（通信与信息系统专业论文）基于以太网的嵌入式电源监控系统的研究.pdf

摘要 随着嵌入式技术和工业以太网的迅速发展，电源监控技术开始了从集中监控向网 络监控的演变。传统的通信方式已不能满足监控系统对远程通信的实时性和准确性要 求。因此本文提出将嵌入式以太网技术应用到雷达电源的自动监控系统中，以求达到 实时性、可靠性、智能化的要求。 论文的开始简单介绍了以太网的发展及以太网和其它现场总线的比较，提出了在 电源监控系统中使用嵌入式以太网的必要性。接着根据系统的需要，在硬件设计方面， 采用了飞利浦公司生产的l p c 2 2 1 4 为处理器，以r t l 8 0 1 9 a s 为以太网控制器，完成与远 程监控中心的通信方案：在软件设计方面，以嵌入式操作系统u c o s i i 和嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 搭建嵌入式以太网软件平台。最后，在软硬件平台搭建的基础上，实现了 嵌入式以太网在电源监控系统的应用，编制系统具体的应用程序并设计监控终端和中 央监控中心同时进行传输的应用层保证机制。 关键词：以太网u c o s i i 操作系统l w l p 协议栈电源监控 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a le t h e m e lt h et e c h n o l o g y o fm o n i t o r i n go np o w e rs u p p l yh a se v o l v e df i o mc e n t r a l i z e d m o n i t o r i n g t on e t w o r k m o n i t o r i n g t h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nc a n ta d a p tm o n i t o r i n gs y s t e mt ot h ed e m a n do f r e a lt i m ea n da c c u r a c yi nt e l e c o m m u n i c a t i o n i no r d e rt oa c h i e v et h ed e m a n do fr e a l t i m e ， r e l i a b i l 时a n di n t e l l i g e n c e ，t h i st h e s i su s e st h et e c h n o l o g yo fe m b e d d e de t h e r n e tt or e s e a r c h t h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ep o w e rs u p p l yo f r a d a r a tt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fe t h e r n e ta n dt h e c o m p a r i s o nb e t w e e ne t h e r n e ta n do t h e rf i e l db u s e ss i m p l y , a n dt h e np u t sf o r w a r dt ot h e n e c e s s i t yo fu s i n ge m b e d d e de t h e m e ti nt h em o n i t o r i n gs y s t e mo fp o w e rs u p p l y a c c o r d i n g t o t h ed e m a n do fs y s t e m ，t h el p c 2 2 1 4w h i c hi s p r o d u c e db yp h i l i p si su s e da s m i c r o c o n t r o l l e ra n dt h er t l 8 0 19 a si su s e da se t h e m e tc o n t r o l l e rt oa c h i e v et h e c o m m u n i c a t i o np r o j e c t 、v i t l lt h ec e n t e ro fr e m o t em o n i t o r i n gi nh a r d w a r e t h eu c o s i ii s u s e da se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dl w i pi su s e da se m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l ，b o t ho f t h e mb u i l de m b e d d e ds o f t w a r ep l a t f o r mi ns o f t w a r e i nt h ee n d ，i tr e a l i z e s t h ee m b e d d e d e t h e m e ta p p l i c a t i o ni n m o n i t o r i n gs y s t e m o fp