（系统工程专业论文）具有以太网接入功能的嵌入式系统的开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 信息技术的高速发展给人们生活带来了革命性的变化，嵌入式 系统进行网络互连的要求也随之产生，嵌入式系统的应用已越来越 重视其网络特性。在这种情况下，结合当前嵌入式测控系统的使用 现状及以太网的发展趋势，本文提出了一种基于以太网的嵌入式测 控系统的设计方案。该方案采用主从式双处理器( 单片机+ d s p ) 结构 的工作方式，单片机作为主控器件，负责网络协议的处理和外围接 口的控制等，充分发挥其控制能力强的特点；d s p 作为从处理器， 负责数据的采集和处理，充分发挥其数据处理能力强的特点，这样 可以大大提高整个嵌入式测控系统的信息处理能力及其网络通信能 力，从而促进嵌入式测控系统向更高层次发展。 在此方案的基础上，本文设计与实现了嵌入式测控系统的核心 部分一网络通信模块，并对其实现过程从以下三个方面进行了较 详细的阐述： ( 1 ) 从系统的设计要求出发，介绍了嵌入式测控系统的整体设计 思想，并简单的介绍了网络通信模块与嵌入式测控系统中其它模块 的接口电路的设计方法。 ( 2 ) 考虑到嵌入式测控系统工作时的技术需求，如通用性、实时 性和多任务管理等，在系统中引入了一个嵌入式实时操作系统，用 于管理整个系统，目前已实现网络通信任务的管理。论文对该实时 操作系统的特点、工作原理及移植的方法进行了较完整的阐述。 ( 3 ) 为使嵌入式测控系统接入以太网，需要在网络通信模块中实 现互联网通信协议的处理功能，这就要求实现t c p i p 协议。论文设 计与实现了一个简化的适合于单片机的t c p i p 协议栈，并详细的描 述了t c p i p 协议的格式、工作原理及简化的方法与步骤。 关键词嵌入式；t c p i p ；r t l 8 0 1 9 a s ；实时操作系统 a b s tr a c t w i t ht h e h i g h s p e e dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ， t h e r e v o l u t i o n a r yc h a n g e h a sb e e n b r o u g h t i n t o p e o p l e s l i f e t h e r e q u e s to fi n t e r c o n n e c t i n gt h ee m b e d d e ds y s t e mw i t ht h en e t w o r kh a s o c c u r r e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nm o r e a n dm o r e e m p h a s i z e d 0 n t h i s o c c a s i o n ，c o m b i n i n g t h ec u r r e n t s i t u a t i o no ft h ee m b e d d e dm o n i t o r e dc o n t r o l s y s t e m w i t ht h e d e v e l o p i n g t r e n do fe t h e r n e t ，ak i n d o f d e s i g n o ft h ee m b e d d e d m o n i t o r e dc o n t r o l s y s t e mb a s e do ne t h e r n e th a sb e e np u tf o r w a r di n t h i st h e s i s t h i ss c h e m ea d o p t st h es t r u c t u r eo fm a s t e r - s l a v ed u a l p r o c e s s o r s ( m c u + d s p ) ，m c u i sd e s i g n e dt ob eam a n a g e m e n td e v i c e w h i c hc h a r g e st h et r e a t m e n to ft c p i pp r o t o c o la n dt h ec o n t r o lo ft h e p e r i p h e r a li n t e r f a c e f o rm a k i n gf u l lu s eo ft h es t r o n gc o n t r o lc a p a c i t y o fm c u ；d s pi sd e s i g n e dt ob eas a v ed e v i c ew h i c hi sr e s p o n s i b l ef o r t h ed a t a a c q u i s i t i o na n dt r e a t m e n t ，b yt h i sw a yt h ed a t ap r o c e s s i n g a b i l i t yo fd s pc a nb ep u tt o b e t t e ru