（轮机工程专业论文）基于嵌入式tcpip协议栈的can总线应用.pdf

中文摘要 摘要 c a n 总线属于现场总线的一种，已经在众多的工业领域得到广泛的应用。而以 t c p i p 协议为基础的i n t e r n e t 现在已经不仅仅限于连接普通的计算机，也开始向 工业领域发展。基于上述现状，在实验室条件下，本文实现了一种c a n 总线与以 太网的连接方案。该方案是以嵌入式网关为基础，向上连接i n t e r n e t ，向下连接 现场设备，并实现对设备的监控。 本文所实现的系统，在硬件上，利用w 7 8 e 5 1 6 b 单片机为核心构建了嵌入式网 关，其中包括以r t l 8 0 1 9 a s 为控制芯片的以太网接口，以s j a l 0 0 0 为控制芯片的 c a n 总线接口以及r s 2 3 2 串v i 。在软件设计上，由于要实现嵌入式t c p i p 协议栈， 对系统的实时性有较高的要求，因此采用嵌入式实时操作系统“c o s - i i 做为软件 平台，并完成了“c o s - i i 在w 7 8 e 5 1 6 b 上的移植，网卡驱动程序、c a n 总线驱动程 序的开发。由于嵌入式实时操作系统“c o s i i 中并没有包含t c p i p 组件，因此， 本文采用了u i p 这个精简的t c p i p 协议栈，将其应用到此o s i i 中，实现了嵌入 式t c p i p 协议栈。 本文在应用网络技术、计算机接口技术、嵌入式系统技术的基础上，实现了 c a n 总线与以太网的互联，使得在以太网上就可以对c a n 总线的数据进行收发，并 监控c a n 总线上的设备。在实验室现有条件下，建立了模型实验系统，进行了调 试，实现了上述功能，为实际船舶网络检测系统的应用，打下技术基础。 关键词：以太网；c 州总线；嵌入式i o p i p 协议；肛0 s i i ；网关 英文摘要 a p p l i c a t i o no fc a n b u sb a s e do ne m b e d e dt c p i ps t a c k a b s tr a c t c a nb u sa sak i n do ff i e l d b u sh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s t r i a lf i e l d s a n d i n t e r n e t ，w h i c hb a s e do nt h et c p i pp r o t o c o l ，b e g i n st oe n t e rt h ei n d u s t r i a lf i e l dg o b e y o n di t sn a t u r a lu s eo np c t h ep a p e ri n t r o d u c e sa l ls y s t e mc o n n e c tc a nb u sa n d e t h e r n e t t h es y s t e mb a s e do ne m b e d e ds y s t e md i r e c t l yl i n kw i t he t h e r n e ta n dc a n b u s ，s u p e r v i s eu n d e r l a y e re q u i p m e n t t h es y s t e mi nt h i sp a p e ri sc o m p o s e do ft w or e a l a t e dp a r t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eo b j e c to fh a r d w a r ed e s i g ni st ob u i l ta ne m b e d e dg a t e w a y ，w h i c hi n c l u d ee t h e r n e t i n t e r f a c e ，c a nb u si n t e r f a c ea n dr s 2 3 2i n t e r f a c e e n h a n c e d8 0 51 c o m p a t i b l e m i c r o c o n t r o l l e rw 7 8 e 516 ba st h ec o r eo ft h eg a t e w a y ，i t sh a v et w oc r u c i a lp e r i p h e r a l c h i p ss j a l 0 0 0a n dr t l 8 0 1 9 a s 0 nt h eo t h e rh a n d ，w ec h o o s er e a lt i m eo p e r a t i n g s y s t e ma c o s i ia st h ep l a t f o r mo fs o f e w a r et om e e tt h er e q u i r m e n to fr e a lt i m eo w i n g t ot h er e a l i z a t i o nf oe m b e d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c