（机械设计及理论专业论文）基于单片机与internet的数控机床远程监控系统的研发.pdf

摘要 摘要 近几十年来，伴随计算机技术、通信技术和网络技术的迅猛发展，制造业也发生了 巨大的变革，逐步走向了集成化、网络化、全球化的发展方向。数控机床作为制造系统 的自动化装备，利用现有的网络技术实现对其远程操作、远程监控、远程故障诊断等远 程控制，对于现代远程设备维修和网络化制造有着重要的意义。 要实现对数控机床基于i n t e m e t 的网络化制造和设备维修，首先要实现数控机床基 于i n t e m e t 的远程监控，对于配有基于p c 数控系统的数控机床很容易实现该功能。但 是，对于配有其他数控系统的数控机床就需要具备基于i n t e m e t 的网络通信模块。 数控机床网络化控制是现代制造业的发展的一种趋势，经济型数控机床在我国的制 造行业中已经被广泛使用。本文给出了一种适合经济型数控机床的基于i n t e m e t 的数控 机床远程监控系统，并给出了整个系统的设计原理和系统实现方案。 本文硬件方面使用w i n b o n d 的7 8 e 5 8 b 单片机作为网络通信模块的c p u ，利用 e m p 7 1 2 8 作为桥梁，实现了用8 位单片机驱动3 2 位，基于p c i 总线的网卡r t l 8 0 2 9 。 网络通信模块与数控机床的通信方式采用标准串口，通信波特率最高可达到1 9 2 0 0 b p s 。 本文软件方面使用v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 3 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 作为开发环境，c 捍编程 语言作为开发工具，基于u d p 网络通信协议，采用p 2 p 通信技术研发了服务器端和客 户端软件。 关键词数控机床；单片机； 远程监控； 互联网 i 东北林业大学颂：卜学位论文 a b s t r a c t i nt h er e c e n ts e v e r a ld o z e n sy e a r s ，f o l l o w e dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ec o m m u n i c a t i o n a 1 1 dt h en e t w o r kt e c h n o l o g ys w i ra n dv i o l e n td e v e l o p m e n t ，t h em a n u f a c t u n n gi n d u s t r yh a v e a l s oh a dt h eh u g et r a n s f o m l a t i o n ，盯a d u a l l ym o v e dt o w a r d st h ei n t e 伊a t i o n ，t h en e t 、o r k ，t h e g l o b a l i z a t i o nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h en u m e r i c a lc o n t r o le n g i n eb e dt o o kt h em a n u f a c t u r e s y s t e mt h ea u t o m a t e de q u i p m e n t ，u s e st h ee x i s t i n gn e t w o r kt e c l l l l o l o g yr e a l i z a t i o nt oi t sl o n g d i s t a n c eo p e r a t i o n ，t h el o n g d i s t a j l c em o n i t o r i n g ，t h el o n g d i s t a n c eb r e a l ( d o w nd i a 印o s i sa n d s oo nt h e1 0 n g - d i s t 柚c ec o n t r o l ，h a st h ev i t a ls i g n i 丘c a n c er e g 捌i n gt h em o d e m1 0 n g - d i s t a n c e e q u i p m e n ts e i c ea n d t h en e t w o r km a n u f a c t u r e m u s tr e a l i z et ot h en u m e r i c a lc o n t r o le n g i n eb e db a s e do nt h ei n t e m e tn e t 、o r k m a j l u f a c t u r ea j l dt h ee q u i p m e n ts e r v i c e ，f i r s tm u s tr e a l i z et h en u m e r i c a lc o n t r 0 1e n g i n eb e d b a s e do nt h e1 1 