o w e rs u p p l y , d e s i g nt h e i d i o g r a p h i c a p p l i c a t i o n s ，a n ds a f e t yp r o t o c o lo na p p l i c a t i o nl a y e rb e t w e e nm o n i t o r i n gt e r m i n a la n d m o n i t o r i n gc e n t e r k e yw o r d s ：e t h e r n e t u c o s - i il w l p m o n i t o r i n go fp o w e rs u p p l y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于以太网的嵌入式电源监控系统的研究是本人 在指导教师的指导下，独立进行研究1 ：作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包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，均已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：曼i 垒! ! 年三月日 长春理工大学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“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同 意长春理 大学保留并向国家有关部fj 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。本人授权长春理一f ：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。 作者签名：殳询 。i 指导导师签名：勉堡殳足 年三月日 年三月么日 1 1 课题背景 第一章绪论 雷达电源是雷达发射机的动力基础，被称为雷达发射机的心脏。电源系统中各重 要节点的电压、电流、稳定度以及绝缘程度等都对整个用电系统的安全稳定运行起着 关键作用。一旦电源设备发生故障或不符合技术条件，将会造成雷达通信系统的故障， 甚至使整个通信系统瘫痪“1 。随着雷达电源技术含量和复杂度的提高，以及需要操作 和维护的电源种类和数量的大幅度增长，相应的对电源监控系统的实时性、可靠性和 智能化也提出了更高的要求。 然而，传统的电源监控系统大都采用r s - 4 2 2 或r s - 4 8 5 通信接口，虽然成本低廉， 但存在着传输距离短，通信速率低，支持节点数少，难以实现点对点自由通信及组网 难度高等缺点。而且这种方式无法直接与中央监控中心实现通信，需要进行协议的转 换，增加了系统的成本后来引入的现场总线技术其组网方便且抗干扰能力强，但是 由于它没有一个统一的国际标准，不同现场总线的互联非常困难，这就使得现场总线 技术的开放性、分散性和可互操作性等特点难以体现；也给现场总线技术的推广及其 在控制系统的应用带来不利影响“。原有的通信技术由于其自身的局限性，已经不能 胜任新的要求，因此电源监控系统迫切需要引入一种通信速率高、组网方便的通信标 准来解决这一难题。 随着以太网技术在工业控制领域的实现，以太网进行现场通信的实时性、稳定性、 可靠性、安全性正在得到逐步改善和解决。而嵌入式技术的发展进一步推动了以太网 技术在工业控制领域中的应用“1 设计者可以将以太网技术和嵌入式系统相结合实现 嵌入式以太网。嵌入式以太网的出现为电源远程监控系统的设计者提供了实现通信网 络的新途径。 1 2 以太网通信技术概述 1 2 1 以太网的产生及发展 以太网( e t h e r n e t ) 最初于1 9 7 5 年在美国旎乐公司的p a l o a l t o 研究中心研制成功， 该网采用无源电缆作为总线来传送数据帧，故以传播电磁波的以太( e t h e r ) 命名。1 9 8 1 年美国施乐公司、数字装备公司( d i g i t a l ) 和英特尔( i n t e l ) 公司联合推出以太网 ( e t h e r n e t ) 规约，1 9 8 2 年修改为第二版d i x e t h e r n e tv 2 。在此基础上，电气和电子 工程师协会( i e e e ) 制作i e e e8 0 2 3 标准。i e e e8 0 2 3 标准规定整个网络最大作用距离 为2 8 k m ，最大站点数为1 0 2 4 ，通过集线器，网桥，交换机及路由器等设备，可以方 便的组成一个完善的以太网络。严格来讲，e t h e r n e t 与i e e e 8 0 2 3 在m a c ( 介质访问控 制) 层上采用相同的c s m a c o 协议以及极为类似的帧格式，但并不完全相同，只是人们 习惯上通常将i e e e8 0 2 3 标准视为e t h e r n e t 。 目前，e t h e r n e t 按其传输速率可分成l o m b se t h e r n e t 、l o o m b se t h e r n e t 和 1 0 0 0 m b se t h e r n e t ，每种e t h e r n e t 又根据不同的物理介质有多种物理子标准，形成 了一个i e e e 8 0 2 3 标准系列。