s e i nt h i s w a yt h ei n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga b i l i t y a n dt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n c a p a c i t y o ft h e e m b e d d e dm o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y ，w h i c hc a n p r o m o t et h ee m b e d d e d m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e mt oan e w h i g h t o nt h eb a s i so ft h i s s c h e m e ，t h ek e yp a r t o ft h ee m b e d d e d m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m - - - n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l eh a sb e e n d e s i g n e da n dr e a l i z e d ，a n dm o r ed e t a i l e dr e a l i z i n gp r o c e s si si l l u s t r a t e d i nt h r e ea s p e c t sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h es y s t e m ，t h et h o u g h to fd e s i g n i n g t h ew h o l es y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e d ，a n dt h er e a l i z i n gm e t h o do ft h e i n t e r f a c ec i r c u i t sw h i c ht h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e c o m m u n i c a t e sw i t ho t h e rm o d u l e s b y i nt h ee m b e d d e dm o n i t o r e d c o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s c r i b e ds i m p l y ( 2 ) c o n s i d e r i n g t h e t e c h n o l o g i c a l d e m a n do ft h ee m b e d d e d m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e m ，f o ri n s t a n c ec o m m o n n e s s 、r e a l t i m eq u a l i t y a n dm u l t i t a s k m a n a g e m e n t ，e t c ；a n e m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e dt ot h es y s t e mt om a n a g et h ew h o l e s y s t e m i nt h e t h e s i st h ec h a r a c t e r i s t i c 、t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e a n dt h e t r a n s p l a n t i n g m e t h o do ft h er e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m h a v eb e e n d e p i c t e d ( 3 ) i no r d e rt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ee m b e d d e d m o n i t o r e dc o n t r o ls y s t e ma n de t h e r n e t t h ei n t e r n e t sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lm u s tb er e a l i z e di nt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，w h i c h n e e d st or e a l i z et c p i p p r o t o c 0 1 i n t h et h