1 t e m e tl o n g d i s t a j l c em o n i t o 订n g ，r e g a r d i n gh a si sv e r ye a s yb a s e do nt h ep c n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mn u m e r i c a lc o n t r o le n g i n eb e dt or e a l i z et h i sm n c t i o n b u t ，r e g a r d i n g h a so t h e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m st h en u m e r i c a lc o n t r o le n g i n eb e dt oh a v et oh a v eb a s e do n t h e1 1 1 t e m e tn e t w o r kc o n n e c t i o nm o d u l e t h en u m e r i c a lc o m r o le n g i n eb e dn e t w o r kc o n t r o lw a st h em o d e mm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yd e v e l o p m 9 n ti n e v i t a b l et r e n d ；t h ee c o n o m yn u m e r i c a lc o n t r o le n g i n eb e dw i d e l yi s a l r e a d yu s e di n o u rc o u n 仃ym a n u f a c t u r ep r o f e s s i o n t h i sa n i c l ea c c o r d i n gt ot h i sk i n do f s i t l l a t i o n ，p r o d u c e do n ek i n dt os u i tt h ee c o n o m yn u m e r i c a lc o n t r 0 1e n 百n eb e db a s e do nt h e i n t e m e tn u m e r i c a lc o n n o le n g i n eb e dl o n g - d i s t a n c es u p e r v i s o r ys y s t e m ，a n dh a sp r o d u c e dt h e o v e m us y s t e mp r i n c i p l eo fd e s i g na n dt h es y s t e mr e a l i z a t i o np l a n t h i sa n i c l eh a r d w a r ea s p e c tu s e st h ew i n b o n d 7 8 e 58 bm o n o l i t h i ci n t e 铲a t e dc i r c u i tt o t a k et h en e 觚o r kc o l l i l e c t i o nm o d u l ec p u ，t a k e st h eb r i d g eu s i n ge m p 712 8 ，r e a l i z e d8 m o n o l i t h i ci n t e g 了a t e dc i r c u i t st oa c t u a t e3 2b a s e do np c it o t a lw i r ec a r dr t l 8 0 2 9 t h e n e 觚o r kc o l l n e c t i o nm o d u l ea n dt h ee n g i n eb e dm a i l i n ga d d r e s su s e st h es t a n d a r ds t r i n gm o u t h ， t h ec o r r e s p o n d e n c eb a u dr a t ei sh i g h e s tm a ya c h i e v e19 2 0 0 b p s t h i sa r t i c l es o r w a r ea s p e c tu s e sv i s u a ls t u d i on e t2 ，0 0 3a n ds q ls e e r 2 0 0 0t o o kt h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h ec p r o g r 锄m i n gl a n g u a g et 0 0 kt h ed e v e l o p m e n tk i t ，b a s e do n t h eu d pn e 觚o r kc o r r e s p o n d e n c ea g r e e m e n t ，u s e dt h