客户端协同工作。本文所设计的协议转换器 是串口和以太网之间的协议转换。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 1 串口的历史和发展 通用异步接收发送装置( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ，简称 u a r t ) ，包括接收模块和发送模块两部分【8 1 ，是微处理器同外部进行数据交换的 最主要的通讯接口，实现了“串并”和“并一串”的转捌9 1 。微处理器之所以能够发 挥重要作用就是因为它可以把外界的数据读取进来，进行处理后转化为外界可以 识别的控制信息，然后再发送给外界，因此微处理器的数据交换功能是其最重要 的功能之一，而串口又是其进行数据交换的最主要的接口，由此就可以看出串口 的重要性。 串口通讯技术在很久以前就存在，但是u a r t 是在最近3 0 年才出现的。在 u a r t 出现之前，微机和外界的通讯只是通过i o 进行的。其实异步串口i o 的 原理并不复杂，它的字符与字符之间的传送是异步的，字符内部位与位之间的传 送则是同步的【1o 】【】。在异步串口中，字节的输出是先将该字节整体放入硬件锁 存器中，锁存器依次将该字节的每一位顺序发送到外部电气接口( 如r s 2 3 2 ， r s 4 8 5 等) ，字节的输入是将类似锁存器中的每一位读取出来，然后再把其装配 成一个字节进行的【1 2 1 ，输入输出过程中的最困难的地方在于如何处理复杂的数 据以及帧位串之问的同步关系。随着u a r t 出现，上述的困难才被透明的解决， 这是因为u a r t 有一个缓冲电路，该缓冲电路不仅可以实现处理装配和重组字 节的功能，还可以实现计时的功能。这样把它作为处理器中的一个甚至多个内部 数据存储区或者i o 口，就可以很大程度的减轻处理器的负担。在编写程序以接 收或者发送数据时，只要简单把数据写入或者读出该串口即可，不用去考虑复杂 的中断方式以及这些中断对系统多任务的影响。 u a r t 在1 9 7 3 年左右被实际应用。由于它具有电路简单、功效显著等优点， 世界上很多的微机制造厂家都选择使用u a r t 左右自己产品上的数据输入输出 口，这样就使得u a r t 在很短的时间内得到了大规模的应用。从这时候起，u a r t 便与微处理器的牢不可分的结合在一起了。特别是到了1 9 8 0 年，这一年i n t e l 公司推出了一款具有划时代意义的单片机m c s 5 1 。其中m c s 5 1 单片机具有的 一个十分重要的功能，就是它含有一个全双工的u a r t ，并且有两个独立的接收 和发送数据缓冲器s b u f ，可同时对数据进行收发操作。随着科技的发展，微处 理器的性能被不断改进以及提高，这样就使得u a r t 的作用也越来越大，在一 些微处理器内部集成了两个甚至多个u a r t 。时至今日u a r t 仍然是微处理器重 要的组件之一，由于它的重要性，一些专用的u a r t 控制芯片也应运而生，例 如成都国腾微电子有限公司的g m 8 1 2 3 g m 8 1 2 5 芯片就分别扩展了3 5 个串口模 块，在单通道的模式下，其最高波特率可以达到2 0 m b p s 。但由于其接口电路复 2 第一章综述 杂，且成本较高，因此其并没有被大范围的使用。 2 2 协议转换器的发展 随着串u 在微处理嚣数据交换中发挥着越来越大的作用其局限性也慢慢显 现出来了。特别是它的工作半径过小问题，如果串口使用1 1 l 直连，那么他的 工作半径不超过2 m ，即使两个串口之间使用r s 2 3 2 标准其工作半径也不会超 过1 5 m l i 。为了增加传输半径，e a 公司推出了r s 4 2 2 ，使串口的工作半径最大 达到1 2 0 0 m l l q ，但是仍然满足不了数据远距离传输的要求。 如果把串口设备引入因特网中就可以实现对数据的超远距离传输，这样制约 串口的最大的问题就会迎刃而解了。于是这就需要一种设备来提供串口和网络之 刚数据的转换，在这种情况下，协议转换器就产生了。它可咀接收因特网上的 t c p i p 数据帧，解析处理后通过串口发送出去，并可以接收来自串口的数据帧， 解析处理后通过网口发给远端的客户机。 