e s i sa s i m p l e t c p i p p r o t o c o l i n nw h i c hi ss u i t a b i ef o r8b i tm c uh a sb e e nd e s i g n e da n d r e a l i z e d f u r t h e r m o r e ，t h ef o r m 、t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h e r e a l i z i n gm e t h o da n ds t e p o ft c p i pp r o t o c o lh a v eb e e nn a r r a t e di n d e t a j 】 k e y w o r d s e m b e d d e d ；t c p i p ；r t l 8 0 1 9 a s ；r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 嵌入式设备接入以太网的意义 随着互联网应用的日益普及，信息共享的程度不断提高。如何 通过互联网共享以单片机应用系统为中心的小型嵌入式设备的信 息，成为当今电子界的热门话题。传统的互联网应用是以p c 为中心， 如今，互联网应用正在转到以嵌入式设备为中心。i a ( i n t e r n e t a p p l i a n c e ) 概念现在甚为流行，这表明互联网应用进入嵌入式互联网 的时代已经来临，把单片机嵌入式系统和i n t e r n e t 连接已是一种趋 势。 将嵌入式设备挂到i n t e r n e t 网上有什么深远意义呢? 过去通过 专用通信线在远方采集现场设备的数据，进行远方显示和控制，但 是通信介质要专用的，通信协议要自己写，配套的软件和硬件要自 己设计。因此，系统设计成本高，开发周期长m 。 同时，随着工业自动化和办公自动化的发展，在一些场合，分 布式控制系统的网络越来越庞大，现场总线越来越受地域、铺设成 本、负载容量的限制。另外，由于目前市场上c a n b u s 、l o n w o r k s 、 p r o f i b u s 、f f 等多种现场总线并存，使得基于现场总线的控制系统的 接口协议标准各异，难以统一。在这种情况下，利用廉价的具有接 入i n t e r n e t 功能的嵌入式设各，可以使现场总线方式下的分衣式控制 系统转换成基于以太网的分布式控制系统，从而使数据采集、信息 传输等都能直接在i n t r a n e t i n t e r n e t 上进行，既统一了标准，又使工 业测控数据能直接在i n t r a n e t i n t e r n e t 上动态发布、共享，供相关技 术人员、管理人员进行实时处理或参考，这样就把控制网和信息网 有机地结合了起来，使得工厂或企业都拥有一个一体的网络平台， 无论从成本、管理、维护等方面考虑，都是一个最佳的选择。 另一方面，灵活、方便，安全性、可靠性高的以太网的飞速发 展和普及，使因特网已深入办公室、工厂与车间，使人们在工作的 各个地点，都可以通过互联网来交换信息。嵌入式设备的显示和控 制只要能上网，就能很好的实现远程控制，不需要专用的通信线路， 现成的全球网任你传到各个角落。 综上所述，设计一种基于以太网的嵌入式控制系统来实现设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的远程控制将具有非常广阔的应用前景。 1 2 嵌入式设备接入因特网的技术需求 从根本上讲，嵌入式设备只要加上t c p i p 网络协议就可以上 i n t e r n e t 网。但考虑到嵌入式系统所处于的工作环境等因素的影响， 基于以太阕的嵌入式系统必须具备以下功能： ( 1 ) 能够进行网络通信； ( 2 ) 应具有多任务的控制能力，实时性和可靠性高； ( 3 ) 应具有较强的控制能力和数据处理能力： ( 4 ) 系统应具有较好的性价比，开发周期应较短，市场竞争能力 强等。 1 3 嵌入式设备接入因特网的技术的发展现状 目前，嵌入式设备接入因特网的技术多种多样。下面介绍一些 已经实现的方案。 1 3 13 2 6 4 位高端嵌入式系统实现方案 这类方案以o s i c o m 公司研发的n e t + a r m 的系统级芯片( s o c ) 为最正统。它使用r i s c 技术，以a r m 7 为微内核( m i c r o c o r e ) ，加 上以太网( e t h e r n e t ) ；使用下列网络协议：t c p ( 传输控制协议) 、u d p ( 用户数据报协议) 、r a r p ( 反向地址转换协议) 、i c m p ( 网际控 制报文协议) ；还有下列关于i n t e r n e t 网的高层软件协议：h t t p ( 超 文本传输协议) 、s m t p ( 简单邮件传输协议) 、f t p ( 文件传输协议) ； 再包括p s o sr t o s ( 实时操作系统，i n t e g r a t e ds y s t e m 公司的操作 系统) 等组成s o c ，属予高档m p u 片上系统。但该系统价格昂贵， 开发周期长，对开发人员的开发能力要求较高“1 。 