ep 2 pc o 删 1 1 u n i c a t i o nt or e s e a r c ha n d d e v e l o pt h es e r v e ra n dc l i e n ts o r w a r e k e y w o r d s ：n u m e r c a ic o n t r o le n g i n eb e d ：s i n g i ec h i pc o m p u t e r ：r e m o t em o n i t o r - n g a n dc o n t r 0 i n g ：i n t e r n e t 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 现代机床数控技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种机床控制新技术，它是综合 了微电子技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信 技术和机械制造技术的最新成就形成的一种高新技术，是先进制造技术的核心技术之 o 随着计算机技术、通信技术、网络技术以及信息技术的迅猛发展，对数控机床的要 求越来越高，逐步向网络化、智能化方向发展【l j 。 此外，随着世界经济的全球化进程迅猛发展，设备制造业的市场竞争变的更加激 烈。这就要求设备制造业不仅要技术创新、开发新产品和提高产品质量，而且还要求提 高产品在使用过程中的全生命周期的技术服务与支持，实现设备的终身维护【2 】。这一发 展趋势也就造成了制造业逐渐成为服务型制造业。在这种情况下，降低技术服务与技术 支持的成本成为竞争的关键因素【3 j 。 因此，数控机床的远程监控系统是数控机床发展的一种趋势。一方面，可以实现数 控机床的网络化和智能化，另一方面，通过网络化监控可以做到数控机床的远程维修人 员的虚拟到场、远程诊断以及远程处理。 基于i n t e r n e t 的远程监控系统可以做到维修人员的虚拟到场、远程诊断以及远程处 理，同时对于设备使用者来说，可以大大缩短设备的维修时间【4 】。从而，可以大大降低 设备的非计划停工时间，提高生产效率。因此，对设备的生产者和使用者来说，实现数 控设备的i n t e r n e t 的远程监控都是十分有利的。目前，世界上著名的公司，如s i m e n s 、 f a n u c 、o k u m a 等，都相继推出了具有网络功能和一定智能水平的制造设备和数控系 统【5 1 。 而我国数控制造设备主要使用的都是经济型的，目前单独的基于i n t e m e t 的远程通 信模块的造价很高，不适合装配在经济型数控设备上。因此，开发成本低适用的基于 i n t e r n e t 的远程通信模块是有必要的 6 】。 此外，我国目前还有很多现役的数控机床，大多都是没有远程通信功能的经济型的 数控机床，要满足现代化生产模式，需要对他们进行改造，这也要求低成本的远程通信 模块。 1 2 国内外发展概况及发展趋势 目前，数控机床实现远程通信的方式主要有两种：一种是，在数控系统内部集成网 络通信功能；另一种是，在数控系统外部附加网络通信功能模块【7 。 东北林业人学硕j 二学位论文 1 2 1 在数控系统内部集成网络通信功能 该方法涉及到尖端数控系统的制造技术，因此，大多都由数控系统的生产厂商推出 和实现。最有代表性的有s i m e n s 的8 4 0 d 8 1 0 d f m n c 和8 4 0 cw i n d o w s 版【8 1 、m a z a k 公司的f u s i o n6 4 0 以及o k u m a 公司的网络c n co s p e 1 0 0 9 | 。相对而言，在国内数控系 统内部集成网络通信模块方面设计水平和制造生产能力整体都很弱，在基于专用计算机 的传统型数控系统方面基本没有产品和集成网络功能的技术的推出，而在开放式体系结 构的数控系统的研究具有一定的水平，并且也推出了一系列的产品【l0 1 。 在数控系统内部集成网络通信功能的另- - 芹d e 方法是采用新的体系结构。进入2 0 世 九 纪9 0 年代以来，由于计算机技术、网络技术、通信技术的突飞猛进的发展，推动数控。 系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开 放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、鲁棒性、扩展性，并且向智能化、网 络化方向发展j 【1 2 j 。 对于采用基于p c 的开放式体系结构的数控系统，由于本身的开放式结构和p c 机 具有的成熟的网络功能和联网技术，所以其与网络相关功能的实现比较容易。 目前，许多国家纷纷研究开发这种系统，并且开发的成果已得到应用。如 c i n c i n n a t i m i l a c r o n 公司从1 9 9 5 年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产 品中采用了开放式体系结构的a 2 1 0 0 系统【1 3 】【l4 1 。