最初的串口以太网转换器一般是只提供单串口对单网口的转换功能，如广州 致远电子有限公司的z n e - 1 0 0 t l 以太网串口转换模块： 图l - i z n e - 1 0 0 t l 以太同串口转换模块 f i 9 1 1z n e - 1 0 0 t l e t h e m e l s e d a lp o r t c o n v 4 * t m o 血l e 它支持1 0 m 1 0 0 m 的自适应以太同接口，支持3 0 0 b p s 2 3 04 k b p s 之间的波特 率，支持t c ps e r v 盯，t c pc l i e n t ，u d p 多种s o c k e t 的工作方式，内置了w e b 服务器，可以方便客户对其进行配置支持虚拟串口工作方式提供w i n d o w s 虚拟串口驱动，让用户串口设备无逢升级至以太网通讯方式，无需修改原有串口 北京化i 大学磺学位论文 软件。 但这种协议转换器无法处理单网卡管理多串口的情况，于是随后有了单网日 对多串n 结构的串口转换器，如深圳艾埃网通技术有限公司的m d 7 1 4 系列的嵌 入式以太网串口转换模块。 图1 - 2 m d 7 1 4 以太翻串口转换模块 f i g1 - 2 m d 7 1 4 f 日h e z a e t s e r i a l p o r t c o n v e r t m o d u l e 它采用3 2 位的c p u ，有8 m 的缓存和4 m 的f l a s h ，使用它可以连接4 个 串口设备，并支持虚拟串口其t c p i p 协议栈也实现了a r p ，i c m p ，u d p ， t c f ，f t p ，h t t p 等多种协议。但这种设备一般在串口设备同时工作的情况下 就显得力不从心。 但随着电子技术和e d a 技术的发展，利用大规模可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e * p t o g l 瓢a m a b l el o g i cd e v i c o 、现场可编程门阵列f p o a ( f i d d p i 嘴咖鼬a b l e g a t e s a r r a y ) 完全可以实现对多串口的通讯，由于c p l d 和f p g a 的强大的并行工作能力，使得在多个串口同时工作的情况下也可以表现出很好的 功效并且该法具有集成度高、体积小、功耗低和速度快等优点，而且还可以根 据用户的需求对系统功能进行重构。因此在以后的发展中m c u + f p g a 必将成为 协议转换器的主流架构，在这种架构中，m c u 主要处理来自以太网上的信息， 在其中可以移植r t o s 和t c f i p 协议栈，f p g a 主要处理来自串口的信息利 用它的并行工作能力来应付多个串口同时工作的情况l l 州瑚。 1 23 协议转换器的功能和分类 协议转换器的功能主要可以分为与下位机通讯功能。与t c p i p 客户机通讯 功能，协议帧的转换功能三个丈的部分。在与下位机的通讯功能中，一般使用 m o d b u s 协议对下位机进行控制或是数据读取；在与客户机通讯的功能中，一 般使用t c f i p 协议栈，来读取来自客户机的控制信息或是反馈来自下位机的数 据信息；协议帧的转换功能主要分为客户机到下位机和下位机到客户机两个方 向，在客户机到下位机的方向中转换器把来自客户的控制信息( t c p 肿帧) 解析后封装成m o d b u s 协议帧，然后通过串口转发给相应的下位机，在下位机 到客户机的方向中，转换罂把来自下位机的数据( m o d b u s 帧) 解析后封装成 第一章综述 t c p i p 协议帧，通过网口转发个相应的客户机。 t c m p 客户机 j t c p ，i p 1 m o d b u st c m p 下位机通讯 - l 协议转换模块卜 - t c p i p 客户机 模块通讯模块 j l m o d b u s 1 下位机 图1 - 3 协议转换器结构图 f i g 1 - 3p r o t o c o lc o n v e r t e rs t r u c t u r e 由于协议转换器在硬件上一般是由微处理器+ 网络控制芯片组成，软件上一 般是r t o s + t c p i p 组成，在o s i 模型的传输层上一般使用t c p 或是u d p 。所 以从硬件上分，协议转换器可以分为单片机型和微处理器型两类；从软件上分， 协议转换器可以分为前后台系统和含有r t o s 两种类型；从传输层协议上分，可 以分为u d p ，t c p 和u d p 兼或t c p 三种类型。在不同的领域，不同的应用中， 要选择合适的协议转换器进行工作。 