（电路与系统专业论文）嵌入式串口联网服务器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 l i i iiii i i iii l l l f il liii y 2114 3 7 4 在工业控制系统中，串行通信简单、可靠、易于实现，而且具有很好的数据 传输能力，因而广泛用于工业控制系统设备中。但是，这类设备常常采用集中的 管理方式，并不易扩展。随着互联网的发展和广泛普及，工业领域的控制模式也 发生了巨大的变化，工业控制系统正在日趋网络化和分散化。于是将工业控制中 的设备通过以太网组成分布式的工业控制网络系统成为了必然趋势。 要将现场控制网络和信息网络相连，只需要解决由于现场控制网络l 的通信 协议和信息网络上的通信协议的不同而引起的协议转换问题，就可以将传统串行 链路上的数据传输到信息网络上，而不需要淘汰原有的设备，如此可以提高原有 设备利用率，节约成本，还可以在已有网络的基础上最大化的简化布线的复杂度。 本文根据工控环境的需要，设计了低成本的嵌入式串口联网服务器，实现串 口数据流与以太网数据帧之问的转换，使分散于工控现场的串口设备接入以太 网，以实现工业监控中对数据采集、传输及设备控制的分布式智能管理。 本文介绍了串口联网服务器的意义和作用，实现了基于a r mc o r t e x - m 3 构 架的3 2 位高性能、低成本微处理器l m 3 $ 6 9 1 1 、开源的嵌入式实时操作系统 r t - t h r e a d 及开源的l w i p 协议的串口联网服务器的完整设计，并且开发了上位机 配置软件。 本设计主要包括三个部分： 1 ) 根据工控环境特点，选用低功耗、高性能的嵌入式处理器l m 3 $ 6 9 1 1 ， 该处理器结合了1 0 1 0 0 m b p s 以太网媒体访问控制( m a c ) 以及物理层( p h y ) ， 使得本设计可以实现单芯片的解决方案。 2 ) 在移植嵌入式实时操作系统r t - t h r e a d 和嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 的 基础上，开发了数据交换程序和各接口之间的通信程序。 3 ) 在w i n d o w s 平台上，开发实现了可供用户对串口联网服务器进行配置的 上位机软件。 最后给出了功能及性能测试结果。 本文设计的工业串口联网服务器具有体积小、性能高、操作简单、成本低等 优点，适用于工控环境，满足实际需求。 摘要 关键词：串口联网服务器，c o r t e x - m 3 ，r t - t h r e a d ，工业控制，低成本 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a do fi n t e r n e ta n dt h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u st e c h n o l o g y , i n d u s t r i a lf i e l dc o n t r o im o d e lh a su n d e r g o n et r e m e n d o u sc h a n g e s t h ec o n t r o ls y s t e m i sb e i n gt o w a r d sn e t w o r k ，d i v e r s i f i c a t i o nd i r e c t i o n b u td u et ot h ec o n t r o ls y s t e mo f f i e l db u ss t a n d a r d sa r er l o tu n i f i e d ，h a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h ed e v e l o p m e n to f f i e l d b u s t e c h n 0 1 0 9 y t h e n , f i e l d b u sa n di n d u s t r i a le t h e r n e tt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fi n d u s t r i a l c o n t r o lt h s i o nb e c a m et h en e wd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni ss i m p l ea n dr e l i a b l e ，e a s yt oi m pl e m e n t , a n dh a sb e t t e r p e r f o r m a n c eo fd a t at r