近年来，我国的广大数控研究者相继 开发出了如中华i 型、蓝天i 型、航天i 型、华中i 型等开放式数控系统【7 】，其中以华中 i 型较具代表性，其他几种类型的国产开放式数控系统业都具有各自得特点，并都在进 一步的完善和发展之中。 1 ；2 2 在数控系统外部附加网络通信功能 对于在数控系统外部附加网络通信功能模块的技术起源于d n c 技术并随着d n c 技 术的发展而逐渐发展的【6 j 。 近几年国内外对d n c 系统得研究非常活跃。一般d n c 系统通常具有两级计算机分 级结构形式。即主控计算机加c n c 系统群组成。计算机与数控机床的通信方式取决于 数控系统的通信接口和通信协议。由于绝大多数的数控系统都具有r s 2 3 2 通信接口，所 以d n c 中对数控系统附加网络通信功能的研究多数都集中在r s 2 3 2 接口的使用和转换 方面【1 5 】。 对于计算机而言，r s 2 3 2 接口是每台计算机都有的标准配置的外部接口。所以传统 ，飞 的d n c 系统都使用计算机和数控系统的r s 2 3 2 接口直接进行通信。对于只有录音接口 - 或纸带机接口的老式的经济型数控系统，一般通过自制或购买专用的通讯卡将这两种接 1 3 转换成r s 2 3 2 接口，再与计算机通信 1 6 】 1 7 】。 采用r s 2 3 2 连接方式结构简单，但连线多，易出故障，通信距离短( r s 2 3 2 通讯距 离一般为1 5 m 以内) 1 引，所以，只适合通信距离短、组成d n c 系统的数控设备数量少 的小型系统，不适合较大范围的d n c 系统。 1 绪论 为延长通信距离，使较分散的数控加工设备也能联网，2 0 世纪9 0 年代开始，我国 部分企业采用一台数控机床与一台二 控机相连，所有工控机在通过局域网与d n c 主控 计算机相连的通信模式。后来，些研究机构在此基础上提出了基于现场总线技术( 主 要有b i t s b u s 和c a n 总线) 的改进型d n c 通信系统，可实现远距离通信，具有操作方 便、开放性好的特点。每台数控加工设备配备一台通信前端单元，各通信前端单元与 d n c 主控计算机间采用现场总线进行连接。通信前端单元与数控系统集成在一起，用 来完成r s 2 3 2 接1 2 1 到现场总线之间的转换【1 9 2 0 1 。这种通信方式的通信前端单元是研究 机构自行研制或购买第三方公司的专用产品。 1 3 课题的研究内容 本课题主要目标是研发出一种新型的基于i n t e r n e t 通信模块，通过该模块，数控机 床可以在没有计算机介入的情况下接入i n t e r n e t ，实现数控机床的基于i n t e m e t 网络通 j 耋 i 口。 随着单片机技术的进步，以及网络技术的发展，使用单片机实现网络互联成为可 能。基于单片机开发本系统，能够将比较成熟的单片机技术与网络技术结合起来，实现 成本低廉、性能可靠的基于i n t e r n e t 通信的系统模块。 本课题的研究主要内容主要有两个：一个是研究出基于单片机的i n t e m e t 通信模块 的解决方案，由于目前使用的单片机主要都是8 位的，而网络通信控制器是3 2 位，怎 样使二者有机的组合到一起，是个难点问题【2 l 】；另外一个是研究数控床的远程通信技 术。由于目前针对口地址资源正在面临着枯竭的问题而提出的网关技术，虽然解决了 问题，但也带来了另外一个问题，那就是分别位于不同局域网内的计算机无法发现对 方，导致位于不同局域网内的计算机无法直接通信。要实现数控机床的远程通信，首要 要解决位于不同局域网内的计算机之间通信问题【2 2 | 。 针对本课题研究的主要内容，需要做的工作有以下几个方面： ( 1 ) 设计和开发出单片机驱动网卡通信的硬件电路。 ( 2 ) 设计和开发出单片机与数控系统通信的硬件电路。 ( 3 ) 研发客户控制端软件，实现数控系统的信息数据的接收和分析处理、向数控 系统控制端发送控制命令、加密和解密数据等功能。 ( 4 ) 研发服务器端软件，实现保存客户控制端用户名和数控系统控制端的标识、 进行身份验证、向满足要求的客户控制端提供数控系统控制端的标识、保存交换信 息、保存客户控制端通信记录、保存数控系统的在线信息记录等功能。 ： ( 5 ) 研发数控系统i n t e m e t 通信模块的单片机程序，实现数据的加密和解密、远 程命令解析、远程命令有效性验证、用户级别验证、向数控系统发送控制命令、向 客户控制端发送信息等功能。 东北林业大学硕士学位论文 2 系统总体设计 2 1 系统结构设计 本系统采用c s ( c l i e n t s e r v e r ) 系统结构。整个系统包括三部分：监控端( 安装 在远程p c 机上) 、服务器端( 安装在服务器上) ，通信控制卡端( i i l t e m e t 通信模块，安 装在数控机床上) 。监控端主要负责解析和分析得到的数据，以及向通信控制卡端发出 控制指令。服务器端主要有两个作用：一个是保存通信数据和用户管理的作用，另外一 个起通信中转站的作用。通信控制卡端主要负责接收和分析来自远程的控制信息并将其 发送给数控机床或数控系统，以及获得数控系统和数控机床的信息发送给远程的监控端 等。系统整体结构构成如图2 1 所示。 