无论何种e t h e r n e t ，其m a c 层均采用争用型的介质访问 控制协议，即c s m a c d 。 以太网的核心技术就是采用这种称为载波监听多路访问冲突检测c s m a c d 的介质 访问技术。在以太网中任何连接网点都没有可预约的发送时间，它们的发送都是随机 的，并且网中不存在集中控制的节点，网中的结点都必须平等地争用发送时间。每一 个节点利用总线发送数据时，首先要侦听总线的忙、闲状态，如检测到有冲突时，结 点停止发送数据，随机延迟后重发。也就是说，多个工作站都连接在一条总线上，所 有的工作站都不断地向总线发送监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上 进行传输，其它工作站必须等待其结束后再开始自己的传输。冲突检测方法保证了只 能有一个站在电缆上传输。 1 2 2 以太网通信技术的优点 ( 1 ) 应用广泛 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎大多 数编程语言都支持e t h e r n e t 的应用开发，如j a v a ，v i s u a lc 抖及v i s u a lb a s i c 等。 这些编程语言由于使用广泛，受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因 此，如果采用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境以供选择。 ( 2 ) 成本低廉 由于以太网的应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视与广泛支 持，有多种硬件产品供用户选择。而且由于应用广泛，硬件价格也相对低廉。目前以 太网的价格是p r o f i b u s ，f f 等现场总线的十分之一，并且随着集成电路技术的发展， 其价格还会进一步下降。 ( 3 ) 通信速率高 目前以太网的通信速率为i o m ；1 0 0 m 的快速以太网开始广泛应用；1 0 0 0 m 以太网技 术逐渐成熟；1 0 g 以太网也正在研究，其速率比目前的现场总线快得多。以太网可以满 足对带宽的更高要求。 ( 4 ) 软硬件资源丰富 由于以太网已应用多年，人们对以太网的设计、应用等方面有很多的经验，对其 技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的开发和培训费用， 从而可以显著降低系统的整体成本，并大大加快系统的开发和推广速度。 2 ( 5 ) 可持续发展潜力大 由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视。并且，在这信息瞬息 万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效的通信管理网络， 信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此保证了以太网技术不断地 持续向前发展l s i l 6 i 。 因此，工业控制网络采用以太网，就可以避免使其游离于计算机网络技术的发展 主流之外，从而使工业控制网络与信息网络技术互相促进，并保证技术的可持续发展。 1 3 国内外研究现状分析 将嵌入式系统与以太网相结合的想法由来己久，主要的困难在于当时的以太网在 速度和确定性等方面都有很大欠缺，不能满足工业通信网络要求。另外，各种网络通 信协议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等要求比较高，当时的嵌入式系统中除 部分3 2 位以上的处理器外，都无法达到这一要求。 随着工业以太网在速度上不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技术的融入， 以太网与工业通信网络的差距正在逐步缩小。近年来，嵌入式技术的发展进一步推动 了以太网技术在工业控制领域中的应用。由于嵌入式系统具有体积小、功耗低、可靠 性高以及面向行业应用的突出特点，目前己广泛地应用于军事国防、消费电子、网络 通信、工业控制等各个领域。而基于嵌入式t c p i p 通信协议的嵌入式技术推动了嵌入 式系统在工业控制领域的发展，微电子技术与嵌入式软件技术的发展使得3 2 位a 跚微 处理器在性能上得到很大的提升。因此，针对高性能、低功耗的实际现场应用中，传 统的上位机下位机的控制方式已经失去了原有的优势，而采用基于微处理器的嵌入式 系统则可以很好的满足工业控制系统的要求。可以说，目前研究嵌入式以太网的条件 已经成熟”。 国外对嵌入式以太网的研究已从理论阶段过渡到开发阶段。在工业控制领域，美 国o p t 2 2 公司采用嵌入式以太网研制开发了“以太网i o 系统”s n a pi o 系统，通 过以太网对分布在远程设备现场的i o 口进行访问，从而实现对远程设备的监测和控 制。s n a pi o 已成功应用于工业过程控制、路桥收费系统监控、输油管线的监控及楼 宇的智能化监控等多项工程中。此外，惠普公司应用i e e e1 4 5 1 2 智能传感器标准， 研制的嵌入式以太网控制器具有1 0b a s e 以太网接口，能够运行f t p 、h t t p 、t c p 、i j d p 协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。 目前，国内在基于a r m 的嵌入式以太网方面的研究才刚刚起步，仍停留在概念上， 未能进入到实质研究阶段。 