1 3 2 采用嵌入式网关的实现方案 各个嵌入式系统首先和网关通信，蒋由嵌入式网关实现t c p i p 协议。这种方式可以降低对嵌入式系统的要求，但需要个专门的 嵌入式网关，对于过于分散的嵌入式系统而言，嵌入式系统和网关 之间的通信将加大成本。应用此种方案的典型代表为e m w a r e 公司、 p h a r ，a p 公司及国内的武汉力源电子股份有限公司( p & s ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 e m w a r e 公司提出了嵌入式系统入网方案一一e m i t 技术。这个 技术包括三个主要部分：即e m m i c r o ，e m g a t e w a y 和网络浏览器。其 中，e m m i c r o 是嵌入设备中的一个只占内存容量1 k 字节的极小的网 络服务器 e m g a t e w a y 作为一个功能较强的用户式服务器，它用于 实现对多个嵌入式设备的管理，还有标准的i n t e r n e t 通信接入以及网 络浏览器的支持。网络浏览器使用e m o b j e c t s 进行显示和嵌入式设备 之间的数据传输。如果嵌入式设备的资源足够，则e m m i c r o 和 e m g a t e w a y 可以同时装入嵌入式设备中，实现i n t e r n e t 的直接接入。 否则，将要求e m g a t e w a y 和网络浏览器相互配合。 p h a r l a p 公司把能独立的智能部分和网络部分尽可能地移出嵌 入式设备，如有些预定义的数据转移到胖客户机上，使用时用嵌入 式设备通过远程调用那里的d l l 来访问；t c p i p 协议是i n t e r n e t 网 上传输数据所必需的，为此要提供最低要求的t c p i p 堆栈和最精简 的t c p i p 协议。经过对代码的高度优化，将w e b 服务器尽可能地做 到最小。p h a r l a p 最后做出的m i c r o w e b 服务器是2 5 k b y t e ，加上网络 协议不足3 0 0 k b y t e 。 武汉力源电子股份有限公司( p & s ) 推出的w e b c h i p 网络接1 3 芯片p s 2 0 0 0 也采用了类似的技术。m c u 应用系统通过p s 2 0 0 0 与 g a t e w a y 连接，再进入i n t e r n e t 网。p s 2 0 0 0 内部固化了m c u n e t 协 议，并与e m g a t e w a y 和o s g i 协议兼容。应用系统设计时不必考虑 任何网络协议，只需要解释并执行p s 2 0 0 0 传送过来的指令和数据就 可以实现与i n t e r n e t 的连接。w e b c h i p 包含四个部分：一是w e b c h i p 与g a t e w a y 的通信及通信控制单元。通过控制字可选择通信电路类 型，如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、m o d e m 等：二是协议转换层，在这个转换 层中，完成数据包的识别、校验、有效数据的提取和判断等；三是 w e b c h i p 与m c u 通信及通信控制单元；四是中央控制单元，控制以 上3 个单元的协调运行，完成对w e b c h i p 的管理。 1 3 3 利用s c e n i x 网络单片机的实现方案 s c e n i x 公司提出了m c u + 虚拟软件包的方案，它采用s c e n i x 公 司的8 位单片机实现互联网接入功能。s c e n i x 单片机属于r i s c 结构， 芯片上有f t a s h 程序储存器，可以在安装到系统后进行编程和调试。 最特别的是，它可以运行流行的互联网协议栈，如h t t p 、s m t p 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 p o p 3 、t c p 、u d p 、i c m p 、i p 及p p p 等协议，能在执行数据采集和 控制功能的同时把数据打包，通过外接一个以太网控制芯片传送到 互联网上。该方案是近期出现的较为理想的实现方案。但设计开发 时需要购买开发工具，价格较贵m 。 1 3 4 使用简化的t c p i p 的实现方式 嵌入式系统中除部分3 2 位处理器外，大量存在的是8 位和1 6 位的m c u ，速度较慢，内存较小，如要支持完整的t c p i p 协议将 占用大量的系统资源，或根本不可能实现。考虑到这类系统功能较 为单一，数据量较小，可以根据实际要求尽量简化，即提供最低要 求的t c p i p 协议。如实现简化的w e b 服务器；简化i c m p 防议：使 用u d p 协议而不是t c p 协议等。精简后的t c p i p 协议虽然功能上 受到了一定的限制，但对于这种较低端的嵌入式系统而言，如果传 送少量数据或是信令，还是完全可以胜任的。而且，这种方式的实 现成本很低，在很多场合下，也不失为一种解决方案。不过，采用 此方案接入因特网的嵌入式设备的数据处理能力通常较弱。 1 4 论文的目的及作者完成的主要工作 论文的研究目的是为了探讨一种将现场总线方式下的嵌入式控 制系统转换成基于以太网的嵌入式控制系统的具体实现方法，以解 决当前现场总线控制系统中存在的接口协议标准各异以及不同网络 之间互通难的问题。 