机床机床 2 2、 数控系统 数控系统 弋 8 0 2 9 a s c p p c i m a x 2 3 2 l c p u 总线 d 7 8 e 5 8 网卡 r a m 7 4 h 6 2 2 5 6 、r c r 3 7 3 图2 3 硬件系统方案原理图 2 3 系统软件结构设计 软件系统是整个系统的灵魂，本系统首要问题是解决位于不同局域网内的计算机 之间通信问题，所以软件设计都是围绕着这个问题而进行的。 解决位于不同局域网内的计算机之间通信问题最好的办法是采用基于u d p ( 用户 东北林业大学硕：i ：学位论文 3 系统硬件设计 本系统中只有通信控制卡部分是硬件部分，所以系统的硬件设计就是对通信控制卡 的设计。本系统中要求通信控制卡完成的主要任务是实现网络通信和r s 2 3 2 串口通信， 本系统确定了网络通信控制卡由单片机驱动r t l 8 0 2 9 a s 网卡来实现。 3 1 系统硬件结冀粪囊 剥藉转冀鲣喘基爱囊髦娶婆：i 量蠢； 莘薹妻至 藿薹一；羹奏攀萋的通信 ，有利于数据安全。 从实现方案的控制实时性分析，基于w e b 的远程控制的实现方案，控制端得到的 数据是经过服务器端加工后结果，所有数据必须经过服务器，而且必须经过服务器的一 次加工才+ 能到达目的地。本系统中客户端和数控机床可以实现点对点的通信，节省了服 务器对数据加工所需的时间和数据在网路中传输所需的时间，从而可以提高远程控制的 实时性。 2 5 本章小结 本系统的设计开发本着实用性、低成本的原则。力求开发出具有实用价值的基于 i n t e m et 的数控机床远程监控系统。 本章详细介绍了本系统的总体结构、硬件系统总体结构、软件系统的总体结构以 及系统的实现方法，最后从本系统的硬件方面、软件方面以及控制的实时性与现有的基 于h l t e m e 明了本系统实现的可行性。 x 3 系统硬件设计 存器。除了这些寄存器外，r t l 8 0 2 9 a s 控制器还定义了一些其他的寄存器，用来进行 软件配置或性能扩展。n e 2 0 0 0 寄存器表如表3 1 所示。 表3 1n e 2 0 0 0 寄存器表哆】 3 - 2 2r t l 8 0 2 9 a s 的p c i 配置空间寄存器 p c i 配置空间寄存器是用来配置、初始化以及灾难性错误处理的配置空间。通过配 置这些寄存器，可以实现遵循p c i 总线协议的数据通信。其寄存器表如表3 2 所示。 3 2 3r t l 8 0 2 9 a s 控制器的配置过程 i 盯l 8 0 2 9 a s 控制器支持p c i 配置操作。在网卡上电后，r t l 8 0 2 9 a s 控制器通过执 行一系列的e 2 p r o m 的读写操作用来设置以太网d 、操作模式等等。i 盯l 8 0 2 9 a s 控制 器的资源配置信息储存在p c i 配置空间和n e 2 0 0 0 寄存器的第三寄存器页中的c o n f i g 寄存器中。c o n f i g 寄存器的默认值在上电后来自于9 3 c 4 6 中的内容，而且是可以修改 的。但是修改的配置只是暂时有效，当执行自动装载、使能r s t b 或者掉电都会使修改 的配置丢失。若要想永久保存配置就必须修改9 3 c 4 6 中的内容。 3 3p c i 局部总线 p c i 局部总线是一种高性能的3 2 位或6 4 位多元地址和数据总线，是一种高度集成 的外围控制器组件、外围板卡、处理器及存储器之间的接口连接机制。 p c i 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，p c i 是在c p u 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并 实现上下之间的接口，以便协调数据的交换。管理器提供了信号缓冲，使之能支持1 0 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。p c i 总线也支持总线主控技术，允许智能设 备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送p 4 i 。 东北林业大学硕：f ：学位论文 表3 2p c i 配置空间寄存器【3 3 】 n o n a m e t y p e b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t1b i t 0 0 0 h v i drv i d 7v i dv i dv i dv i dv i d v i dv i d 0 1rv i dv i dv i dv i dv i dv i dv i dv i d 0 2d i drd i d d i dd i dd i dd i dd i dd i dd i d 0 3rd i d d i d d i d d i dd i dd i dd i dd i d 0 4c o l l l n l a nro00o00 m e m e n1 0 e n d w - 一 - 一一 m e m e n1 0 e n 0 5r0o000ooo w 一一 一一一 0 6s t a t u sr000 oo0oo 。 