k ，a n da c c o m p l i s ht h em i g r a t i o no f 比c o s i io nw 7 8 e 5 1 6 b ，t h ed r i v e r so fs j a l 0 0 0a n dr t l 8 0 1 9 a su n d e r “c o s i i c o s i ii sas i m p l er t o s ，t h e r ei sal a c ko ft c p i pp r o t o c o ls t a c k s o ，w ec h o o s e u l pp r o g r a m m e d b ya d a md u n k e l sa p p l yt oi z c o s i is u c c e s s f u l l yr e a l i z et h ee m b e d e d t c p i pp r o t o c o ls t a c k t h ep a p e ri n v o l v e ds o m et e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e rn e t w o r k ，s c mi n t e r f a c e ， e m b e d e ds y s t e ma p p l i c a t i o n b a s e do nt h e s et e c h n o l o g i e s ，l a b o r a t o r i a lm o d e ls y s t e mi s e s t a b l i s h e d t h es y s t e ma c c o m p l i s ht h ec o n n e c t i o no fc a nb u s a n de t h e r n e t ，a n dl a y t e c h n i q u ef o u n d a t i o no fa c t u a la p p l i c a t i o no nb o a r d k e yw o r d s ：e t h e r n e t ：c a nb u s ；t c p f l p ；p c o s i i ；g a t e w a y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ! 基士嵌式! g 丝怂这挂的丛总线座囝：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 、 论文作者签铂拈年之月伊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 不保密d ( 请在以上方框内打“”) 一者签魄翳茎器，勺轷乞 日期：) ，州年z 7 月， 日 嵌入式t c i i p 协议栈的c a n 总线应用 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 现场总线技术是适用于工厂底层设备与仪表通信的计算机网络，它的出现导 致了传统控制系统结构的变革，分布在现场的智能设备通过现场总线连为一体， 这就是所谓的现场总线控制系统。现场总线的研究工作起始始于8 0 年代，国际电 工委员会i e c 于1 9 8 4 年开始着手制定国际性现场总线标准，但进展非常缓慢。从 用户应用的角度来看，多种现场总线标准并立并不是一件好事，因为在一个具体 应用中可能会涉及到多种使用不同标准的现场总线设备，需要解决不同标准的系 统之间的互连和互操作的问题，这必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。 从信息集成的观点来看，现场总线的底层信息必然要和上层的通用局域网连接， 将底层信息集成到车间、公司级的数据库中，甚至通过w e b 方式浏览和交互控制。 为了解决这一系列问题，人们想到了采用单一的协议，和在局域网中已经得到广 泛使用的以太网【h l 。近年来随着以太网技术的进一步发展和完善，特别是通信速 率的提高和交互技术的应用，使得将以太网技术应用于现场控制领域成为了可能， 这对工业控制网络产生了新的影响。 从目前的趋势来看，以太网已经进入了现场控制级，但是已有的现场总线仍 将继续存在，工业以太网能占领一定的市场。从现实来看，以太网扩展了现有的 系统，但是现场总线不可能完全被工业以太网所替代，而后者的潜力巨大，其应 用领域一定会不断扩大。所以，将现场总线于以太网结合，从而实现底层生产与 上层管理的紧密集成，已经成为一种趋势。目前现场总线技术的三大领导者 - r 0 c k w e l l 、f f 、s i e m e n s ，已分别提出了各自的解决方案，由以r o c k w e l l 为主的 o d v a ( o p e nd e v i c e n e t v e n d o ra s s o c i a t i o n ，开放设备网络供应商协会) 提出 e t h e r n e t i p ；f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，基金会现场总线) 的h s e ( n i g hs p e e de t h e r n e t ， 高速以太网) ；西门子的p r o f l n e t l 5 1 1 6 】。