a n s m i s s i o n , a n dw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o is y s t e m sa n d e q u i p m e n t b u tt h i sk i n do f e q u i p m e n ti sr m i n l yu s e dm a n a g e m e n tm e t h o d s ，i ti sn o t e a s yt oe x p a n d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ei n t e r n e t ，t h e s ed e v i c e st h r o u g hi n d u s l r i a l e t h e r n e tc o m p o s e do fd i s t r i b u t e di n d u s t r yc o n t r o in e t w o r ks y s t e mh a sb e c o m et h e i n e v i t a bl et r e n d t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h ei n d u s t r i a le n v i r o n m e n t , d e s i g nofal o wc o s t e m b e d d e ds e r i a ld e v i c es e r v e s e r i a ld a t as t r e a ma n dt h ee t h e r n e td a t af r a m eb e t w e e n t h ec o n v e r s i o n , s ot h a ts c a t t e r e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l do fs e r i a ld e v i c e st oa c c e s s e t h e r n e tt oi n d u s t r i a lc o n t r o l ，d a t aa c q u i si t i o n , t r a n s m i s s i o na n dc o n t r o ie q u i p m e n t d i s t r i b u t e dh t e l l i g e n tr m n a g e m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i g l f i f i c a n c ea n dr o l eo fs e r i a lp o r ts e r v e r , b a s e do nt h e a r mf r a m e w o r ko fc o r t e x - m 3 ，3 2 h i g hp e r f o r r m n c e ，b wc o s tm i c r o p r o c e s s o r l m 3 $ 6 9 1 1 ，o p e ns o u r c e e m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m r t - t h r e a da n d o p e n - s o u r c el w i pp r o t o c o lo f s e r i a lp o r ts e r v e rc o m p l e t ed e s i g n ，a n dd e v e b p m e n to f p cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h i sd e s i g nm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ： 1 ) a c c o r d i n g t o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n d u s t r i a le n v i r o n m e n t , l o w p o w e r c o n s u m p t i o n , h i 曲p e r f o r i m r i c e e m b e d d e dl m 3 s 6 911 p r o c e s s o r , t h ep r o c e s s o r c o m b i n e st h e l o 1 0 0 m b p se t h e r n e tm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) a