0 7r0o00od s t l d s t 00 0 8r i dr00ooooo0 0 9p i f rr0 o00ooo0 0 as c rr0oo 00o0o 0 bb c rr000o0o1 o o creserved 0 dl t rr000 0ooo0 o eh t rr000000 00 0 f r e s e n ，e d 1 0b a rrb a r 7b a r 6b a r 5 oo00i c o n wb a r 7b a r 6b a r 5 一一 一 1 lr wb a r l 5b a r l 4b a r l 3b a r l 2b a r l lb a r l 0b a r 9b a r 8 1 2r wb a r 2 3b a r 2 2b a r 2 1 b a r 2 0b a r l 9b a r l 8b a r l 7b a r l 6 13r wb a r 3lb a r 3 0b a r 2 9 b a r 2 8b a r 2 7b a r 2 6b a r 2 5b a r 2 4 1 4 一 r e s e r v e d 2 b 2 c 2 d 2 e 2 f 3 0 s v i d s i d b r o m b a r 3 1 3 2 3 3 3 4 一 3 b 3 ci l r 3 di p r 3 e 3 f r r r r r w r w 洲 洲 r e s e n ，e d s v i d 7 s v i d 6s v i d 5s v i d 4s v i d 3s v i d 2s v i dl s v i d l 5s v i d l 4s v i d l 3s v i d l 2s v i d l ls v i d l o s v i d 9 s i d 7s i d 6s i d 5s i d 4s i d 3s i d 2s i d1 s i d l 5 s i d l 4s i d l 3s i d l 2s i d l ls i d l 0s i d 9 00000o o b m r l 5b m r l 4 b m r l 5b m r l 4 b m r 2 3b m i 也2 b m r 3 1b m r 3 0 r w ro r e s e n ，e d 一 一 0 b m r l b m r l b m r 2 b m r 2 一 一 0 b m r l 2 b m r l 2 b m r 2 0 b m i 匕8 一 一 0 s v i d 0 s v i d 8 s l d o s i d 8 b r o m e n b r o m e n b m r l l b m r l l b m r l 9 b m r l 8 b m r l 7b m r l 6 b m r 2 7b m r 2 6b m r 2 5b m r 2 4 i l r 3 i l r 3 0 i l r 2 i l r 2 0 i l r l i l r l 0 i l r 0 i l r o 1 3 3 1p c i 局部总线的主要性能和特点 p c i 局部总线到目前为止有两个版本，2 1 版和2 2 版。p c i 2 1 是3 2 位、总线时钟 频率3 3 3 朋h 的总线，p c i 2 2 是6 4 位、总线时钟频率6 舭的总线。 p c i 局部总线的主要性能有：可以同时支持1 0 台外设；总线时钟频率 3 3 3 m 眈6 6 m 觋：；最大数据传输速率1 3 3 m 8 詹；时钟同步方式；与c p u 及时钟频率无 1 0 3 系统硬件设计 关；总线宽度3 2 位( 5 矿) 6 4 位( 3 - 3 矿) ；能自动识别外设1 3 4 】。 p c i 局部总线的其它特点：具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力；具 有隐含的中央仲裁系统；采用多路复用方式( 地址线和数据线) 减少了引脚数；支持6 4 位寻址，完全多总线主控能力；提供地址和数据的奇偶校验；可以转换5 y 和3 3 y 的信 号。 3 3 2p c i 局部总线信号定义 p c i 局部总线上的设备分为主设备和从设备。主设备可以控制p c i 局部总线，而 从设备不能控制p c i 局部总线。 p c i 局部总线共有1 2 0 条引脚。从设备至少要使用4 7 个引脚而主设备至少使用4 9 个引脚用来寻址和传输数据等功能。p c i 局部总线的信号定义如图3 2 ，其中图3 2 左侧 的引脚是必需的，图3 2 右侧的引脚是可选的。 fa d 【3 ”o o 】jja o i ：3 2 1、 a d d r e s s & o a t a (c 倡e f 3 ：o 降 c ，be 1 7 ：4 】# ， 6 4 8 i t j，p a r e x t e n s i a 一p a r 6 4、 ，r e q 矗傅、 ，f r a m e 母 、l 二a c k 6 4 # ；燃e 1 二s t o 姊 2c a c f e 乏 s 睫 ；三崭磊 t d i 、 1 8 s l e f s o n 睁 l ， 、 t o o、； tck ，己了a g s y s 胁 慧 ； 二t m si “雠 瓤 ； t r s w j 图3 2p c i 局部总线的信号定义【3 4 3 3 3 p c i 局部总线的配置空间 为避免各p c i 设备在资源的占用上发生冲突，p c i 总线采用即插即用协议。