1 3 本文的主要内容和安排 本文主要设计并实现了一个基于a r m + f p g a 的协议转换器，研究了并行独 立的多串口模块在f p g a 中的实现，u c o s i i 及一个小型协议栈在a r m 7 t d m i 上的移植，设计了网卡驱动，液晶驱动和键盘驱动。最后在系统板上成功运行了 程序。 具体安排如下： 第一章：介绍了课题的背景，介绍了协议栈换器的发展和应用前景。 第二章：详细介绍了硬件平台的设计。 第三章：详细介绍了f p g a 中并行独立的多串口模块的设计和实现。 第四章：详细介绍了u c o s i i 和协议栈在a r m 中的实现。 第五章：详细介绍了驱动程序和应用程序的设计。 第六章：调试与实验。 北京化- t 大学硕上学位论文 第七章：总结与展望 6 第二章硬件平台的设计 2 1 系统结构设计 第二章硬件平台的设计 本系统最底层是系统的硬件，其上是硬件的驱动，然后是操作系统，最高层 为系统的应用层。 图2 1 系统结构图 f i g 2 1s y s t e ms t r u c t u r e 在硬件的设计上，为了方便系统的换代升级以及节约开发成本，采用了核心 板+ 扩展板的结构。其中核心板是一个$ 3 c 4 4 8 0 的最小系统，包括一块a r m 7 处理器$ 3 c 4 4 8 0 ，一个4 m b ，1 6 位的f l a s h 芯片2 8 f 3 2 0 ，一个4 m b ，1 6 位 的s d r a m 芯片w 9 8 6 4 1 6 d h ，一个复位电路，还包括了电源转换芯片和一个 1 0 m h z 的晶振。扩展板主要包括一个网络控制芯片r t l 8 0 1 9 a s ，一个 f p g a e p 2 c 8 ，8 个串口模块，一个键盘接口和一个液晶模块组成。 $ 3 c 4 4 8 0 的工作频率最高可达6 6 m h z ( 本系统使用了6 0 m h z 的工作频率) ， f p g a 的时钟由s 3 c 4 4 8 0 来提供，因此也可以达到6 6 m h z 。若8 路串口每秒同 时向网关服务器发送5 1 2 字节的数据。假设串口传输速度为1 1 5 2 0 0 b p s ，那么传 7 北京化工大学硕士学位论文 输5 1 2 8 位的数据共需要0 0 3 5 5 5 秒，加上1 5 个字符的帧间隔，共需要0 0 3 5 6 6 秒。f p g a 的并口是可以并行工作的，即8 路串口数据全部接受只要0 0 3 5 6 6 秒。 8 路串口数据共4 0 9 6 个字节，为了使传输稳定，假设5 0 个周期取一个字节，则 需要4 0 9 6 * 5 0 个周期( 0 0 0 3 4 秒) 来读取所有数据；a r m 将从f p g a 读到的数 据通过数据总线写入r t l 8 0 1 9 的数据缓冲区中后，启动发送命令就可以使 r t l 8 0 1 9 独自完成发送的操作，以上两个过程都不会占用太多的c p u 时间。因 此使用$ 3 c 4 4 8 0 作为m c u 可以满足系统的需要。 图2 - 2 系统硬件结构图 f i g 2 2h a r d w a r es t r u c t u r e 在$ 3 c 4 4 8 0 和r t l 8 0 1 9 的连接中，使用n g c s 3 对r t l 8 0 1 9 进行片选，并 将其中断连接在$ 3 c 4 4 8 0 的e x l n t l 上，所使用的i o 管脚有复用的1 6 位数据 总线，5 位的地址总线，功能管脚w e ，o e 和r e s e t 。键盘模块的中断则连接 在e x l n t 3 上。在f p g a 和r s 4 8 5 电平转换芯片之间加入光电转换模块。 8 第二章硬件平台的设计 2 2 核心板的设计 图2 - 3 系统硬件连接图 f i g 2 - 3h a r d w a r ec o n n e c t i o nd i a g r a m 核心板主要是$ 3 c 4 4 8 0 的最小系统，主要有一个f l a s h 电路，一个s d r a m 电路，一个复位电路组成。 2 2 1 $ 3 c 4 4 8 0 x 简介 s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器是三星公司生产的一款性价比较高的微处理 器，并且具有较高的性能，它使用a r m 7 t d m i 核，工作在6 6 m h z 。