从实际应用上来看，联接各种现场总线和 以太网的嵌入式网关成为今后研究的重点。 c a n 总线是众多现场总线的一种，在船舶自动化领域已经得到了广泛的应用， 第1 章绪论 如：机舱的巡回检测、船舶电站监控以及船舶火灾报警系统。将嵌入式网关应用 于船舶中，实现底层控制网络和上层信息网络的互连。增强船舶的信息集成，对 船舶集成平台管理系统的形成有着重大意义f 们。 1 2 嵌入式操作系统 要实现以太网和现场总线的互连，就是要完成t c p i p 协议与现场总线协议的 转换，以及多个接口之间数据的接收和发送。这些对网关的实时性提出很高的要 求，因此有必要选择一个合适的嵌入式操作系统去支持t c p i p 协议的实现。 1 2 嵌入式系统 嵌入式系统诞生至今，在世界范围那还没有一个准确的定义。国际电气和电 子工程师协会i e e e ( 1 n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 的定义是：嵌入 式系统是对设备、机器及车间的运作，进行控制、监视或者辅助的装置。另外还 有一个比较通俗易懂的定义t 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用 户、面向产品，面向应用，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统应具有高可靠性： 在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作【1 1 l l l 2 1 。 嵌入式系统的主要特点有： 硬件，嵌入式系统在功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力等方面均 受制约。与通用计算机不同，嵌入式系统的硬件必须高效率地设计，量体裁衣、 去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 软件；嵌入式系统的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理 器系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同。嵌入式系统应用软件要 求固化存储，一般存储在存储器芯片或单片机本身中。另外，由于嵌入式系统存 储空间的限制和实时性方面的要求，软件代码要求赢质量、高可靠性，以减少程 序二进制代码长度、提高执行速度。 嵌入式系统集软件与硬件于一体，适合应用于要求实时和多任务的场合。硬 件有：嵌入式处理器、存储器和其他相关支撑硬件 软件又分为应用软件和操作 嵌入式t c p a p 协议栈的c a n 总线应用 系统【1 3 1 。对于要求多任务和实时性的应用，就可以选择一个嵌入式操作系统作为 系统软件。它是应用软件和硬件之间的过度层。本文所要研究的课题就是一个实 时、多任务系统的应用。 1 2 2 嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统1 1 4 l ( r t o s r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是嵌入 式应用软件的基础和开发平台。顺应着嵌入式系统的应用的需要，现在的嵌入式 系统从简单的但是无法应用于复杂项目且实时性无法保证的前后台系统 ( f o r e g r o u n d b a c k g r o u n d ，如图1 1 ) ，过渡到嵌入式实时操作系统，无论可靠性、安 全性以及软件的可移植性都产生了质的飞越。r t o s 使得实时应用程序的设计和扩 展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过应用程序把设计分割成 为若干独立的任务，使得应用程序的设计过程大为简化使用可剥夺性内核时， 所有时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快捷、有效的处理。通过有效的服务， 如信号量、邮箱、队列、延时和超时等，r t o s 使得资源得到更好的利用。 卜后台叫 i s r = 二二 图1 1 前后台系统 f g 1 1f o 他g r o u n d b a c k g m u n ds y s t e m 第1 章绪论 r t o s 其实是一段已经包装好的代码，这段代码需要固化到嵌入式系统中，作 为一个整体向用户提供服务，系统复位后r t o s 先子用户程序执行。用户的应用程 序是运行于r t o s 上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进行资源( c p u ，定 时器，内存等) 的管理，任务的切换。编写程序时，只要分别编写不同的任务，而 不必将全部任务运行时候的各种可能情况记在心中，大大减少了程序编写的工作 量，也减少了出错的可能性，使得用户可以写很少的代码实现复杂的功能。 当前的嵌入式实时操作系统种类繁多，从商业的角度上分为：商用型( 使用要 收费) 和免费型。