即在 系统建立时由操作系统按照各设备的要求统一分配资源，资源分配的信息由系统写入各 p c i 设备的配置空间寄存器，并在操作系统内部备份。各p c i 设备有其独自的配置空 间，设计者通过对积压设备( 或插槽) 的i s d e l 引脚的驱动，区分不同设备的配置空 间。配置空间的前6 4 个字节称为配置空间的预定自区，它对每个设备都具有相同的定 义且必须被支持；剩余的空间称为设备关联区，由设备制造商根据需要定义。与编程有 关的配置空间信息主要有： ( 1 ) 设备号( d e v i c ei d ) 及销售商号( v e n d o ri d ) ，配置空间偏移量为0 0 h ，用 于对各p c i 设备的区分和查找。为了保证其唯一性，v r e n d o rd 应当向p c i 特别兴趣小 组( p c is i g ) 申请而得到。 东北林业大学硕二卜学位论文 ( 2 ) p c i 基地址( p c ib a s ea d d r e s s ) ，配置空问偏移量为1 0 2 4 h ，设备通过设定 可读写的高位数值来向操作系统指示所需资源空间的大小。比如，某设备需要6 4 k 字节 的内存空间，可以将配置空间的某基地址寄存器的高1 6 位设成可读写的，而将低1 6 位 置为o ( 只可读) 。操作系统在建立时，先向所有位写1 ，实际上只有高1 6 位被接收而 被置成了l ，低1 6 位仍为o 。这样操作系统读取该寄存器时，返回值为f f f f o o o o h ，据 此，操作系统可以断定其需要的空间大小是6 4 k 字节，然后分配一段空闲的内存空间并 向该寄存器的高1 6 位填写其地址。 因此，采用只有1 6 位地址总线8 位数据端口的8 位单片机来直接驱动有3 2 位地 址数据复用总线及其他各种信号线的p c i 总线网卡，几乎是不可能的。为此，本文中 采用e m p 7 1 2 8 作为沟通单片机与p c i 设备间的桥梁，设计实现了单片机与p c i 网卡之 间的数据可靠传输。 3 4 单片机与e m p 7 1 2 8 接口设计 本系统采用w i n b o n d 的w 7 8 e 5 8 b 单片机作为c p u 。w 7 8 e 5 8 b 是一款高性能低价 位的8 位单片机。w 7 8 e 5 8 b 包含3 2 k 的主r o m 以及4 k 的辅助r o m ，5 1 2 字节的内 部删，8 位双向数据和地址总线，3 个1 6 位时钟计数器，支持8 个中断源【3 5 1 。 e m p 7 1 2 8 是a l t e r a 公司生产的m a x 7 0 0 0 系列器件。其主要特性如下：( 1 )以第 二代多阵列矩阵为基础的高性能c m o se p r o m 器件； ( 2 )引脚到引脚的逻辑延时 为5 胛s ，计数器工作频率为1 7 8 6 朋胁；( 3 ) 遵守p c i 规定；( 4 ) 可配置的扩展乘积 项分配，允许向每个宏单元提供多达3 2 个乘积项；( 5 ) 4 4 到2 0 8 个引脚的各式封装。 e m p 7 1 2 8 是_ 种可由用户自行设计、自行生产的大规模数字集成电路器件，它可 利用计算机辅助设计，绘制出实现用户逻辑的原理图或编写布尔方程、文本语言等多 种形式，表述用户的设计思想，然后经一系列编译程序、自动布局布线、模拟仿真等过 程，最后生成二进制文件直接装入p r o m 中，在上电或命令控制下，自动配置f p g a 器件，实现满足用户要求的专用数字集成电路。使用f p g a 没有前期投资风险， 也没 有工艺实现中的损耗。f p g a 速度快、功耗低、通用性好、适用性强，特别适用于复 杂系统的设计【3 引。 本系统中使用e m p 7 1 2 8 作为p c i 接口的控制芯片，e m p 7 1 2 8 里的控制寄存器映 射单片机的外部存储器r a m 空间，同时又控制p c i 总线上的i 玎l 8 0 2 9 a s 网卡。要实现 对p c i 总线上的设备驱动，在e m p 7 1 2 8 中至少要建立p c i 配置寄存器和本地配置寄存 器。 p c i 配置寄存器也就是我们常说的p c i 配置空间，他提供了配置p c i 的一些信 息。其中v e n d e rd ， d e v i c ei d ，r e v i s i o nd ，h e a d e rt y p e ，c l a s sc o d e 用于p c i 设备的识别。命令寄存器( c o m m a i l dr e g i s t e r )包含设备控制位， 包括允许存储器读 写响应等。状态寄存器( s t a t u s ) 用于记录p c i 总线的相关事件。p c i 配置寄存器提供 了6 个基地址寄存器，这些基地址都是在系统中的物理地址范围内，其中b a s e o 和 3 系统硬件设计 b a s e l 都是用来访问其他配置寄存器的基地址，b a s e l 是其他配置寄存器映射到p c i 端内存的基地址，b a s e 2 是其他寄存器映射到p c i 端i o 的基地址。所以可以通过 p c i 端内存和p c i 端i o 来访问l o c a l 配置寄存器与其他寄存器。