它是1 6 3 2 位 低功耗的r i s c 微处理器，并且提供了丰富的内置部件【1 9 】【2 0 】，包括： ( 1 ) 1 6 位3 2 位r i s c ( a r m 7 t d m i ) c p u 核； ( 2 ) 8 k b 指令数据c a c h e ，或可选的内部高速s r a m ； ( 3 ) l c d 控制器( 可达2 5 6 色d s t n ) ； ( 4 ) 2 通道u a r t ( 内置1 6 8 y t ef i f o ，并兼容i r d a l o ) ； ( 5 ) 4 通道d m a , ( 6 ) 8 b a n k # b 部存储器接1 3 。每个b a n k 有独立的片选1 2 1 ，寻址能力高达 3 2 m b b a n kx8 b a n k = 2 5 6 m b ，同时b a n k 6 & 7 还可外接各种f p e d o s d r a m ； 9 北京化工大学硕上学位论文 ( 7 ) 6 通道多功能定时器p w m 发生器； ( 8 ) 7 1 条通用输入输出口； ( 9 ) 实时时钟( i 汀c ) ； ( 1 0 ) 8 通道1 0 b i t a d c ( 采样速率可到5 0 0 k s p s ) ； ( 1 1 ) l 通道i i c 总线( 可工作于多主模式) ； ( 1 2 ) 1 通道i i s 音频数据接口( 可工作于主从模式) ； ( 1 3 ) 1 通道多功能同步串行口( 可工作于s p i s c i 模式) ； ( 1 4 ) 多种省电工作模式； ( 1 5 ) j t a g 调试口。 2 2 2f l a s h 电路 由于在$ 3 c 4 4 8 0 内部没有r o m ，因此需要在外部扩展一个r o m 芯片来存 储掉电后的程序和数据，如b o o t l o a d e r 和用户应用程序等。其中b o o t l o a d e l 是 系统上电后运行的第一段引导加载程序，是嵌入式系统中在操作系统内核前执行 的一段代码【2 l 】。 p c 机中的引导加载程序是由b i o s 和处于硬盘m b r 的一个b o o t l o a d e r 组 成，b i o s 在完成硬件检测和资源分配后把b o o t l o a d e r 读入r a m 中，并把控制 权交给b o o t l o a d e r ，b o o t l o a d e r 把内核从硬盘读入r a m ，然后跳到程序入口点 执行程序瞄】。 但嵌入式系统中并没有b i o s 那样的固件程序，因此整个系统的加载都要由 b o o t l o a d e r 来完成，在a r m 7 t d m i 的系统中，上电或者复位后一般都从 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处运行，因此在这个地址一般放入b o o t l o a d e r 程序【2 3 l 。 核心板使用的是i n t e l 公司的2 8 f 3 2 0f l a s h 芯片。它是一块容量为4 m b ， 总线宽度为1 6 位的f l a s h 芯片。其工作电压为2 7 3 6 v ，有多种封装方式，如 4 0 脚t s o p 封装、4 8 脚t s o p 封、4 8 脚u b g a 、4 8 脚b fb g a 封装等。 表2 - 12 8 f 3 2 0 管脚描述 t a b l e2 - 12 8 f 3 2 0p i n sd e s c r i p t i o n 名称 输入输出类型 功能 b a 2 1 输入存储器地址的地址输入管脚 d q o - d q 7 输入输出数据输入输出低8 位 d q s - d q l 5 输入输出数据输入输出高8 位 c e 撑 输入芯片使能管脚 o e 撑 输入输出使能管脚 w e 撑 输入写使能管脚 l o 第二章硬件甲台的设计 i 冲撑 输入复雠掉电模式控制 w p # 输入写保护管脚 v c c q 输入输出电压控制管脚 v c c 电源 v p p 编程，擦除电源提供管脚 g n d 地 n c 无连接 该芯片a 0 一a 2 1 为地址总线，与$ 3 c 4 4 8 0 的地址总线相连，由于本芯片是 1 6 位的字模式，为了使m c u 的一次寻址就可以得到1 6 位的数据，就需要 $ 3 c 4 4 8 0 的地址线与2 8 f 3 2 0 的地址线要错位相连，即$ 3 c 4 4 8 0 的a 1 与2 8 f 3 2 0 的a 0 相连，$ 3 c 4 4 8 0 的a 2 与2 8 f 3 2 0 的a l 相连，依次类推。 