1 4 主要研究内容与章节安排 应成都7 8 4 厂科研所的要求研究开发雷达发射机用大功率、高压、高精度开关电 源，并完成功能齐全的远程监控系统。本文主要完成的是监控系统的嵌入式以太网通 信部分。 本论文以电源远程监控系统为研究背景，提出并计划将基于a 蹦内核的高性能嵌 入式微处理器和嵌入式实时操作系统的嵌入式以太网技术应用到电源监控系统中，使 以太网通信系统能够满足雷达电源远程监控的实时性、可靠性、智能化的数据传输要 求。本文着重分析以3 2 位嵌入式微处理器为核心的嵌入式网络系统的软件、硬件设计 原理并对远程监控技术中最为关键的通信协议、操作系统移植等问题进行了系统的研 究。 本论文安排内容如下： 第一章：简单介绍本课题的研究背景和意义，对嵌入式以太网和研究现状进行了 概述。提出将嵌入式以太网技术应用到电源监控系统中，以求达到实时性、可靠性、 智能化的要求。 第二章：根据电源监控系统的需要完成了系统选型以及系统的软硬件整体设计。 第三章：以p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 4 芯片为核心，r t l 8 0 1 9 a s 为以太网接入的物理 通道，构建嵌入式以太网硬件通信平台，实现了监控终端的以太网连接。 第四章：为实现嵌入式以太网数据通信，搭建软件平台，完成嵌入式操作系统 u c 0 s i i 的移植。主要工作包括系统启动代码和基于l p c 2 2 1 4 硬件平台的移植代码的 编写。 第五章：由于u c o s i i 本身并不支持t c p i p 协议栈，所以本文选择了源码开放 的l w i p 协议移植到u c o s i i 操作系统中，并对该协议的移植代码的编写进行了细致 分析。 第六章：嵌入式以太网在电源监控系统中的应用，编制系统具体的应用程序，包 括任务的划分和创建，任务优先级的确定以及应用层协议的设计与实现。 4 第二章电源监控系统的整体设计 2 1 电源监控系统组织结构 电源监控系统以前端机监控设备为源头，以现有以太网网络为骨架，以嵌入式系 统为枢纽，实现远程监控。它既利用了传统的现场监控设备，又结合了最新的网络技 术和嵌入式技术，并利用了已经很完善的网络体系，在成本和技术上都具有很大的优 越性。系统组织框图如图2 1 所示： 图2 1 系统组织框图 电源监控的远程数据通信要求满足以下五点： ( 1 ) 与通信技术发展相适应，满足整个系统的实时性要求； ( 2 ) 满足系统控制命令及数据无误传输的可靠性要求； ( 3 ) 满足中央监控中心可以同时监控大量雷达电源的大规模监控要求； ( 4 ) 满足监控系统的可配置性要求，便于系统升级及功能的完善； ( 5 ) 提高维护效率，降低维护成本。 2 2 监控系统硬件整体设计 2 2 i 嵌入式微处理器的选取 基于本系统对数据处理及实时性和数据精度方面的考虑，选择了3 2 位的a r m 系列 处理器。主要是因为：采用r i s c 架构的a r m 微处理器大约占据了3 2 位r i s c 微处理器 7 5 以上的市场份额，应用遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无 线系统等各类产品市场。a r m 处理器的性能已经得到市场的检验，具有以下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； 5 ( 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a 蹦( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 0 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 6 ) 指令长度固定。 本文选用的微处理器芯片为p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 4 ，该芯片的定位是通用型处理 器。它是基于一个支持实时仿真和跟踪的3 2 位a r m 7 t d m i s 的微控制器，带有2 5 6 k b 的高速f l a s h 存储器。片内1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使3 2 位代码 能够在最大时钟频率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将 代码规模降低超过3 0 9 6 ，而性能的损失却很小。性能如下： ( 1 ) 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i - s 的微控制器，1 6 k b 静态r a m ； ( 2 ) 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ； ( 3 ) 片内b o o t 装载程序实现在系统编程和在应用编程。f l a s h 编程时间为l m s ，可 编程5 1 2 字节，扇区擦除或整片擦除只需4 0 0 m s ： ( 4 ) e m b e d d e di c e - r t 接口使能断点和观察点； ( 5 ) 嵌入式跟踪宏单元( e t 吣支持对执行代码进行无于扰的高速实时跟踪； ( 6 ) 8 路1 0 位a o 转换器，转换时间低至2 4 4 u s , ( 7 ) 2 个3 2 位定时器、p w m 单元、实时时钟和看门狗： ( 8 ) 多个串行接口，包括2 个工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口和2 个s p i 接口； ( 9 ) 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率； ( 1 0 ) 向量终端控制器。