商用型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售 后服务，但往往价格昂贵，比如风河( w i n d r i v c r ) 的v x w o r k s ，3 c o m 的p l a mo s ， m i c r o w a v e 的o s 9 。以及w i n d o w se m b e d d e d 等等，这些商业型除了提供实时性极强 的内核，还包括输入输出管理、视窗系统、文件系统、网络组件、语言接口库、 调试软件，交叉编译平台工具。而这些都造就了商业系统的高价；免费型的实时 操作系统在价格方面具有优势，但大多数都是爱好者们开发或者改进的，目前比 较流行的有l i n u x 和g c o s 1 1 1 1 5 1 1 1 6 1 。 本课题选用的是由美国x j e a nj l a b r o s s e 编写的实时操作系统u c o s a l 。选择 m c o s i i 是因为，它是一个完全免费的实时内核。有利于降低开发成本；提供丌放 的源代码，有利于用户的理解；z c o s i i 的应用已经有很多成功的范例，保证了 该实时内核的高可靠性和实时性；另外，p c o s i i 本身很小，而且每个任务可以 使用不同大小的堆栈，使佩, c o s i i 可以在r o m 和r a m 空间都有限的单片机上 移植i 切。m c o s 1 1 支持多任务，而本课题的应用就是一个多任务应用。 1 3 嵌入式t c p i p 协议 t c p i p 的前身是由美国国防部在2 0 世纪6 0 年代末期为其远景研究规划署网 络( a r p a n e t ) 而开发的【堋。t c p i p 协议不是单指某个协议，而是一组小的、专业化 协议，包括t c p 、i p 、u d p 、a r p 、i c m p 以及其他的一些被称为子协议的协议。 t c p i p 协议涵盖了i s o o s i 模型中的网络层、传输层、会话层和应用层。高级的 操作系统中可支持完整的t c p i p 协议族，但在嵌入式系统中大多很难做到。因为 嵌入式t c p i p 协议栈的c a n 总线应用 嵌入式系统的应用环境决定了嵌入式t c p i p 协议栈通常应用于特殊的、专用的领 域，嵌入式系统的片上资源有限，不必要像标准的t c p i p 协议栈一样提供完整的 协议体系，往往是根据具体的应用提供不同的协议模块【x 9 - 2 q 。 嵌入式t c p i p 协议栈有多种实现方法，常见的有以下几种： ( 1 ) 使用自身就带有t c p i p 组件的嵌入式操作系统，由于操作系统自带 t c p i p 组件，使得这种实现方法的效果理想，但此类操作系统多为商用，因此也 大大增加了开发的成本： ( 2 ) 采用软件开发包进行二次开发，使用适用于5 1 单片机上的免费t c p i p 协 议栈，将其移植到嵌入式实时操作系统g c o s i i 中要实现特定的网络功能只需 要调用软件包中相对应的函数。该方法需要做的工作较多，但是成本低廉，可以 广泛应用： ( 3 ) 使用已有的t c p i p 芯片直接作为以太网口，例如韩国w l z n e t 公司的硬件 化t c p i p 协议芯片w 3 1 5 0 a ，美国u b i c o m 公司的网络处理器i p 2 0 2 2 。这种方法 的优点是可靠性高，执行速度快，但往往对用户来说其价格昂贵，造成开发成本 升高。 # c o s i i 是一个性能优良的免费嵌入式操作系统，可是它没有包含t c p i p 协 议组件，这就意味着t c p i p 协议栈需要开发人员进行设计。本课题所实现的嵌入 式t c p i p 协议栈采用的是第二种方法。 1 4c a n 总线技术 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 是控制局域网总线的简称，是德国b o s c h 公司为 现代汽车电子应用领先推出的一种多主机局域网，是国际上应用最广泛的现场总 线之一。该总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。 1 4 1c a n 总线的特点 c a n 总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，与一般的 通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，c a n 总线具有如下特点【2 1 1 1 2 2 ： 第1 章绪论 ( 1 ) c a n 总线为多主站总线，各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信 息，且不分主从； ( 2 ) c a n 总线采用独特的菲破坏性总线仲裁技术，商优先级节点优先传送数 据，故实时性好： ( 3 ) c a n 总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能；c a n 总 线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8 个，数据传输时问短，并有c r c 及其 它校验措施，数据出错率极低； ( 4 ) c a n 总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其他 操作不受影响 ( 5 ) c a n 总线系统扩充时。