由于b o o t l o a d e l 要放在0 x 0 0 0 0 0 0 0 处，所以要把3 2 f 2 8 映射到$ 3 c 4 4 8 0 的 第0 个b a n k 中，即把其片选信号c e 与n g c s 0 相连。 0 x l0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 e 0 0 0 0 0 0 0 x 0 c 0 0 0 0 0 0 0 x 0 a 0 0 0 0 0 0 0 x 0 8 0 0 0 0 0 0 0 x 0 6 0 0 0 0 0 0 0 x 0 4 0 0 0 0 0 0 o x 0 2 0 0 0 0 0 0 0 x o l c 0 0 0 0 0 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 图2 _ 4 系统内存映射图 f i g 2 - 4s y s t e mm e m o r ym a p r p 是2 8 f 3 2 0 的复位管脚，连接$ 3 c 4 4 8 0 的n _ r e s e t 管脚，w p 是写保护管 脚，用来控制是否可以对f l a s h 读写，w e 和r d 是f l a s h 的读写信号，与 $ 3 c 4 4 8 0 的n o e 和n w e 相连，以控制对f l a s h 的读写操作。 北京化工大学硕士学位论文 2 2 3s d r a m 电路 图2 5f l a s h 电路 f i g 2 5f l a s hc i r c u i t 系统中m c u 对f l a s h 的读写操作费时，为了提高系统效率，减少运行时 间，在系统中扩展了一个s d r a m 芯片。在系统上电或者复位时，首先运行的 b o o t l o a d e r 把f l a s h 中的部分b o o t l o a d e l 和应用程序复制到s d r a m 中，在 s d r a m 中进行运行。本系统使用的s d r a m 是台湾w i n b o n d 公司生产的 w 9 8 6 4 1 6 d h 芯片。 w 9 6 8 6 4 1 6 d h 是一款高速的s d r a m 。它是基于b u r s t 的访问方式，在 s d r a m 中，就算读写一个字节数据也要一个命令才可以，为了增加工作效率， 就产生了一个命令多个数据的模式，就是所谓的b u r s t 方式，它是一种利用内 部列地址发生器来工作的读写模式，只需要设置好列地址就可以通过内部逻辑里 自动产生后面的地址【2 4 】。 w 9 8 6 4 16 d h 是4 m b 的s d r a m ，它共分为4 个b a n k ，每个b a n k 有1 m b ， 总线的宽度为1 6 位。 表2 - 2w 9 8 6 4 1 6 d h 管脚描述 t a b l e2 - 2w 9 8 6 4 16 d hp i n sd e s c r i p t i o n 管脚名称功能描述 a 0 a 1 0地址 行列地址管脚 b s o ，b s l b a n k 选择b a n k 选择 1 2 第二章硬件甲台的设计 d q 0 - d q 3 1 数据输入输出数据输脯出管脚 c s 撑 芯片选择启用禁用命令解码器 r a s 撑 行地址选通命令输入。在时钟的上升沿会 采样r a s # 、c a s 撑和w e # 的 状态来决定操作的类型 c a s 列地址选通 参照r a s # w e 撑 写使能参照r a s # d q m 0 d q m 3输入输出标示在读周期中当d q m 为高时 输出缓冲会被置为高阻态；在 写周期中当d q m 为高时会 阻塞写操作 c l k 时钟输入系统时钟在上升沿来采样输 入 c k e 时钟使能c k e 控制时钟是否可用，当 c k e 为低时，进入掉电、挂 起或自刷新模式 v c c 电源( + 3 3 v )d r a m 内部的输入缓冲和逻 辑电路的电源 v s s地d r a m 内部的输入缓冲和逻 辑电路的地 v c c q i o 端口电源( + 3 3 v ) 与v 。分开，增强d q 抗噪能 力 v s s q i o 端口地 与v s s 分开，增强d q 抗噪能 力 n c 没有连接没有连接 a 0 1 0 是行列复用的地址线，由于w 9 8 6 4 1 6 d h 的总线宽度也为1 6 位，可知 在其与$ 3 c 4 4 8 0 的连接上也需要把a l 与a 0 相连，a 2 与a 1 相连。