论文根据嵌入式设备接入以太网的技术需求和接入技术的发展 现状，结合当前嵌入式系统的使用状况及以太网的发展趋势，开发 了一种通过简化的t c p i p 协议实现以太网接入的嵌入式测控系统。 该系统采用低档的微控制器外接一个以太网控制芯片来实现互联网 协议处理，使该系统可以直接通过r j 4 5 连到以太网上，不需要使用 p c 机或高档单片机，系统成本低，可以大幅度地缩短开发周期并降 低开发成本。同时，考虑到该系统工作时的环境因素、数据处理能 力的要求等，移植了一个实时操作系统来进行任务控制，并采用双 c p u ( 单片机+ d s p ) 的工作方式，使该系统具有较强的控制和数据处 理能力。该嵌入式测控系统的实现可以使测控系统以低廉的费用、 简捷的方式接入以太网，使组建以太网测控系统不再是一件很麻烦 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的事；此外，它还可以作为一个模块，直接嵌入测控设备，生成新 一代的网络测控系统，如进行远程电机控制等。这必将大大地促进 以太网测控系统的发展。 作者完成的主要工作有： ( 1 ) 从性价比的角度出发，选择合适的元件设计了一个主从式双 处理器嵌入式测控系统，完成了具有上网功能的硬件电路的设计， 实现了各功能模块之间的信号接口。 、 ( 2 ) 完成了微处理器与以太网接口芯片之间的通信软件的设计、 功能驱动程序的设计，实现了实时操作系统( r t o s ) 一g c o s i i 在5 1 单片机上的移植。 f 3 ) 用c 5 1 语言实现了一个适合于单片机嵌入式测控系统的简 化的t c p i p 协议。 ( 4 1 对所实现的系统进彳亍了基本功能测试，结果表明该系统符合 设计要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章系统的硬件电路设计 2 1 系统功能简介及其工作原理 本文所设计的嵌入式测控系统是一个主从式双处理器测控系 统，具有a d 转换、d a 转换、数据处理、网络信息通信、人机界 面显示等功能。其工作过程如下： 首先，将输入的模拟信号( 由传感器转换产生) 在测控平台上 进行放大、滤波，然后通过a d 转换输入d s p 处理器，d s p 将所采 集的数据经过处理后存储在内部r a m 中，由主机随时调用；主机根 据g c o s i i 所分配的任务优先级来调用这些数据，通过以太网接口 芯片及r j 4 5 传送到i n t r a n e t i n t e r n e t 上，并通过人机界面显示工作状 态；控制中心根据所收到的数据，进行分析，发出相应的控制命令， 通过i n t r a n e t i n t e r n e t 及以太网接口芯片送到微处理器，微处理器根 据所获得的指令，对d s p 处理器进行相应的操作，d s p 处理器根据 主机的命令送出相应的数据经d a 转换后对设备进行操作和控制。 嵌入式测控系统的原理框图如图2 一l 所示。 剖弘a d 怡 输出 逻辑控制1 d s p ( 1 懈3 2 0 c 5 4 0 2 ) 人机界面 以太网接口芯片 a r t z m g a s ) 逻辑控制2 丽而i 尚fc r 8 龇9 c 5 1 醋r d 2 孵葛 图2 1 系统原理框图 2 2 系统硬件电路的设计。 从嵌入式测控系统的原理框图可以看出，完成整个系统的设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 较复杂，需要的时间较长。由于该系统的硬件电路主要包含数据处 理部分、人机界面部分、控制部分及以太网数据传送部分；而以太 网数据传送部分的电路设计与实现是嵌入式测控系统的设计重点， 也是本设计要做的主要工作，论文将对此做重点介绍，其余部分作 简要介绍。 2 2 1 系统主控模块的设计 嵌入式测控系统的主控模块由单片机和一片外扩的r a m 组成， 其中单片机为主控器件。论文中所选用的是p h i l i p s 公司生产的一 款8 位单片机一一p 8 9 c 5 1 r d 2 b n ，现对它进行简单介绍。 1 p 8 9 c 5 1 r d 2 b n 的主要特点 8 0 c 5 1 中央处理单元 具有 s p 和i a p 功能的片内f l a s h 程序存储器 片内b o o tr o m 包含底层f l a s h 编程子程序以实现通过u a r t 下载程序 可实现最终用户应用的编程i a p 每个机器周期为6 个时钟周期标准 可通过并行编程器选择6 时钟1 2 时钟模式，芯片擦除后默认的 时钟模式为1 2 时钟 可通过i s p 对选择6 时钟1 2 时钟模式的f l a s h 位进行擦除和编程 可通过s f r 位在运行中改变6 时钟1 2 时钟模式 采用6 时钟周期时，频率可高达2 0 m h z ( 相当于4 0 m h z ) ；采用 1 2 时钟周期时，频率可达3 3 m h z r a m 可外部扩展到6 4 k 字节 4 个中断优先级、7 个中断源、4 个8 位i 0 口 全双工增强型u a r t 6 4 k f l a s h 程序存储器，内部1 k 的r a m 2 编写f l a s h 的方法 p 8 9 c 5 l r d 2 b n 芯片可以采用三种方法实现对f l a s h 的编程或擦 除。