可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统扩 充容易，改型灵活； ( 6 ) c a n 总线的最大传输速率可达1 m b s ，直接通信距离最远可达到1 0 k m ( 速 率在5 k b p s 以下) ； ( 7 ) c a n 总线上的节点数取决于总线驱动电路。在标准帧( 1 l 位报文标识符) 时可达到1 1 0 个，而在扩展帧( 2 9 位报文标识符) 时，个数不受限。 由于其特点，c a n 总线的应用范围已不再局限于汽车行业，而向机械工业、 医疗器械、机器入、数控机床及传感器等领域发展。 1 4 2c m 总线的分层结构 c a n 遵从o s i 模型，按照o s l 基准模型，c a n 结构划分为两层：数据链路 层和物理层( 包括逻辑链路子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ) ，具体分层结构如 图1 2 所示i 捌。 l ie 子层的主要功能有：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。为数据传送和 远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层接收的报文已被接收，并为恢复管理和 通知超载提供信息。 m a c 子层的主要功能有；发送数据封装，发送媒体访问管理，接收媒体访 问管理、接收数据卸装。m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接 嵌入式t c p i p 协议栈的c a n 总线应用 收到的报文和对l l c 子层发送的认可报文。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应 答、错误检测标定。m a c 子层由称为故障界定的一个管理实时监控，它具有识 别永久故障或短暂扰动的自检机制。 o s i 参考层 逻辑连接控制( l l c ) 接收过滤 过载提示 故障恢复 媒体存取控制( m a c ) 一数据辩包解封包 帧编码f 停元插去除 错误捡静告知 一序列箱镧，序列恢复 物理信号僧l s ) 位元编码懈码 i 【元定时，葡步 物理媒体且连( p m a ) + 驱动罂艘收罄特性参数 、l 媒体相关的接口( m d i ) 连蓑嚣 图1 2c n 总线的分层结构 f i g 1 2l a y e r so fc a nb u s 1 5c a n e t h e r n e t 网关的实现办法 实现c a n 总线和以太网的互连，所搭建的硬件系统中要包含c a n 接口和以 太网接口1 2 4 j 。现有的微控制器和微处理器上，集成串1 3 和c a n 总线控制器的单片 机和d s p 很多，比较容易取得，而且价格容易接受，例如1 r i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，菲利普公司的p 8 7 c 5 9 1 8 。而对于自带以太网接口的微处理，由 于以太网控制器的功能复杂，所以大多是在一些3 2 位的c p u 上实现，例如f r c c s c a l c 的m c f 5 2 2 3 x 系列就提供1 0 1 0 0 快速以太网控制器，但通常价格较贵。对于t c p i p 协议的实现已经在第三节里面初步讨论过，第四章将会详细介绍嵌入式t c t i p 协 议的实现方法。 综上所述，实现c a n 总线与以太网的连接方案可以有以下三种： 第1 章绪论 ( 1 ) 采用3 2 位c p u 与嵌入式操作系统的组合，利用3 2 c p u 丰富的片上资源 和高性能，还有嵌入式操作系统中已经包含的t c p a p 组件。这种方法的最大优点 是效果理想，缺点是成本较高； ( 使用普通的8 位单片机加t c p w 协议栈。硬件上：使用r t l 8 0 1 9 a s 和 s j a l 0 0 0 分别实现以太网接口和c a n 接口。优点是所需器件容易获得且价格便宜， 缺点是结构复杂，集成度低，但是可以更好的了解系统设计的原理； ( 3 ) 利用微机或者性能优良的嵌入式系统作为嵌入式网关，将现场总线网络与 i n t e m e n t 相联，向上联接以太网设备，向下联接到c a n 总线网络。 针对以上方案，本设计在硬件上采用：网卡芯片( r t l 8 0 1 9 a s ) + 微处理器 ( w 7 8 e 5 1 6 b ) + c a n 控制器( s j a l 0 0 0 ) + c a n 收发器( p c a 8 2 c 2 5 0 ) ；软件上使用以 二次开发软件包形式出现的t c p i p 协议栈一一t l l p ，和嵌入式实时操作系统 # c o s i i 。总体的硬件模块结构图如图1 3 所示。 图1 。3 t 系统总体结构示意图 f i g 1 3t h es k e t c hm a po fs y s t e m 1 。6 本文主要研究内容和结构 1 6 1 本文主要研究内容 使用w i n b o n d 公司生产的8 位单片机w 7 8 e s l 6 b 为m c u ，开发一个能够连 接c a n 总线和以太网的嵌入式网关。