n r a s 和n c a s 分别是s d r a m 的行列选通信号线，与$ 3 c 4 4 8 0 的行列控制输出信号n s r a s 和 n s c a s 相连。 其片选信号c s 与$ 3 c 4 4 8 0 的空间映射选择线n g c s 6 相连，即选择其第六 个b a n k 作为自己的地址。其内部的b a n k 选择线b s 0 和b s l 与a 2 1 和a 2 2 相连。时钟输出信号和时钟控制信号与$ 3 c 4 4 8 0 的s c l k 和s c k e 相连。 1 3 2 2 4 复位电路 图2 - 6 s d r a m 电路 f i g 2 - 6s d r a mc i r c u i t 在系统的复位电路中，选用了一块专用的复位芯片a d m 7 0 6 来产生复位信 号，因为$ 3 c 4 4 8 0 的复位要求输入的信号至少保持4 个m c l k 周期的高电平。 这样就可以保证了系统的可靠性。 a d m 7 0 6 一共有8 个管脚，除去一个高电平v c c 和一个地g n d 外， n m r ，n r e s e t ，w d i ，w d o ，p f i ，p f o 管脚。其中n m r 是人工复位管 输入的电压低于0 6 v 的时候，n r e s e t 输出复位低电平。 看门狗的输入和输出。p f i 和p f o 是电源故障检测的输入 没有使用该管脚 1 4 、7 m i 和w d o 和输出端，本系 脚 分 统 还有 ，当 别是 中并 第二章硬件平台的设计 2 3 扩展板的设计 u 1 3 图2 7 i 江s e t 电路 f i g 2 - 7r e s e tc i r c u i t 在系统的扩展板上主要要实现网络通信，串口通讯，键盘控制，液晶控制， 电源管理等功能，所以可以把扩展板分为以下模块：网络通讯模块，f p g a 模块， 键盘控制模块，液晶控制模块，串口通讯模块，j t a g 模块和电源管理模块。下 面分别介绍它们： 2 3 1 网络通讯模块 网络通讯模块主要是系统中负责与i n t e m e t 进行通讯的电路，主要包括一个 r t l 8 0 1 9 网卡控制芯片，一个电平转换芯片2 0 f 0 0 1 n ，一个网络接口r j 4 5 t 2 5 】【2 6 1 。 r t l 8 0 1 9 a s 是高度集成以太网控制器，它是一款低功耗的c m o s 芯片，采 用+ 5 v 的供电，支持i e e e 8 0 2 3 的1 0b a s e 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t 等协议，它提 供了一个实现p n p 的n e 2 0 0 0 兼容的全双工适配器的解决方案。由于它的三级掉电 管理机制，r t l 8 0 1 9 a s 是g r e e n p c 中对网络设备的理想选择。全双工的功能使 得其可以同时和全双工的交换机通过双绞线进行接收和发送的操作，这个特性可 以使传输速率从1 0 m b p s 提高到2 0 m b p s ，而且避免了由于以太网竞争导致的 c s m a c d 而引起的性能下降问趔2 7 】。r t l 8 0 1 9 a s 的逻辑功能大致可分为接收逻 辑、c r c 产生校验逻辑、发送逻辑、地址识别逻辑、f i f o 和f i f o 控制逻辑、协 议p c a 、d m a 和缓冲控制逻辑等七个部分【2 8 1 。 另外r t l 8 0 1 9 a s 还支持1 6 k ，3 2 k 和6 4 k 字节b r o m 和f l a s h 接口。它 内部带有1 6 k 的r a m ，可以支持u t p ( 双绞线) 、a u i ( 粗缆以太网连接器) 和 b n c ( 细缆以太网) 接口。 1 5 北京化t 大学硕士学位论文 图2 8r t l 8 0 1 9 a s 管脚图 f i g 2 8r t l 8 0 19 a sp i nm a p 。 r t l 8 0 1 9 通过i s a 总线与$ 3 c 4 4 8 0 相连，$ 3 c 4 4 8 0 通过1 6 位的数据总线对 r t l 8 0 1 9 进行访问，即把数据总线d o d 1 5 与r t l 8 0 1 9 的s d 0 s d l 5 相连。 r t l 8 0 1 9 支持三种工作模式，第一种为跳线方式，i o 基址和中断由跳线决 定；第二种为即插即用方式，由软件自动配置相应的参数；第三种为免跳线方式， i o 和中断由外接的9 3 c 4 6 的内容决定。