b a s e 2 b a s e5 四 个基址空间提供了访问本地端所接的4 个芯片( 当然可以少于4 个) ，他们将本地端 的芯片通过本地端地址( 在l o c a l 配置寄存器中设置) 翻译成p c i 的地址，也就是 将本地的芯片映射到系统的内存或i o 口。这样使得用程序操作这一段内存( 或i o ) 实际上就是对本地的芯片操作【3 7 o 本地端配置寄存器提供了本地端的一些信息，在本方案设计中，主要是通过配置 本地端配置寄存器来将本地端的单片机读写指令、周期转换成p c i 端的读写指令及周 期。也就相当于将p c i 端网卡上的芯片及存储器映射到本地端，与本地端的存储器统 一编址， 这样单片机只要能访问本地端的内存，那么就能用来访问p c i 总线上的网 卡。 本系统中，单片机控制p c i 总线用了1 0 个寄存器，它们是：一个只写的复位脚控 制寄存器，四个只写的总线数据寄存器，四个只读的总线数据寄存器以及一个只写的总 线命令和字节使能寄存器。在e m p 7 1 2 8 里建立了1 0 个寄存器来控制p c i 总线的操作。 这1 0 个寄存器的地址由6 条地址线p 2 2 ，p 2 _ 3 ，p 2 4 ，p 2 5 ，p 2 6 ，p 2 7 来确定。图3 3 是本系统中w 7 8 e 5 8 b 的引脚图。 u 6 7 8 e 5 8 13 9p 0 0 2 p l o ，r瑚 3 8p 0 1 3 p l l 厂rp 0 1 3 7 p 0 2 4 p 1 2p 0 2 3 6 p 0 3 5 p 1 3p 0 3 3 5 p 0 4 6 p 1 4p 0 4 3 4p 0 5 s c l7 p 1 5p 0 5 3 3p 0 6 p 1 6p 0 6 s d a83 2p 0 7 p 1 7p 0 7 1 3 一 哪p 2 0 2 lp 2 0 d m 撑1 2 ： 2 2p 2 1 d 呵i up 2 l 1 5 p 2 2 2 3 p 2 2 t 1p 2 3 2 4p 2 3 1 42 5 p 2 4 t dp 2 4 2 6p 2 5 p 2 5 v c c3 l2 7p 2 6 e a ，v pp 2 6 2 8 1 9 p 2 7 。一 x 1 p 2 71 8 勉 91 0c p i 珉如 r 卫s e tr x d 1 1c p ) ( d r e a 肼1 7 ，、 t x d 3 0 越 r da l e ，p w r r i 卫撑1 6 =2 9 、v rp s e n 图3 3w 7 8 e 5 8 的引脚图 对于上图各个引脚说明如下：s c l ，s d a 是接2 4 c 0 2e e p r o m 的；c p i 瓜x d ， c p u t x d 为串口的输入输出；跟e 7 1 2 8 相连的引脚有如下几根：t 0 f ，p 2 2 ， p 2 3 ，p 2 4 ，p 2 5 ，p 2 6 ，p 2 7 ，r e a d f ，w t e 共1 7 条引脚。其中t o 为中断引 脚，程序里没有用到，保留为用户使用，p 2 2 一p 2 7 共6 根为地址引脚，用来寻址 e m p 7 1 2 8 里的1 0 个寄存器，p o 0 p o 7 共8 条，为8 位数据线，r e a d 撑，w r j t e 为读 写信号线。 1 3 东北林业大学硕士学位论文 3 5p c i 接口的设计 本系统以p c i 标准v 2 1 为蓝本而设计的，因为p c i v 2 2 是6 醐彻z 的6 46 打总线标 准，r t l 8 0 2 9 a sp c i 网卡只支持v 2 1 标准( 3 3 胁z ，3 2 施) 。在本系统中，省略了很多 q 岣的引脚的定义，在标准的定义中，有很多的引脚被定义为g n d ，主要是用来做信 号的屏蔽和隔离的作用。特别是对6 6 朋勉的p c i 总线。因为我们用到的总线的频率不 高，连线也不长，可以不需要这些g n d 的引脚。去掉这些q 岣引脚的好处是方便布 线。去掉这些引脚不会影响性能。因为在r t l 8 1 3 9 ( 1 0 0 m ) 的网卡里，也是没有连接 这些引脚的。 本系统用的是p c iv 2 1 版5 伏、3 2 位的标准。p c i 卡分为主( m a s t e r ) 、从 ( t a r g e t ) 两种类型，主卡可以控制p c i 总线，从卡不能控制p c i 总线。i 汀l 8 0 2 9 a s 网 卡只能作为从卡，也就是说它只能作为t a 坞e t ，而不能做为主设备。标准的主设备至少 有4 9 条线跟p c i 总线相连，从设备至少有4 7 条线跟p c i 总线相连。要支持中断的话， 加一条i n t a 撑引脚( 共5 0 或4 8 条引脚) 。 如图3 2 左边的为必须要的引脚，右边的为可选的引脚( 我们可以都不用) 。因为 r t l 8 0 2 9 a s 只能作为t a r g e t 设备，所以主设备才有的引脚( r e q 弹，g n t j f | ) ，可以不 用。本系统中，这些引脚还是被连接到e p m 7 1 2 8 的逻辑电路中，p a r 等引脚也被连到 c p l d 里，但是事实上并没有用到，连到逻辑电路的目的是为了将来可能使用i 玎l 8 1 3 9 ( 1 0 m 1 0 0 m 自适应网卡) 来代替1 0 m 的i 盯l 8 0 2 9 a s 网卡，因