主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 提出基于嵌入式t c p i p 协议栈的c a n e t h e m e t 网关的解决方案； 嵌入式t c p i p 协议栈的c a n 总线应用 ( 2 ) 在w 7 8 e s l 6 b 中移植嵌入式操作系统# c o s i i ； ( 3 ) 网卡芯片驱动程序以及c a n 总线控制芯片驱动程序的编写； “) 嵌入式t c p i p 协议的实现； ( 5 ) 以w i n b o n d 公司生产的8 位c p l w 7 8 e 5 1 6 b 、网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 、 c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 以及嵌入式实时操作系统：c o s i i 为主，构造具有连接 。气n 总线和以太网功能的嵌入式系统。 1 6 2 本文结构 本文重点研究了如何利用嵌入式t c p f l p 协议栈来实现c a n 总线和以太网互 连的嵌入式网关。从硬件和软件两个方面给出了实现c a n e t h e m c t 网关的方法。 第一章叙述选题的背景和意义，对网关的实现提出总体方案；第二章是详细介绍 嵌入式网关硬件的构成，以及各接口电路的设计；第三章介绍嵌入式实时操作系 统# c o s i i 的移植，对移植中的注意事项进行详细讨论；第四章主要介绍软件的 设计，包括嵌入式t c p i p 协议的实现、网卡芯片和c a n 控制器驱动程序的开发； 第五章是利用嵌入式t c p i p 协议栈实现c a n 总线上的现场数据到以太网的传送。 第2 章硬件系统设计 第2 章硬件系统设计 系统在硬件设计上应该为c a n 总线和以太网的连接提供物理接口。主处理器 w 7 8 e 5 1 6 b 本身并没有集成c a n 控制器或以太网控制器，因此要在w 7 8 e 5 1 6 b 的 外围添加c a n 控制器和以太网控制器，来实现链路层的功能。w 7 8 e 5 1 6 b 控制 以太网控制器r n 舶1 9 a s 的控制电路，w 7 8 e 5 1 6 b 与c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 的接口电路是硬件设计中的重点f 2 5 l i 撇。硬件平台设计还包括；电源设计；存储器 的扩展：c a n 总线控制器与收发器的接口电路；r s 2 3 2 串行口的设计，串口可以 作为系统调试时计算机与硬件平台的接口，并实现i s p 功能。 2 1 主控芯片w 7 8 e 5 1 6 b 的功能 w 7 8 e 5 1 6 b 是具有带i s p 功能的h a s he p r o m 的低功耗8 位微控制器；i s i 功 能的f l a s he p r o m 可用于固件升级。它的指令集同标准8 0 5 2 指令集完全兼容。 w 7 8 e 5 1 6 b 包含6 4 k 字节的主r o m 、4 k 字节的辅助r o m ( 位于4 k 字节辅助r o m 中的装载b o o t l o a d e r 程序，可以让用户更新位于6 4 k 主r o m 中的程序内容) 、5 1 2 字节片内r a m | 4 个8 位双向、可位寻址的i o 口；一个附加的4 位i o i p 4 ：3 个1 6 位定时计数器及一个串行口。这些外围设备都由有8 个中断源和2 级中断能 力的中断系统支持。为了方便用户进行编程和验证，w 7 8 e 5 1 6 b 内含的r o m 允 许电编程和电读写嘲。其特性如下： 全静态设计的c m o s 8 位微处理器最高达4 0 m h z ； “k 字节并带i s p 功能的f l a s he p r o m ，用来存储应用程序( a p r o m ) ： 4 k 字节的辅助r o m ，用来存储装载程序( l d r o m ) ； 5 1 2 字节片内暂存r a m ( 包括2 5 6 字节的软件可选的a u x r a m ) ： 6 4 k b 程序存储器地址空间和6 4 k b 数据存储器地址空间； 4 - i - 8 位双向f o 口； 夺一个4 位多功能可编程口# 3 个1 6 位定时计数器； 嵌入式t c p i p 协议栈的c a n 总线应用 一个全双工串行口( u a r t ) 8 个中断源，2 级中断能力； 内建电源管理； 代码保护机制； w 7 8 e 5 1 6 b 有三种封装形式：d i p 4 0 ：w 7 8 e , 5 1 6 b - 4 0 ；p l c c 4 4 ：w 7 8 e 5 1 6 b p 4 0 ： p q f p4 4 ：w 7 8 e 5 1 6 b f - 4 0 ，本课题在设计中采用的是p ic c 4 4 封装形式，其外形及 引脚如图2 1 所示： p 5 p ，6 p 7 r s 7 啪p 3a 雕3 t x 0 3 # n 0 3 2 饿t lp 33 了。p 文4 t 1 蹭 5 7 65 3 2 “4 3 蛇4 抬0b 州 g 3 6 口鼬o 蹦 o 3 7 b 砷e 。 瑚 口 口7 。a d 7 1 弱b - 7 a 位3 4bp 4 3 3 3 臼a l e 珥 3 2 p 瓦商 5 3 口毁7 劓5 增 口吃o a 1 4 1 磊1 。