sw e l la st h e p h y s i c a ll a y e r ( p h y ) ，s ot h a tt h ed e s i g nc a l lr e a l i z es i n # c h i ps o l u t i o n i i i a b s t r a c t 2 ) i nt h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mr t t h r e a da n d e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c kb a s e do nl w i p ，d e v e b po f d a t ae x c h a n g ep r o g r a m a n di n t e r f a c ec o r r m a m i c a t i onp r o g r a m 3 ) i nw i n d o w sp l a t f o r m , d e v e l o p e df o ru s e r so fs e r i a lp o r ts e r v e rc o n f i g u r a t i on s o f t w a r e f i n a l l y , p r o v i d e st h ef i t n c t i ona n dt h ep e r f o r m a n c et e s tr e s u l t s i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no fi n d u s t r i a ls e r i a ls e r v e r sh a st h ea d v a n t a g e so fs m a l l v o l u m e ，h i g hp e r f o r m a n c e ，s i m p l eo p e r a t i o n , l o wc o s t , a p p l i c a b l e t oi n d u s t r i a l e n v i r o n n n t ，s a t i s f yt h ea c t u a ld e m a n d k e y w o r d s ：s e r i a ls e r v e r s ，c o r t e x - m 3 ，r t - t h r e a d ，i n d u s t r i a lc o n t r o l , l o wc o s t 第一章绪论 第一章绪论 本论文设计了基于c o n t e x - m 3 核处理器的串口联网服务器。论文根据工控 环境的特点，基于实际应用中的需求，自行研制开发了款既适应于工业控制、 叉具有较高的综合性能及技术指标，且成本低于同类产品的串口联网服务器。 该串口联网服务器主要应用于工业自动化现场，设计采用低功耗的 c o n t e x - m 3 核嵌入式处理器的硬件架构，在硬件平台上实现了r t - t h r e a d 嵌入式 实时操作系统和t c p i p 协议栈的移植，并开发了p c 机上的基于w i n d o w s 的上 位机配置软件，最后给出了功能和性能的测试结果。 本文设计的工业串口联网服务器具有体积小、性能两、操作简单、成本低等 优点，可以满足工控环境的实际需求。 1 1 课题研究背景以及意义 最初的生产自动化采用基地式仪表就地控制，这种方法虽然取代了手工操 作，但控制功能十分有限。随着生产规模的不断扩大，对自动化的要求也就越来 越高。上个世纪六十年代，第一代计算机控制系统产生。这种计算机控制系统采 用集中式架构，系统由一台计算机完成所有功能和对被控对象实施的控制。集中 控制系统的整体性好，协调性好。但是缺点也很多，如被控对象任务数量增加的 同时，系统的运行效率会有所下降下降，软件的可靠性不高，一旦控制机发生故 障，会产生全局性后果等【1 1 。 1 9 7 5 年，h o n e y w e l l 公司提出了分布式控制系统d c s ，其核心思想是“信息 集中，分散控制”。但是随着通信技术、计算机技术的发展，d c s 也越来越显示 出它的不足之处，如，开放性较差，分散不够，成本高等。因此以工业现场总线 为基础，以c p u 为处理核心，以数字通信为变送方式的新一代过程控制系统 现场总线控制系统f c s 随之产生【2 1 。 f c s 是用现场总线网络将现场的各种控制器和仪器仪表设备互联，构成了现 场总线控制系统，其控制功能完全在现场，从而降低了安装和维修成本。这种控 制系统有如下特点：全数字化控制，全开放，充分分散标准统一等。但是也有一 嵌入武串l j 联网服务器的设计卜j 实现 些问题，如标准繁杂，以及系统集成方面的问题。