第一，在应用程序中调用b o o t r o m 中的擦除写入等子程序进行 串行的在运行中编程( i a p ) ；第二，用b o o tr o m n 件由主机进行串 行的在系统编程o s p ) 。第三，使用商用编程器进行并行编程。对该 器件进行并行编程的方法与8 7 c 5 1 相似，但不完全相同。商用编程器 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 必须支持该器件。 由于购买商用编程器的价钱较高，而使用b o o tr o m 中的擦除 写入等子程序进行串行的在运行中编程( i a p ) 需要自己编写程序，耗 时较长，再考虑到所设计的系统具有串口功能，因此决定采用第二 种方法一一利用p h i l i p s 公司免费提供的w i n i s p 软件进行串行的在 系统编程( i s p ) 。操作步骤如下： ( 1 ) 将p 8 9 c 5 1 r d 2 b n 芯片插入所设计的系统中，通过串口连接 到p c 机上： ( 2 ) 启动w i n i s p 应用程序； ( 3 ) 在c h i p 栏中选择芯片型号为p 8 9 c 5 1 r d 2 ，在p o r t 栏选择串 口号( 如t o m l ) ，在o s c 栏中添入m c u 所用的晶振频率( 2 2 1 18 4 m ) ； f 4 ) 系统上电，复位，此时芯片进入i s p 状态； f 5 ) 单击l o a df i l e 加载h e xf i l e 文件，此时状态框显示f i l eo p e n o k ，在右侧的d a t ab u f f e r 框可以看到刚载入的h e x 格式的原文件； ( 6 ) 单击e r a s eb l o c k s 打开b l o c ke r a s es e l e c t i o n 对话框，选择要 放程序的块b l o c k x 进行擦除； ( 7 ) 单击b l a n kc h e c k 按钮，可在s t a t u sd i s p l a y 框查看到t h e s e l e c t e db 1 0 c k sh a v eb e e ne r a s e d ； f 8 ) 将m i s t 框中的s t a t u s 改成0 0 ，v e c t o r 保持值f c 不变； ( 9 ) 单击p r o g r a mp a r t 按钮启动编程功能，当s t a t u sd i s p l a y 栏显 示f l a s hp r o g r a m m i n gs u c c e s s f u l 时，表示下载成功； ( 1 0 ) 单击r e a dp a r t 按钮可以将刚下载到m c u 中的程序读到d a t a b u f f e r 框。s t a t u sd i s p l a y 栏显示f l a s hr e a do k ； r 1 1 ) 单击v e r i f yp a r t 按钮，可将剐读到的目标程序和原h e x 程序 比对校验，成功则s t a t u sd i s p l a y 显示f l a s hv e r i f i e do k ，此时i s p 操 作完成，系统断电。 需要注意的是：在微处理器工作前，需将p 8 9 c 5 1 r d 2 的2 0 脚与 2 9 脚短接，这样上电后才能运行芯片中的程序。此外，步骤8 、9 的 顺序一定不能变，在编程前必须先设置s t a t u s 为0 0 ，v e c t o r 值保持f c 不变，这样才能正确烧入程序。当对f l a s h 进行擦除时，f l a s h 寄 存器状态字节和b o o t 向量也同时被擦除。如果v e c t o r 的值被改变， 则i s p 功能失效，必须用商用编程器对它重新编程才能重新启动i s p 功能。 一堕塑窭堕奎兰塑主堑塞竺兰垡迨塞篁! 戛 2 2 。2 系统显示模块的设计 显示模块主要显示系统的工作状态、被测设备信号波形以及输 入的指令等。它由微处理器控制。本系统选用d m f 5 0 0 5 n 型图形液晶 显示器。这是一种集控制器、驱动器和显示屏于一体的液晶显示器 ( l c d ) ，可以直接与8 0 5 1 相连接。通过对控制：器t 6 9 6 3 c 编程，可以 实时观察被测设备的信号波形，显示系统的工作状态及输入指令等。 1 d m f 5 0 0 5 n 型液晶显示器特点 显示格式：2 4 0 4 6 4 点阵 s t n 蓝灰底色 方便同8 位m c u 连接 低功耗 l c d 控制器：t 6 9 6 3 c 行驱动器：t 6 a 4 0 列驱动器：t 6 a 3 9 字体：( p i n - s e l e c t a b l e l 水平点：6 ，8 垂直点：8 ( 固定) 内置一个1 2 8 个字符的字库r o m ( 代码0 10 1 ) t 6 9 6 3 c 0 1 0 1 外扩显示内存：8 k b 字符区域，图形区域，外部字符字库的显示内存的地址都由 软件来决定 从c p u 中进行读或写操作不影响显示等 2 t 6 9 6 3 c 控制器的接口信号 t 6 9 6 3 c 控制器的接口信号如表2 1 所示。 