2 。2 12 ：2 32 42 52 e 2 72 擎 】嗽舢3 p p 33 7 ：； wr rc 图2 1 7 8 e 5 1 6 84 4 引脚p l c c 封装 f i g 2 1 p l c c4 4f o o t p r i n to fw 7 8 e 5 1 6 b 2 2 存储器扩展电路 在系统的硬件平台上，w 7 8 e 5 1 6 b 是整个硬件部分的控制中心，主要负责把 从以太网来的数据帧解包和把现场采集的数据封装成以太帧。考虑到以太网数据 包最大可以达到1 5 1 8 字节，单片机只有5 1 2 字节片内r a m 不可能存储这么大的 d 3 p o 3 d 2 p 口2 opo， c o p o o p24，2p2，1 p 2 2 0 ，2，0 p 2 0 $ p o v s s x t l ，x 0 2 第2 章硬件系统设计 数据包，因此硬件平台必须有足够的缓冲来存储和接收以太网数据包。系统扩展 一片3 2 k 的片外ra m - h m 6 2 2 5 6 。由于采用了嵌入式实时操作系统# c o s i i 多任务的编程方式，每个任务会占用一定的r a m 空间做为仿真堆栈，留有足够的 r a m 空间，也方便了程序的扩展，为今后系统功能的增加留有了余地。 图2 2 存储器扩展电路 f i g 2 2e x t e n d e dr a m c i r c u i t 扩展电路如图2 2 所示；p 0 口为地址数据复用口，通过锁存器7 4 h c 3 7 3 与 6 2 2 5 6 的地址线a 0 - a 7 相连，7 4 h c 3 7 3 锁存地址的低八位。6 2 2 5 6 的a 8 一a 1 4 接 w 7 8 e 5 1 6 b 的p 2 o p 2 6 ，所以外部数据存储器6 2 2 5 6 的单片机寻址范围为 0 0 0 0 h 7 f f f 矾。6 2 2 5 6 的o e ，w e 引脚分别接w 7 8 e 5 1 6 b 的读写引脚，c e 接译 码器的输出。6 2 2 5 6 的d 0 d 7 直接和w 7 8 e 5 1 6 b 的p 0 0 p o 7 。 2 3 以太网接口模块 以太网接口电路包括w 7 8 e 5 1 6 b 对网卡芯片r t l8 0 1 9 a s 的控制电路、网隔 嵌入式t c p i i 协议栈的c a n 总线应用 电路，以及r t l 8 0 1 9 a s 的外围电路。 2 3 1r t l 8 0 1 9 8 介绍 r t u 1 9 a s 是r e a l t e k 公司生产的以太网接口芯片，r t i a ；0 1 9 a s 是i s a 接口 的通用e t h e r n e t 网络接口芯片，也就是说，与单片机能够直接相连，其内部没有集 成所需的外围电路。r e a i t e k 公司生产的另一种m a c 网络接口芯片是具有p c i 接 e l 的r t l s 0 2 9 a s ，其内部集成了网卡电路所需的外围部件 2 s l 。r t l 8 0 1 9 a s 主要 性能如下： 1 0 0 脚的t q f p 封装，缩d 、p c b 尺寸； 适应于e t h e m e t ( 以太网) 、i e e e 8 0 2 3 、 夺支持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； 单一电源，仅用5 v 电源供电，支持跳线和无跳线模式； 支持4 个带可编程输出的诊断i j e d 引脚； 内置1 6 k 的s r a m ，用于收发缓冲，支持单一寻址、多址寻址和广播方式 按数据链路的不同，可以将r t l 8 0 1 9 a s 内部划分为远程d m a ( r e m o t ed m a ) 通道和本地d m a ( 1 0 c a lo m a ) 通道两个部分。本地d m a 完成控制器与网线的数 据交换，主处理器收发数据只需对远程d m a 操作。当主处理器要向网上发送数据 时，先赋值于r e m o t ed m a 的起始地址寄存器r s a r o 、r s a r l 和字节计数器 r b c r 0 、r b c r l ，然后将一帧数据通过远程d m a 通道送到r ，兀1 9 a s 中的发送 缓存区，发出传送命令。r t l s 0 1 9 a s 在完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发 送。r t l 8 0 1 9 a s 接收到的数据通过m a c 比较，c r c 校验后，由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。 1 3 第2 章硬件系统设计 2 3 2r t l 8 0 1 9 a s 的硬件电路 r t l s 0 1 9 a s 与c p u 的接口有三种工作模式；一是跳线模式( j u m p e rm o d e ) ，二 是p n p 模式( p l u g a n d p l a y ，即插即用) ，三是r t 模式( r t j u m p e f l e s s m o d e ，免跳线 模式1 。以太网控制器使用哪种方式由r t l 8 0 1 9 a s 的第6 5 脚”决定。