f c s 在技术上最大的瓶颈是， 当总线电缆被截断时，整个系统就有可能崩溃【3 】。 九十年代后，以太网在工控系统中的应用变得越来越广泛。它具有以下优点： 良好的兼容性，广泛的技术支持；较低的成本；较大的可持续发展潜力；较高的 通信速率；易于安装。工业以太网正逐渐成为一个热门的研究领域【4 1 。 基于t c p i p 协议的以太网是一个标准开放的网络，不同厂商的设备可以轻 松互联。以太网支持的数据传输速率包括1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s ，i g b p s ，比目前任 何一种现场总线都要快。随着实时嵌入式操作系统和嵌入式平台的发展，嵌入式 控制器、智能现场测控仪器仪表等都将方便地接入以太网网络，直接连接到互联 网。随着时间的推移和技术的成熟，将逐渐解决以太网的实时性、确定性问题， 使其在现场层有更广泛的发展。 由于串行通信易于实现和维护，且具有良好的数据传输能力，广泛用于工业 自动化控制设备中。但是采用串行通信的设备采用集中方式管理，从而不易扩展。 随着网络化的发展，工控设备采用网络化的分布式管理是一个必然的趋势【5 】。 在工业自动化控制系统中，现场采用较为广泛的是基于r s 2 3 2 总线的串行 通信协议，而监控层则使用基于t c p i p 协议的以太网链路。因此基于r s 2 3 2 总 线的串行链路协议与基于t c p i p 协议的以太网链路协议之间的转换便有了很大 的实用价值及研究意义【6 】。 本论文研究的目的是根据工控环境的需要，设计体积小、性能高、操作简单、 成本低的串口联网服务器，实现串行链路与以太网链路之间的协议转换。 1 2 国内外研究现状分析 现场总线和工控网络技术已经成为了国内外研究的热门话题。现场总线技术 在一定程度上促进了自动化范围的发展和延伸，但是现场总线有上百种标准。而 工业控制网络技术并没有统一的标准。由于t c p i p 协议的广泛应用，特别是互 联网技术的发展，t c p i p 协议已经成为事实上的网络标准，基于t c p i p 协议的 网络互联也已经成为研究的热点。将以太网技术引入进工业现场过程控制领域， 已经成为当前现场总线技术新的发展趋势。 目前，投入串口数据通讯设备的公司日益增多，一些较典型的产品情况如下： 2 第一章绪论 1 ) 台湾m o x a 公司的n p o r t 串口联网服务器，该设备具备c p u 、r t o s 、以及 可以在串口和以太网之间进行双向数据传输的t c p i p 协议，是独立的基于 i p 的网络设备。提供s o c k e t 下多种连接的工作模式，并提供了一套设置工具， 具有d h c p 转换功能、i p 设置管理能力等【7 1 。 2 ) 北京融诚互通科技有限公司的单串口到3 2 串口的串口联网服务器，该公司 的串口联网服务器具有高性能的处理器，大容量的内存宅问，支持t c p 和 u d ps o c k e t ，每串口可支持6 个不同的会话模式，并且可通过w e b 浏览器 或配置软件进行配置【8 】8 。 3 ) 美国l a n t r o n i x 公司的x p o r t 嵌入式设备服务器，其网络接口为1 0 1 0 0 m b p s 自适应，拥有弹性、完善发展的i p 协议栈，使用2 5 6 位a e s 加密来确保安 全通讯，支持常用的串口通信速率和串口通讯参数，内置w e b 服务器，可 通过串l i 控制、帅进行管理【9 1 。 对于串口联刖服务器，首先要注重其功能，要有较高的性能和完善的动能系 统，有较强的稳定性。当然，成本也是一个重要因素，这将直接影响到串口联网 服务器的适用范i ； 习。以上公司的串门联网服务器虽然功能已经比较完善，但价格 昂贵，从干元到上万元不等。于是，实现低成本、功能完善且性能优越的串口联 网服务器将会有很大的研究价值和市场前景。 1 3 课题主要研究成果与内容 本文根据工控环境的需要，设计了低成本的嵌入式串口联网服务器，实现串 口数据流与以太网数据帧之间的转换，使分散于工控现场的串口设备接入工业哕 太网，以实现工业监控的数据采集、传输和设备控制的分布式智能化管理。 本文介绍了串口联网服务器的意义和作用，实现了基于a r mc o r t e x - m 3 构 架的3 2 位高性能、低成本微处理器l m 3 s 6 9 1 1 、开源的嵌入式实时操作系统 r t - t h r e a d 及开源的l w i p 协议的串口联网服务器的完整设计，并且开发了 w i n d o w s 平台上的上位机配置软件。 本设计主要包括三个部分： 1 ) 根据工控环境特点，选用低功耗、高性能的嵌入式处理器l m 3 s 6 9 1 1 ， 该处理器结合了1 0 1 0 0 m b p s 以太网媒体访问控制( m a c ) 以及物理层( p h y ) ， 3 嵌入式串u 联网服务器的设计j 实现 使得本设计可以实现单：荟片的解决方案。 