可配置优先级和向量地址； ( 1 1 ) 多达1 1 2 个通用i o 口，1 2 个独立外部中断引脚； 2 2 2 硬件整体设计方案 嵌入式的网络核心部件是整个监控系统的重要部分，主要包括处理器、网卡芯片、 电源、系统j t a g 接口调试等几部分电路。系统的整体结构设计如图2 2 所示： l p c 2 2 1 4 图2 2 硬件整体结构图 r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制芯片为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接口，系统 6 可以i o m 的速率接入以太网，所有网络的物理层的电气功能都是由这块芯片来完成的。 电源电路为5 v 和3 3 v 的d e - d e 转换器，给a r m 微处理器及其它需要电源的外围电路 供电； 。 i o m h z 有源晶振为系统提供工作时钟，通过片内p l l 电路倍频为6 0 m a z 作为微处理 器的工作时钟； j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编 程等。 检测信号及数据为电源监控系统的输入部分，对采样数据进行分析逻辑判断并将 其传输至中央监控中心实现远程监控的需要。 e = p r o m 用于存储故障代码以及相关的门限参数，与l p c 2 2 1 4 控制器进行s p i 通信。 2 3 监控系统软件整体设计 2 3 1 嵌入式操作系统的选取 为了满足电源远程监控系统的实时性、稳定性和处理复杂多任务的需要，必须要 选择一种操作系统移植到微处理器中。 在稳定性能方面，它提高了系统的抗干扰性，尽可能地减少安全漏洞和隐患。长 期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰时，使得运行的程序产生异常、出错、跑 飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。而操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引 起若干进程中的一个进程被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。 在多任务管理方面，嵌入式操作系统实现了整个监控系统的模块化结构，让本来 互不相连的功能模块有序的工作起来，它将不同事务作为任务进行管理，根据一定的 调度机制，为每个任务在一定时间内分配所需要的资源。嵌入式操作系统充分发挥了 3 2 位微处理器的多任务潜力。更为重要的是它对应用程序可以起到屏蔽作用，使应用 程序员面向操作系统开发应用软件，并易于在不同的嵌入式处理器上移植“1 。 从八十年代起，国际上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用 操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式系统，如m i c r o s o f t 公司的w i n c e 和w i n dr i v e rs y s t e m 公司的v x w o r k s 就分别是非实时和实时嵌入式操作系统的代表。 但是商用产品的造价都十分昂贵，用于一般用途会提高产品成本从而失去竞争力。 u c 0 s i i 和l i n u x 是两种性能优良，源码公开且被广泛应用的免费嵌入式操作系 统，可以作为研究实时操作系统和非实时操作系统的典范。两者在很多方面都具有共 同点，但在操作系统的进程调度方面，l i n u x 采用“非剥夺型调度”的方式，需要修改 代码才能提高l i n u x 的实时性能。u c o s i i 采用的“可剥夺型调度”方式，意味着在 任何时候操作系统内核都运行就绪了的最高优先级的任务，因此u c 0 s i i 具有很强的 实时性，可以应用于工业控制、进程控制等一些实时要求较高的领域。基于电源远程 7 监控系统的高实时性要求，本文使用了u c 0 s i i 操作系统。 u c 0 s i i 是著名的、源码公开的实时内核。可用于各类8 位、1 6 位和3 2 位单片机或 d s p 。它主要有以下一些特点： ( 1 ) 可移植性：u c 0 s i i 的源代码绝大部分是用移植性很强的a n s ic 编写的，与微 处理器硬件相关的部分是使用汇编语言编写的，汇编语言的部分已经压缩到最低的限 度，以使u c o s i i 便于移植到其它微处理器上。 ( 2 ) 可固化性：通过软硬件工具( 本系统中使用j t a g 接口下载) ，可以把u c o s i i 嵌 入到产品中成为产品的一部分。 ( 3 ) 可剪裁性：通过c 语言的条件编译功能，u c 0 s i i 实现了灵活的剪裁功能，这 样根据自己的需要进行功能的取舍，达到对代码空间和数据空间的最优化。 ( 4 ) 可剥夺性：u c o s i i 是完全可剥夺的实时内核，它总是运行就绪条件下优先级 最高的任务，这样使任务级系统响应时间达到了最优化。 ( 5 ) 多任务性：u c o s i i 可以管理6 4 个任务，一般系统占用8 个，用户的应用程序 最多可以有5 6 个任务。 ( 6 ) 可确定性：作为一个实时操作系统，u c o s - i i 的大部分函数调用和服务的执行 时间具有确定性。 ( 7 ) 系统服务性：u c 0 s i i 提供很多系统服务，比如时间的管理，任务的管理，信 号量的管理，消息队列的管理，内存的管理等，应用程序可以通过简洁的系统调用实 现复杂的功能。 ( 8 ) 中断管理：u c 0 s 1 1 支持多达2 5 5 层的中断嵌套，由于它的可剥夺内核，在中 断执行结束后，立即执行最高优先级的任务。 ( 9 ) 稳定性和可靠性：u c o s i i 是基于u c o s 的，而u c o s 自1 9 9 2 年以来，己经有很 多成功的商业应用。另外，2 0 0 0 年7 月，u c 0 s i i 在一个航空项目中得到了美国联邦航 空管理局对商用飞机的、符合r t c a d o _ 1 7 8 标准的认证。这充分证明了u c 0 s i i 的稳定 性和可靠性“”。 2 3 2 嵌入式t o p i p 协议栈的选取 为了支持网络化监控，关键在于如何实现一个t c p i p 协议栈，而u c o s - i i 本身并 不支持t c p i p 协议栈，那么协议的实现就需要单独实现。在嵌入式设备上增加t c p i p 方案有两种：一是根据嵌入式系统的特点和需求，自己编写特定的t c p i p 协议栈；二 是利用目前针对嵌入式应用的开源t c p i p 协议栈，实现它与操作系统的接口，使其能 够在系统上运行，从而实现系统的网络功能。考虑到自己设计一个协议栈的难度超过 了应用本身，而采用商业的协议栈价格过于昂贵，因此本系统考虑在免费的t c p i p 协 议包的基础上进行更改，以满足本系统的需要。 8 传统t c p i p 协议栈把大量的精力花在保证数据传送的可靠性及数据流量的控制 上，而在实时性上做得不够好，这对实时性要求较高的嵌入式系统是不能忍受的；另 外，传统t c p i p 协议栈的实现过于复杂，需占用大量系统资源，而由于嵌入式系统自 身的特殊性，注定了它自身具有的资源和内存空间都十分有限。因此，嵌入式t c p i p 都是在不违背协议标准的基础上进行了改进，使实时性得到提高，占用的存储空间尽 可能少，以满足嵌入式应用的需要。 目前，能够找到的免费嵌入式t c p i p 协议栈有很多种，本文选择了l w i p 作为 u c 0 s i i 上的t c p i p 网络协议。 l w i p ( 1 i g h tw e i g h ti p ) 是瑞士计算机科学院( s w e d i s hi n s t i t u t eo fc o m p u t e r s c i e n c e ) 的a d a md u n k e l s 等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码的t c p i p 协议 栈。顾名思义，l w i p 属于轻量级的t c p i p 协议栈，它既可以移植到操作系统上，又可 以在无操作系统的情况下独立运行。l w l p 主要聚焦于削减代码大小及内存消耗。为了 削减计算和内存消耗，l w i p 裁减了a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a n m i n gi n t e r f a c e ) 的数据 拷贝功能。这使l w i p 尽管支持完整的t c p i p 协议，但是只需要大约4 0 k b 的r o m ，适 合在低端嵌入式系统中使用“。l w i p 的特性如下： ( 1 ) 支持多网络接口下的i p 转发； ( 2 ) 支持i c m p 协议； ( 3 ) 包括实验性扩展的的u d p ( 用户数据报协议) ； ( 4 ) 包括阻塞控制，r t t 估算快速恢复和快速转发的t c p ： ( 5 ) 提供专门的内部回调接口( r a wa p i ) 用于提高应用程序性能： ( 6 ) 可选择的b e r k e l e y 接d a p i ( 多线程情况下) ： ( 7 ) 在最新的版本中支持p p p ； ( g ) 新版本中增加了的i pf r a g m e n t 的支持： ( 9 ) 支持d h c p 协议，动态分配i p 地址。 2 3 3 软件整体设计方案 软件设计是整个系统设计的重要组成部分，在硬件系统完成数据格式转换功能的 基础上，软件系统与硬件系统遵循一个标准的接口，在这个接口之上来传递数据信号 和控制信号。系统的软件整体结构如图2 3 所示： 用户应用程序 a p i 函数 l - i p 协议栈 嵌入式实时操作系统 底层硬件驱动程序 u c 0 s i i 图2 3 软件整体结构图 9 软件部分的设计主要有： 1 以太网通信软件平台的搭建 ( 1 ) 系统启动代码的实现和u c 0 s i i 嵌入式操作系统的移植。启动代码是系统上 电复位后最先执行的部分，完成对于系统的初始化工作，需要在移植操作系统之前事 先由用户编写好。u c 0 s i i 的移植主要任务是重新编写与处理器和编译器相关的代码， 这些代码包括：与编译器相关的数据类型的重定义、开关中断的代码、堆栈的增长方 向、任务堆栈初始化函数、任务切换函数等。 ( 2 ) 以太网口驱动和t c p i p 协议栈的实现。