p n p 模式是 自动配置底层插件，r t l s 0 1 9 a s 工作在p n p 模式时需要使用e e p r o m 为配置寄 存器，主要用于与p c 机的连接，嵌入式系统不用。r t 模式下，r t l s 0 1 9 a s 的配 置也是由e e p r o m 决定的。本设计中6 5 脚接高电平，工作于跳线模式，r 1 r i 卫0 1 9 a s 的配置由引脚的开关状态决定。 图2 3r t l s 0 1 9 a s 接口电路圉 f i g 2 3r t l 9 0 1 9 a si n t e r f a c ec i r c u i t 嵌入式t c p i p 协议栈的c a n 总线应用 r t l 8 0 1 9 a s 的硬件接口电路图如图2 3 所示：引脚8 5 ，8 4 ，8 2 ，8 1 ( i o s 3 i o s o ) 接地，r 1 r i 上0 1 9 a s 内部寄存器的基地址从3 0 0 h 开始，r 1 18 0 1 9 a s 地址偏移量为 o o h 1 f h ，o o h o f h 为寄存器地址，1 0 h 1 7 h 是8 个d m a 地址，做远程d m a 端口，1 8 h 1 f h 共8 个地址，为复位端口；脚9 6 ( i o c s l 6 ) 通过一个2 7 k 的电阻 接地，决定了8 0 1 9 a s 采用8 位数据总线宽度( 高电平时为1 6 位总线方式，低电平 时为8 位总线方式) ；w 7 8 e 5 1 6 b 的p 0 口8 位端口为复用a d 端口，直接与8 0 1 9 a s 的s d 0 s d 7 连接；脚6 4 ( a u i ) 接低电平，r t l 8 0 1 9 a s 与双绞线采用b n c 接口； 脚7 4 ，7 7 ( p l o p l l ) 接地，自动检测以太网接口的通讯介质是否为双绞线；i o r b 、 i o w r 是8 0 1 9 a s 的读写引脚，接到单片机的r d 、w r 怔：s a 0 s a l 9 为网卡的 地址线，s a 0 s a 4 接单片机的p 2 口，s a 8 、s a 9 接高电平，其余的接地；r t l 8 0 1 9 a s 与w 7 8 e 5 1 6 b 同时复位，p 3 5 直接与8 0 1 9 a s 的r s t d r v 引脚相联，单片机用p 3 5 来复位网卡；w 7 8 e s l 6 b 的i n t 0 中断接到r t l s 0 1 9 a s 的引脚4 ( m 0 9 ) ：s m e m r b 、 s m e m w b 接高电平关闭其远程自举加载功能；引脚5 1 ( x 1 ) 、5 2 ( x 2 ) g b 接一个 2 0 m h z 的晶振，构成自激振荡器。 2 3 3 网隔电路 图2 4 网络隔离变压器电路 f i g 2 4m c i r c u i t 第2 章硬件系统设计 网络隔离变压器起信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔 离等作用，以保护系统的安全。r t l 8 0 1 9 a s 通过鼹络隔离变压器与l u 4 5 接口连 接。电路如图2 4 所示：r t l s 0 1 9 a s 通过带有r j 4 5 插头的双绞线接入以太网。 t p o u t + ，t p o u t 一、t p q + 、t p i n 一为r 1 18 0 1 9 a s 的4 5 、4 6 、5 7 ，5 8 输出 信号。 2 4c a n 总线接口模块 2 4 1c 州控制器s j a l 0 0 0 ( 1 ) s j a l 0 0 0 特性 s j a l 0 0 0 是p h i l i p s 公司生产的适用于控制器局域网( c a n ) 的高集成度独立 控制器，支持c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 协议，具有完成c a n 总线通信协议所要求的 全部必要特性，可以完成物理层和数据链路层的所有功能。主要用于汽车和一般 工业环境，具有b a s i c c a n 和p e l i c a n 两种工作方式，在b a s i c c a n 工作方式下， s j a l 0 0 0 软件和硬件兼容p h i l i p s 公司以前推出的p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器，是 p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器的替代产品；在p e l i c a n 工作方式下，s j a l 0 0 0c a n 控 制器符合c a n 2 0 b 协议，支持2 9 位标识符模式1 2 9 l 。其主要特性如下： 引脚及电气特性和p c a 8 2 c 2 0 0 独立c a n 控制器兼容； 夺p c a 8 2 c 2 0 0 模式即默认的b a s i c c a n 模式： 扩展的接收缓冲器( 6 4 bf i f o ) ： 和c a n 2 o b 协议兼容p c a 8 2 c 2 0 0 兼容模式中的无源扩展帧； 同时支持1 1 位和2 9 位识别码； 位速率可达1 m b i t s s ： 2 4 m h z 时钟频率： 对不同微处理器的接口； 可编程的c a n 输出驱动