2 ) 在移植嵌入式实时操作系统r t - t h r e a d 和嵌入式t c p i p 协议栈l w i p 的 基础上，开发了数据交换程序和各接口之间的通信程序。 3 ) 在w i n d o w s 平台上，开发实现了可供用户对串t q 联网服务器进行配置的 上位机软件。 最后给出了功能及性能测试结果。 4 第= 章串u 联网服务器系统总体设计 第二章串口联网服务器系统总体设计 2 1 系统功能需求分析 串行通信易于实现维护，且数据传输能力较好，被广泛应用于工业自动化控 制设备中，但这类设备通常是采用集中方式管理，从而不易扩展。随着计算机网 络技术的发展，将工控设备接入到信息网络中进行统一的监控和管理已经成为必 然趋势。当前在工控现场，大部分设备使用r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 等串行链路，控制、 管理多个设备，但是这种控制网络的有效半径相对较短，无法实现远程的控制和 管理，且一般是在企业的信息网络之外的。于是，将现场控制网络连接到基于企 业的信息网络上，一方面可以增加设备控制半径，另一方面又有利于对没备进行 统一监控和管理。 要将现场控制网络和信息网络相连，只需要解决由于现场控制网络上的通信 协议和信息网络上的通信协议的不同而引起的协议转换问题，就可以将传统串行 链路上的数据传输到信息网络上，而不需要淘汰原有的设备，如此可以提高原有 设备利用率，节约成本，还可以在已有网络的基础上最大化的简化布线的复杂度。 根据工控环境需要，本文设计并实现了低成本嵌入式串口联网服务器，实现 串口数据流与以太网数据帧之间的转换，使分散于工控现场的串口设备接入工业 以太网，以实现工业监控的数据采集和传输，设备控制的分布式智能化管理。 本设备体积小、性能高、操作简单，易于维护和升级，具有广阔的应用价值 和前景。 功能特点： 1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口； i p 地址，m a c 地址，工作端口等网络参数均可自行设定； 串口参数可自行设定； 网络断开后自动断开连接，保证整个网络可靠地建立t c p 连接； 串口数据可进行灵活的分帧设置，满足用户各种分包需求【1 0 1 ； 上位机通讯软件编写遵从标准的s o c k e t 规则； 支持本地系统固件升级： 嵌入武串l j 联网服务器的设计与实现 技术指标： 主控芯片：3 2 位c o t e x - m 3 核微处理器； 操作系统：r t - t h r e a d 实时操作系统； 相关协议栈：t c p i p 协议栈； 网络接v i ：1 0 1 0 0 m b p s 自适应以太网接口： 串口：r s 2 3 2 接口； 参数配置方式：上位机软件配置； t c p 支持多连接，满足4 个以内用户同时管理一个模块设备，u d p 模式下 支持多个用户同时管理一个模块设备： 2 2 系统架构设计 串口联网服务器的主要问题是解决串口链路数据与网络链路数据的相互转 发，根据以上分析，构建系统总体设计构架，如图2 1 所示。 工业以太网 弋7 以太网接口 串口服务器 c p u 串口接口 么 弋7 现场层现场设备 图2 1 系统总体设计构架图 f i g u r e2 1s y s t e ma r c h i t e c t u r ed i a g r a mo f t h eo v e r a l ld e s i g n 由于本设计工作于工业环境下，需要在恶劣的环境下正常工作且便于安装、 使用和维护。在设计中，可供选择的硬件芯片和软件操作系统有很多，但是为了 既降低成本又达到功能需求和较高的性能指标，就必须选择个较好的方案。 硬件设计上，既要满足系统的功能需求，又要考虑到功率等性能指标，在此 基础上选择合适的主控芯片，设计外围电路。软件设计上，为了可以在工业环境 6 第二章串u 联网服务器系统总体设计 中可靠工作，需要选择可靠、稳定且易于开发的实时嵌入式操作系统和合适的网 络协议栈，并编写稳定可靠的应用程序来满足用户的功能需求。同时为了方便用 户对服务器进行配置，需要设计具有图形界面的上位机软件，最大可能地方便用 户使用。 嵌入式串u 联网服务器的设计与实现 第三章串口联网服务器的硬件系统设计 对于串口联网服务器，硬件系统的主要任务是：实现串行链路与网络链路之 间的转换。硬件系统的工作原理是：c p u 控制以太网接口和串口接口，将来自 以太网的数据解析、处理并重新打包后，发送给串行链路，并将来自串行链路的 数据进行解析、处理并重新打包后发送给以太网链路。本设计中，硬件部分包括 核心板和底板。如图3 1 所示： 图3 1 系统硬件设计框图 f i g u r e3 - 1s y s t e mh a r d w a r ed e s i g nb l o c kd i a g r a m 其中，核心板主要作用是实现串口联网服务器的根本功能，即串行链路与网 络链路之间的数据转换。