这部分主要完成的功能是实现以太网芯 片r t l 8 0 1 9 a s 的收发数据驱动、在目标系统中运行l w i p ，从而实现以太网数据的收发功 能。 2 基于软件平台的远程监控应用实现 编制系统具体的应用程序，包括任务的划分和创建，任务优先级的确定以及应用 层协议的设计与实现。 1 0 第三章嵌入式以太网硬件平台的设计 由于本文主要完成的是以太网的数据通信部分，所以在硬件设计方面主要研究了 嵌入式以太网的硬件通信平台。主要由以太网接口部分和以太网控制部分构成。以太 网接口部分完成的是协议转换系统与以太网接口电路的功能，控制器对所有模块均有 控制作用，使整个接口电路能协调地配合后续电路完成以太网的收发功能。 3 1r t l 8 0 1 9 a s 网卡芯片的功能特点 在嵌入式领域，基于以太网的嵌入式应用需求越来越旺盛。在网络化开发的过程 中，首先要解决的就是与以太网络的连接问题，即如何将通用处理器的网络连接装置 ( 以太网络控制器) 应用于嵌入式网络的开发。 目前市面上有许多厂家的以太网络控制芯片，但大多功耗较高、功能复杂，不适 合用于价格低廉的嵌入式系统。r t l 8 0 1 9 a s 是比较理想的以太网控制芯片，在嵌入式系 统中得到比较广泛的应用。 r t l 8 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司生产的高集成度专用以太网接口芯片，支持p n p 自动探 测，内嵌1 6 k b 的s r a m ，具有全双工的通信接口，可以通过交换机在双绞线上同时发送 和接收数据，是用来进行以太网通信的理想芯片。该芯片用于实现网络的物理层协议， 主要包括网卡与网络电缆的物理连接、介质访问控制、数据帧的拆装、帧的发送与接 收、错误校验、数据信号的编解码、数据的串并变换。 具有如下一些主要特征： ( 1 ) 支持即插即用自动检测模式； ( 2 ) 支持跳线模式和免跳线模式； ( 3 ) 在免跳线模式下，支持m i c r o s o f t 即插即用配置； ( 4 ) 实现i e e e 8 0 2 3 协议，i o b a s e 一5 、i o b a s e 一2 和i o b a s e - t 的单芯片解决方案； ( 5 ) 支持全双工数据传输，使线路传输带宽增加一倍； ( 6 ) 支持3 种不同的省电模式：睡眠模式、内部时钟保持运行掉电模式和内部时钟 停止运行掉电模式； ( 7 ) 内建数据预取功能以提高整体性能； ( 8 ) 支持1 0 b a s e t 接口信号极性错误自动检测、纠正； ( 9 ) 提供多达8 根的中断信号输出； ( 1 0 ) 支持1 6 k b 、3 2 k b 、6 4 k b 不同的页模式； ( 1 1 ) 片内1 6 k bs r a m ； ( 1 2 ) 可外接可编程e 2 p r o m ； ( 1 3 ) 提供4 个可编成l e d 输出引脚； ，：j r t l 8 0 1 9 a s 采用1 0 0 引脚的p o f p 封装，其引脚可以按照功能分为5 组，分别是电 源引脚、总线接口引脚、存储器接口引脚、网络接口引脚和l e d 输出引脚。电源引脚 为r t l 8 0 1 9 a s 提供电源；总线接口引脚用于提供a 跚处理器对r t l 8 0 1 9 a s 进行访问所 需要的数据、地址及控制信号；存储器接口引脚用于r t l 8 0 1 9 a s 对e 2 p r o m 进行访问； 网络接口引脚用于r t l s 0 1 9 a s 与传输媒介相连：l e d 输出引脚用于指示r t l 8 0 1 9 i s 的状 态，并为用户提供3 个可编程l e d 输出。 如图3 1 所示，r t l 8 0 1 9 a s 芯片内部集成了d m a 控制器、i s a 总线控制器和集成1 6 k s r a m 、网络p i p 收发器。用户可以通过d m a 方式把需要发送的数据写入片内s r a m 中， 让芯片自动将数据发送出去：而芯片在接收到数据后，用户也可以通过d 方式将其 读出。 图3 1r t l 8 0 1 9 a s 内部结构图 3 2 通信模块的硬件电路设计 以太网通信模块由以太网控制器、隔离变压器及其外围电路构成。在系统中与处 理器之间采用总线方式连接，而不是p c i 或i s a 等即插即用方式。 r t l 8 0 1 9 a s 支持3 种配置方式： ( 1 ) 即插即用方式，i o 地址和中断都由操作系统管理，用户不必干预，当然这种 方式要耗费资源多一些； ( 2 ) 跳线方式，网卡的i 0 地址和中断都由跳线决定； ( 3 ) 免跳线方式，网卡的i 0 和中断由外接的e 2 p r o m9 3 c 4 6 中的内容决定。 在嵌入式应用的场合不使用9 3 c 4 6 就可以降低成本同时又减少连线。本设计设置 r t l 8 0 1 9 a s 的6 5 引脚j p 为高电平来选择跳线方式。 