表2 1t 6 9 6 3 c 控制器的接口信号 引脚号标记号说明备注 1 f g显示屏框架外壳地接地 2v s s电源地 3v d d电源+ 5 v 4 v ol c d _ = e 作电源( 对比度调节负电压输入) 5w r数据写入，当w r = l 时，将数据写入t 6 9 6 3 c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 6r d 数据读出，低电平有效 7c e 工作允许，当c p u 和t 6 5 6 3 c 通讯时，c e = l 8c ，d w r = l 时，c d = h ：写入控制命令；c d = l ： 写数据 r d = l 时，c d = h ：读出控制命令；c d = l ： 读数据 9r e s e t复位信号，h ：正常( t 6 9 6 3 c 有内部上拉电阻) l ：初始化t 6 9 6 3 c 的t e x t 文本和图形的地址， 同时文本和图形区域设定被保持 10d b o数据位0 1 1 d b l数据位1 1 2d b 2数据位2 13d b 3数据位3 1 4d b 4数据位4 1 5d b 5数据位5 16d b 6数据位6 17- d b 7数据位7 l8f s字体选择：f s = h ，6 + 8 点的字体，f s = l ，8 + 8 点的字体 19v o u td c d c 负电源输出( 液晶屏工作电压，作对比 度调节) 2 0l e d +背光电源正端 2 ll e d 背光电源负端 3 d m f 5 0 0 5 n 型液晶显示器与m c u 的连接电路 m c u 实现对d m f 5 0 0 5 n 型液晶显示器的控制与显示是通过对其 l c d 控制器( t 6 9 6 3 c ) 的读写操作来完成的。 显示模块作为微处理器控制系统中的一部分，其i o 地址分配 为：a 0 0 0 h a f f f h ；b 0 0 0 h b f f f h 。当选择i o 地址a x x x h 时，表 示选择d m f 5 0 0 5 n 型液晶显示器的数据输入h 3 出通道：当选择i o 地址b x x x h 时，表示选择d m f 5 0 0 5 n 型液晶显示器的指令输入h ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 出通道。实现显示功能的电路示意图如图2 - 2 所示。 p 0 o d 即f s ：= = = lf g p 0 7 d b 7 p 8 9 c 5 l r d 2 b n 肋 r dt 6 9 6 3 c w r 丽 p 2 4c dv o 船t c e v 。 p 2 ，7 p 2 5刍一ue r s t 图2 - 2 微处理器与液晶显示器的接口电路示意图 2 2 3 以太网数据传送模块的设计 这个模块由网络接口芯片、耦合隔离变压器及r j 4 5 插座组成， 它是实现以太网连接的关键部分。台湾r e a l t e k 公司生产的 r t l 8 0 1 9 a s 以太网接口芯片，具有优良的性能、低廉的价格，其在 市场上1 0 m b p s 网卡中占有相当的比例。论文中选用r t l s 0 1 9 a s 芯 片来实现以太网连接功能。现就它作详细介绍。 1 r t l 8 0 1 9 a s 芯片的使用 ( 1 ) 主要性能 适应于e t h e r n e ti i 、i e e e 8 0 2 3 、1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ； 支持8 位、1 6 位数据总线； 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率，具有睡眠模式，以 降低功耗； 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度 要求； 可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的介质； l o o 脚的t q f p 封装，缩小了p c b 尺寸。 ( 2 ) 主要管脚功能( 工作在跳线模式) j p 管脚 r t l 8 0 1 9 a s 有3 种工作方式：第一种为跳线方式，网卡的i o 和中断由跳线决定；第二种为即插即用方式，由软件进行自动配置 p l u 日a n dp l a y ，解决了多个总线设备共享系统总线时所带来的系统 亘蜜窒塑查兰堕圭堑窒竺兰焦笙塞篁! ! 里 底层的资源分配和再分配的问题；第三种为免跳线方式，网卡的i o 和中断由外接的e e p r o m 里的内容决定。在嵌入式应用的场合，如 果可以不使用e e p r o m 的话，可以降低成本，同时又减少连线。因 此，沦文中使用第1 种方式一一跳线方式。工作方式的选择是由 r t l 8 0 1 9 a s 的第6 5 脚j p 决定。当j p = l 时，选择跳线方式；j p = 0 ， 选择p n p 方式或者免跳线方式。 p n p 管脚( 6 6 脚) p n p 管脚决定是选择p n p 方式还是免跳线方式。