核心板上主要包括主控制芯片、串口模块、以太网模块 和其余电路模块。底板的主要功能是为系统提供电源、r s 2 3 2 电平转换、串行接 口、网络接口以及提供测试电路。核心板与底板之间用由排针组成的接口相连。 3 1 核心板硬件设计 核心板电路设计包括主控制器选型、串口模块设计、以太网模块设计以及一 些其它电路设计。 8 第i 章串l i 联网服务器的硬件系统设计 3 1 1 主控制器选型 在主控制器的选择上要充分考虑到他们的功耗、功能、体积、可靠性、成本 等各方面，选取最合适的芯片。主控制器的性能很大程度上决定着系统的工作状 况，本系统主控制器的选型有以下方案： 方案一：采用x 8 6 体系结构微处理器。 此方案优点： c p u 频率较高，系统稳定性较高； 与硬件相配合的软件平台已经比较成熟，可缩短开发周期； 系统软件升级比较容易。 此方案缺点： c p u 发热量比较大，体积大，温度范围窄，不适用于工业场合； 处理器价格较高，系统开发成本高； 方案二：采用f r e e s c a l e 公司的3 2 位m c f 5 2 2 3 3 微处王咀器。 此方案优点： c p u 内置了f l a s h 、以太网接口等系统需要的硬件资源，可实现单芯片 的设计初衷，节约成本。 时钟主频率可以满足系统需求，性能良好； 体积较小，可满足客户需求，节约生产成本。 此方案缺点： c p u 发热量较大； 不方便移植实时性操作系统，必须用f r e e s c a l e 公司的m q x 操作系统，普 及性较差。 方案三：采用l u m i n a r ym i c r o 公司的c o r t e x - m 3 内核的s t e l l a r i s 系列高性能 微处理器l m 3 s 6 9 1 1 。 此方案优点： c p u 专为工业系统设计，具有一定的工业级指标，可以用于较复杂的工 业场合： c p u 内置了f l a s h 、以太网接口等系统需要的硬件资源，可实现单芯片 嵌入武串u 联网服务器的设计与实现 的设计初衷，节约成本； 可以方便地移植多种简单实用的实时性嵌入式操作系统，通用性较强： c p u 价格低廉，性价比较高。 对于本系统的设计，考虑到其实际意义，成本及可靠性是主控制器选犁的重 要衡量指标。综合以上三种方案，最终选择了第三种方案。 c o r t e x - m 3 是a r m 公司在2 0 0 4 年退出的一款处理器，它是针对微控制器领 域推出的第一款产品，采用v 7 指令集，速度比a r m 7 快了三分之一，且功耗低 了四分之三，并且能实现更小的芯片面积】。其主要特性如下： 3 2 位a r m v m 构架，新拓展了3 6 条指令； 兼容的t h u m b 2 o n l v 指令集，获得最佳性能和代码大小【1 2 】； 集成的嵌套式的中断控制器( n c ) 提供确定性的中断处理 硬件除法，单周期的乘法器； 将集成的睡眠模式与可选的状态保留功能相结合，低动态耗能【】； 处理器模式及线程模式； 调试及跟踪能力强； i s a 的低延时进入及推出； 相对于a r m 7 而言，c o r t e x - m 3 具有更高的性能，尽管达不到a r m 9 或者 更高端处理器的处理速度，但是对于本系统而言，已具备了足够的处理能力，且 开发成本较低，开发周期较短，具有明显的优势。 l u m i n a r y m i c r o 公司的l m 3 $ 6 9 1 1 便是基于c o r t e x - m 3 内核的一款高性能、 低功耗的微处理器，该芯片工作频率可高至5 0 m h z ，具有2 5 6 k b 单周期f l a s h ， 6 4 k b 单周期访问的s r a m ，四个通用定时器模块，2 个s s i 模块，3 个完全可编 程的u a r t ，两个独立集成的模拟比较器，两个1 2 c 模块，高达4 6 个g p i o ，结 合了1 0 1 0 0 以太网媒体访问控制( m a c ) 以及物理层( p h y ) ，具有内置的休眠 模块，具有睡眠模式和深度睡眠模式以降低功耗。系统框图如图3 2 所示： 1 0 第- 一章串u 联网服务器的硬件系统设计 圈 矽”| 孵攀8 $ 1 。翻 ”l 鹏j j l | 。j 礴擐j j 。j 降芦i 菇i l 一_ _ - 二_ _ 兰二一 图3 - 2l m 3 s 6 9 1 1 系统框图 f i g u r e3 - 2t h el m 3 s 6 9 1 1s y s t e mb l o c kd i a g r a m 由以上配置来看，以l m 3 $ 6 9 1 l 作为主控制器首先可以满足功能的需求，并 且可实现单芯片方案，大大缩小了p c b 布局，减少了布线麻烦，缩短了开发周 期，确实可以达到高性能低成本的要求。 