r t l 8 0 1 9 工作在哪个模式下由第6 5 个 管脚j p 决定，当j p 为低时，r t l 8 0 1 9 工作在第二三个模式，即即插即用和免跳 线模式下，当j p 为高时，r t l 8 0 1 9 工作在跳线模式下。当工作在跳线模式下时， 该芯片的地址由其第8 5 ，8 4 ，8 2 ，8 1 个管脚( i o s 3 i o s 0 ) 来决定： 表2 - 3 跳线模式下芯片地址分配图 t a b l e2 - 3c h i pa d d r e s sa l l o c a t i o nm a pu n d e rj u m p e rm o d e i o s 3i o s 2i o s li o s 0i ，ob 硒e o0oo3 0 0 h 000l3 2 0 h 1 6 第二章硬件平台的设计 oolo3 4 0 h 0 0ll3 6 0 h looo3 8 0 h lool3 a o h lolo3 c o h loll3 e o h ol002 0 0 h olol2 2 0 h 01lo2 4 0 h olll2 6 0 h ll0o2 8 0 h ll0l2 a o h lllo2 c o h l1l l 2 e o h 本系统中，r t l 8 0 1 9 工作在跳线模式下，且i o s 3 一i o s 0 均为低，即其基地址 为0 x 3 0 0 ，因此其地址线s a 5 s a 7 ，s a l 0 一s a l 9 都接地，s a 8 ，s a 9 接高电平。 其片选信号a e n 与$ 3 c 4 4 8 0 的n g c s 3 相连，把其映射到第三个b a n k 中。由 于使用的是1 6 位的工作方式，因此其地址线s a 0 s a 4 应该错位与$ 3 c 4 4 8 0 的 a 1 a 5 相连。其读写信号的控制管脚i o r b 和i o w b 与$ 3 c 4 4 8 0 的读写输出管 脚h o e 和n w e 相连。其复位管脚r s t d r v 通过一个反相器与n r e s e t 相连， 在r s t d r v 的下降沿，r t l 8 0 1 9 将读入各个跳线引脚的状态，写入系统配置寄 存器中，作为系统的初始配置。r t l 8 0 1 9 采用中断方式与$ 3 c 4 4 8 0 通讯，其中 断输出与e x i n t l 相连。在芯片的x 1 和x 2 之间加入一个2 0 m h z 的晶振来使其 工作。b s 0 b s 4 用于选择b r o m 的大小和基地址，本系统中没有使用b r o m ， 因此可以将b s 4 ，b s 3 直接接地，以禁止b r o m 。 1 7 北京化工大学硕十学位论文 图2 9r t l 8 0 1 9 a s 电路图 f i g 2 - 9r t l 8 0 19 a sc i r c u i t r t l 8 0 1 9 与以太网的接口采用的是8 芯的无屏蔽双绞线r j 4 5 接口，在连接 中，直接把t p i n ，t p o u t - ，t p i n + ，t p o u t + 对应连接起来。为了把信号变成 平衡信号传输，并防止电涌，减少共模干扰，提高效率，系统中在r j 4 5 和r t l 8 0 1 9 之间加入了一个网络隔离变压器，以把外部电路隔离开来。本系统使用的网络隔 离变压器是g r o u pt e k 公司的2 0 f 0 0 1 n ，在连接中，信号地通过一个1 0 n f 的 电容连接在电源地上。 本系统采用的是1 0 b a s e t 的双绞线连接 2 9 1 ，r j 4 5 与2 0 f 0 0 1 的具体电路如 图2 1 0 所示： 1 8 第二章硬件平台的设计 2 3 2f p g a 模块 图2 1 0i u 4 5 电路 f i g 2 - 1 0r j 4 5c i r c u i t 该模块中主要实现了多路的并行独立串口，具体实现见第三章。硬件上，该 模块主要包括一个f p g a 的c y c l o n ei i 芯片e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 ，一个配置芯片 e p c s l 6 s 1 1 6 n 。 c y c l o n ei i 系列芯片是a l t e r a 公司在2 0 0 4 年推出的成本较低的f p g a 芯片。 c y c l