通信模块硬件电路设计如图3 2 所示： 图3 2 通信模块电路 下面对设计所使用的r t l 8 0 1 9 a s 的引脚进行说明，如表3 1 所示： 表3 - 1 接口引脚分布及功能 引脚名称类型功能描述 3 4a e n 输入地址使能信号，低电平有效 4i n t o 输出中断输出 9 61 0 c s l 6 b 输出在上电复位期间，该引脚被用作s l c r r l 6 s l o t l 6 来检测板卡使用的数据总线状态，适配器 工作在8 位数据总线，被2 7 k q 电阻拉低； 在锁存输入状态后，该引脚作为i o c s l 6 b 信号使用 2 9i o r b 输入主机i o 读信号 3 0i o w b 输入主机i o 写信号 3 3r s t d r v 输入高电平有效硬件复位信号 2 7 1 8 ，s a l 9 s a o输入主机地址总线 1 6 1 5 1 3 7 5 8 7 8 8 ，s d l 5 s d o输入主机数据总线 9 0 9 5 ， 输出 4 3 3 6 6 5 j p输入该引脚为高选择跳线模式，低选择 免跳线模式 5 9 ，5 8t p i n + 输入t p 接收输入，这一对差分输入用于连 t p i n -接至接收变压器的双绞线，该双绞线由 l o m b i t s 的曼彻斯特编码数据流驱动 4 5 ，4 6t p 叫t +输出 t p 驱动器输出 t p o u t 一 6 1l e d o 输出当r t l 8 0 1 9 a s 寄存器页面3 的c o n f i g 3 配 置寄存器的l e d s o 位置为0 时，该引脚用 作l e d _ c o l ，当l e d s l 位置为l 时，该引 脚用作l e d l i n k 6 2 ，6 3l e d l ，l e d 2输出当r t l 8 0 1 9 a s 寄存器页面3 的c o n f i g 3 配 置寄存器的l e d s l 位置为o 时，l e d l 和 l e d 2 分别用作l e 吐r x 和l e d j x ，当l e d s l 位置为l 时，l e d l 和l e d 2 分别用作 l e p c r s 和l e d m c s b 硬件电路设计的复位方式并没有采用通常的上电复位芯片的方式，而是将复位引 脚r s t d r v 接到微控制器的p o 6 端，通过软件来实现。虽然本文未涉及其它控制模块， 但是除了通信模块以外还有其它模块在电路的设计中，这样的复位方式不会影响其它 的外部设备。 盯l 8 0 1 9 a s 的中断信号为中断输入信号，且为外部中断，当r t l 8 0 1 9 a s 采用跳线方 式时，中断输出线由引脚i r q s 0 i r q s 2 上电复位时的状态决定。在设计时，使这三个 引脚都悬空，这样所用的中断输出线为i n t o ，即引脚4 。中断引脚接到微控制器的p o 7 1 4 端。引脚关系如表3 - 2 所示： 表3 - 2 引脚选择中断输出 i r o s 2i r q s li r o s o中断输出引脚 oo0i n t o ooli n t l 111i n t 7 地址线s 5 接控制器c s 3 ，低有效片选信号b a n k 3 地址范围为8 3 0 0 0 0 0 0 8 3 f f f f f f ， r t l s 0 1 9 s 芯片工作在跳线模式，其基地址为o x 0 0 3 0 0 o x 0 0 3 1 f ，这就要求s a 8 和s a 9 必须为高电平，设计中s a 9 接高电平，s 8 接控制器a 2 2 ，当s a 8 为1 ，s a 5 为0 时， 选中r t l 8 0 1 9 a s 芯片，即其操作地址为0 x 8 3 4 0 0 0 0 0 o x 8 3 4 0 0 0 l f ，由于l p c 2 2 1 4 是总 线开放的，所以电路设计为1 6 位总线方式对r t l s 0 1 9 a s 进行访问，即数据总线d 0 d 1 5 与芯片s d o s d l 5 连接，r t l 8 0 1 9 a s 工作电源是5 v 而l p c 2 2 1 4 的端口电压为3 3 v ，所 以在总线上串接4 7 0q 的保护电阻。 该芯片提供了3 个l e d 输出引脚，要求当引脚上输出低电平时，该引脚上的指示 l e d 亮，否则为暗。可用它们来显示r t l 8 0 1 9 a s 的工作状态，为用户查找硬件问题提供 依据。l e d o 可以用来检测传送介质的连接和有无冲突；l e d l 、l e d 2 则用来检测收发状 况和载波。 以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 的输出信号必须要经过隔离变压器再通过r j 4 5 接口连接 到以太网中。隔离变压器是用来提高系统对于双绞线上各类干扰的抑制的一种器件， 它在计算机联网用的网卡中是必备的，一般将它们集成在一个封装件之中。它在本设 计中的作用主要是将外部线路与r t l 8 0 1 9 a s 隔离，防止干扰和烧坏器件，实现带电插 拔功能。要注意的是在具体的连接中信号地线要通过一个0 o l u f 的电容接到电源地上， 在输出口上必须加上电阻来抑制输入r t l 8 0 1 9 a s 的电压大小，这也是一种保护措施。 这样的设计是r t l s 0 1 9 a s 以太网通信模块的典型应用电路，可以很好的实现以太 网的信息收发功能，达到系统的硬件设计要求。 第四章操作系统u c o s i i 在l p c 2 2 1 4 上的移植 嵌入式以太网的软件平台搭建主要包括两个部分：操作系统u c 0 s i i 的移植和协 议栈l w i p 的实现。本章完成了操作系统u c o s i i 在l p c 2 2 1 4 上的移植，对系统启动 模块和移植代码进行了详细的研究。 4 1 系统启动模块的编写 类似与普通p c 机上的桌面操作系统，在p c 上电以后并不是直接进入到操作系统 中，得需要b i o s 预先对整个硬件系统进行引导，最后才交给操作