3 1 2 串口模块设计 通用异步收发器( u a r t ) 具有完全可编程特性。l m 3 s 6 9 11 有3 个u a r t 串口模块，每个u a r t 都具有以下特性： 独立的发送和接受f i f o ； f i f o 长度可编程； f i f o 触发深度可为：1 8 、1 4 、1 2 、3 4 、7 8 ； 波特率发生器可编程，允许速率可高达3 1 2 5 m b p s ； 标准的异步通信位：停止位、起始位及奇偶校验位【1 4 】； 嵌入式串u 联网服务器的设计与实现 完全可编程的串口接r 丁特性。 本系统中只用了微处理器的u a r t 0 ，其中u o r x 为u a r t 0 模块的接收引 脚，u o t x 为u a r t o 模块的发送引脚。这两个引脚可以直接对数据进行接收和 发送，本系统中，将这两个引脚引出到核心板的接l - i 上，核心板与底板相连后， 通过底板上的r s 2 3 2 接口与其他设备进行串口通信。 3 1 3 以太网模块设计 l m 3 s 6 9 1 l 的以太网控制器由一个完全集成的m a c ( 媒体访问控制器) 和 p h y ( 网络物理层) 组成，遵循1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t xi e e e 一8 0 2 3 ，只需要一 个双路l ：l 隔离变压器就能与线路相连，且具有全自动自协商功能。该以太网模 块具有全双工、半双工的1 0 0 m b p s 和1 0 m b p s 多种工作模式，具有高度可配置性， 可编程m a c 地址，可进行l e d 活动选择等。并且可进行自动m d u m d i x 交叉 检验，自动的极性校正和1 0 b a s e t 信号接收 1 ”。 以太网控制器示意图如图3 3 所示： 以太网控制器 媒体访i 口j物理层入口 c o r t e xm 3 控制器 m a cp h y ( 第二层)( 第一层) 图3 3 以太网控制器 f i g u r e3 - 3e t h e r n e tc o n t r o l l e r 如图3 3 所示，m a c 和p h y 分别与i s o 模型的第二层和第一层对应， m a c 层为以太网提供了数据帧的发送及接收处理。m a c 层还通过m i i ( 内部 媒体接e 1 ) 给p h y 提供接口。需要注意的是，为了使m i i 管理接口能够正常工 作，m d i o 信号必须经过一1 0 k 欧的上拉电阻来连接到3 3 v 电源上，如果没有 上拉电阻将会阻止m i i 上的管理传输功能。 p h y 实现物理层功能，定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、时钟 基准、线路状态、数据编码和电路等，并向数据链路层的设备提供了标准接口【1 6 】。 p h y 有一个片内晶体振荡器，也可由外部振荡器驱动。这种模式下，x t a l p p h y 1 2 第i 章串tj 联网服务器的硬件系统设汁 和x t a l n p h y 管脚之间应该连接一个2 5 m h z 的晶振，以达到时钟要求。电路 如图3 4 所示： c 5 1 8 p 。 图3 4 p h t 时钟电路 f i g u r e3 - 4p h i a n dc l o c kc i r c u i t 图3 - 4 中x t a l p p h y 、x t a l n p h y 与地之问构成了“”形滤波器，可以 起到两个作用：一是用小电阻大电容并接到晶振的两端，使系统的晶振能够更加 稳定并且更容易起振：二是可以达到滤波效果，在系统工作时，晶振输出为较规 则的方波信号。 本系统中，以太网控制器与网络接口之问通过一个网络隔离变压器相连，它 主要用于信号电平耦合，第一，可以增强信号，使传输距离更远：第二，使芯片 与外部隔离，抗干扰能力增强，对芯片增强了保护作用；第三，当连接到不同电 平的网络接口时，不会对彼此的设备造成影响。本设计中采用p u l s e 公司的 h 1 1 0 2 n l 芯片，它与微处理器以太网模块各引脚的连接如图3 - 5 所示： ， 二 7 , 1 7 0 l 图3 - 5h 1 1 0 2 n l f i g u r e3 - 5h 1 1 0 2 n l 1 3 嵌入，串u 联网服务器的设计卜j 实现 如图3 5 中，t p o u t + ，t p o 吁，t p i n + ，口i n 四个引脚与微处理器以太网模 块引脚相连，e t x + ，e t x - ，e 鼢( + ，e r x - 四个引脚与网络接口i l l 4 5 的相关弓l 脚相 连，i 和r 5 的作用是为了阻抗匹配，用于传输线上，以达到所有高频的信号都 能传至负载点的目的，不会有信号反射回源点，避免降低传输线的有效功率容量、 信号震荡、信号辐射干扰等问题，从而提升效益。而电容c 1 9 的作用是过滤高 频脉冲。 