当j p = i 时，该 管脚不起作用；当j p = 0 ，p n p = 1 时，选择p n p 方式；当j p = 0 ，p n p = 0 时，选择免跳线方式。 a u i 管脚( 6 4 脚) a u i 管脚决定以太网传输介质的类型。a u i = 1 ，使用a u i 接口( 粗 同轴电缆接1 ：3 ) ，现在已经很少用到；a u i = 0 ，使用b n c ( 细同轴电缆 接口) 或u t p 接口( 双绞线接口) 。论文所使用的为双绞线接口，悬空 该管脚( 内置1 0 0 k 电阻拉到低电平) 或者直接接地即可。 p l l 及p l 0 管脚( 7 7 脚及7 4 脚) 网络接口的具体类型由这两个管脚决定，如表2 - 2 所示： 表2 2 选择以太网接口类型 p l lp l 0m e d i u mt y p e 00t p c xa u t o d e t e c t l r 】0 b a s e tl i n kt e s t i se n a b l e d ) 011 0 b a s e tw i t hl i n k t e s td i s a b l e d 1ol o b a s e 5 1l1 0 b a s e 2 论文中选择第一种方式一一自动检测方式( 此时，a u i 、p l l 及 p l 0 管脚处于悬空或接地状态) ，这时r t l 8 0 1 9 a s 会自动检测接口类 型，然后开始工作。如果检测到1 0 b a s e t 电缆信号，则选择接口类 型为u t p ，否则选择b n c 。r t l 8 0 1 9 a s 通过u t p 接口与以太网相连的 示意图如图2 3 所示，图中r j 4 5 为双绞线连接器。 堕堕至堕奎兰堡圭堡壅竺兰焦堡塞篁! ! 耍 t p d q 田黼 仑 如肋1 吼峪2 0 f 0 0 1 nr h 5 一太 i 网 t p o u r u 1 p o i 肘 图2 - 3r t l 8 0 1 9 a s 与以太网的连接示意图 i o s 3 、i o s 2 、i o s l 及i o s o 管脚( 8 5 、8 4 、8 2 及8 1 脚) 这几个管脚决定芯片的i o 端口，有1 6 种端口地址可以选择f 具 体的端口地址选择参见芯片手册) 。基于简单，论文中选择的端口基 地址为3 0 0 h ，将这几个管脚悬空即可( r t l 8 0 1 9 a s 中任何悬空的输 入管脚的状态都是低电平) 。此时，对芯片操作的i o 地址范围为： 0 3 0 0 h 0 3 l f h 。由于主控设备分配给r t l 8 0 1 9 a s 的i o 地址范围为： 8 0 0 0 h 8 0 f f h ，所以地址8 0 0 0 h 对应于0 3 0 0 h ，依次类推。 i r q s 0 一i r q s 2 管脚( 7 8 8 0 脚1 芯片的中断由哪个引脚输出由这几个管脚决定，可以有八种选 择方式。基于简单，论文中将这几个管脚悬空，选择i n t 0 ( 4 脚) 做中 断源。 a e n ( 3 4 脚) 相当于芯片的片选信号，低电平有效。 r s t d r v ( 3 3 脚) r s t d r v 是复位信号输入管脚。r s t d r v 为高电平有效，至少 需要8 0 0 n s 的宽度。给该引脚施加一个1 u s 以上的高电平就可以复 位。 ( 3 ) r t l 8 0 1 9 a s 的内部寄存器 r t l 8 0 1 9 a s 的内部寄存器分为四页，每页有1 6 个寄存器，通过 对内部寄存器的操作就可以实现与以太网的通讯。内部寄存器的分 配详见表2 3 。 表2 3r t l 8 0 19 a s 的内部寄存器 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 n o p a g e 0p a g e lp a g e 2p a g e 3 ( h e x ) rwr wrrw 0 0c rc rc rc rc rc r 0 1c l d a 0p s t a r tp a r op s t a r t9 3 4 6 c r9 3 4 6 c r 0 2c l d a lp s t o p p a r lp s t o pb p a g e8 p a g e 0 3b n r yb n r yp a r 2c o n f i g o 0 4t s rt p s r p a r 3t p s rc o n f i g l c o n f i g l 0 5n c rt b c r op a r 4c o n f i g 2c o n f i g 2 0 6 f i f ot b c r lp a r 5c o n f i g 3 c o n f i g 3 0 7 i s ri s rc u r rt e s t 0 8c r d a 0r s a r o m a r 0c s n s a v 0 9c r d a lr s a r lm a r l h l t c l k 0 a8 0 1 9 i d or b c r 0m a r 2 o b8 0 1 9 i d lr b c r l m a r 3i n t r o cr s rr c r m a r 4r c rf m w p 0 dc n t r 0 t c rm a r 5t c rc o n f i g 4 o ec n t r