另外，p h y 还支持两个l e d 信号，可以用来指示以太网控制其操作的各种 状态，对应l e d 0 和l e d l 管脚。本设计中，l e d 0 用来指示有无数据传送，l e d ! 用来指示此时连接是否为1 0 0 b a s e t x 模式。这两个l e d 信号灯均在底扳上， 将在底板硬件设计章节详细介绍。 3 1 4 其他电路设计 a 电源模块设计 电源电路中有保护模块和降压滤波模块。电源电路原理图如图3 - 6 所示： g n d 爷0 c 5 3 驺 壶 i - 3 v 3 | _ 上 t j n d 图3 - 6 电源电路原理图 f i g u r e3 - 6p o w e rci r cu i ts ch e m a t i c 电路采用5 v 直流电源供电，二极管d l 起到了保护作用，可以防止用户将 输入电源接反而损坏硬件。若电源接反，a s l l l 7 的输入电压会在0 7 左右，硬 件不至于被损坏。c 1 和c 2 为对地并联的两个滤波电容，一个1 0 u f ，一个0 i u f ， 这两个电容可用于滤掉电源中的噪声。如此便可输出质量较好而且相对安全的适 用于工业环境的5 v 直流电源。 a s l l l 7 为低压差线性稳压电源芯片，可提供完善的过流保护和过热保护功 1 4 第i 章串u 联网服务器的硬件系统设计 能，以确保芯片和电源系统的稳定性，且输出电压的精度高达l f 】。本电路 中为a s l l l 7 输入5 v 直流电压，经降压后，输出稳定的3 3 v 直流电压。输出端 并联0 1 u f 的电容c 3 和1 0 u f 的电容c 4 ，进一步确保电路的稳定性。 电源输出端串联电阻r 1 和发光二极管l e d 3 v 3 ，用来指示电路是否已经上 电。倘若电源已接入，但l e d 3 v 3 没有亮，应迅速断开电源，检查电路状况， 例如电源是否连接正确，是否有短路现象，或是否有芯片被烧坏。所以，l e d 3 v 3 还可以帮助我们查看电路是否正常。 b 系统复位电路设计 l m 3 $ 6 9 1 l 有五个复位源：外部复位输入管脚有效，上电复位，内部掉电检 测器，软件启动的复位( 利用软件复位寄存器) 和违反看门狗定时器复位条件。 在设计复位电路时，我们使用第一种复位源，即外部复位管脚有效。 外部复位管脚( 1 i s t ) 可将内核及所有外设复位( j t a g t a p 控制器除外) ， 外部复位序列如下： 外部复位管脚( 1 i s t ) 有效，然后失效。 内部复位释放，内核从存储器加载初始堆栈指针、初始程序计数器以及由程 序计数器制定的第一条指令，然后开始执行1 8 1 。为了同步，从r s t 无效到复位序 列的启动需要几个时钟周期的时间。 外部复位时序如图3 7 所示： r s t r e s e ( 内部 图3 7 外部复位时序图 f i g u r e3 7e x t e r n a lr e s e tt i m i n gd i a g r a m 由时序图可知，当r s t 持续2 u s 的低电平时，微处理器进行复位。复位电路 如图3 8 所示： 1 5 嵌入武串l - i 联网服务器的设计+ j 实现 v i ：e s v s e 髻 1 0 k 图3 - 8 复位电路图 f i g u r e3 - 8r e s e tc i r c u i td i a g r a m 复位按键未按下时，r e s e t 为高电甲。当复位按键s w l 按下大于2 u s 时， r e s e t 持续不少于2 u s 的低电平，对微处理器进行复位。 c 系统时钟电路设计 l m 3 s 6 9 1 1 微处理器有4 个时钟源：内部振荡器( i o s c ) 、主振荡器、内部 3 0 k h z 振荡器和外部实时振荡器。内部振荡器是片内的时钟源，不需要使用任 何外部元件，其频率是1 2 m h z + 3 0 。主振荡器可以用o s c 0 输入管脚连接一个 外部单独时钟源或在o s c 0 输入和o s c l 输出管脚之间连接一个外部晶体的方法 来提供频率精确的时钟源。内部3 0 k h z 振荡器可以提供3 0 k i - z _ + 3 0 的频率， 主要用在深度睡眠节电模式【1 9 】。外部实时振荡器提供低频率、精准的时钟基准， 目的是给系统提供实时时钟源，它也可以提供一个精确的休眠模式或深度日垂眠节 电源。 图3 - 9 系统时钟电路 f i g u r e3 - 9s y s t e mc l o c kc i r c u i t 如图3 - 9 所示，本系统使用了一块6 m 的晶振，连接在o s c 0 输入和o s c l 输出管脚之间，p l l 使用主振荡器作为参考时钟。图中m o s c i n 、m o s c o u t 1 6 第i 章串u 联网服务器的硬件系统设计 与地之间构成了“n ”形滤波器，可以起到两个作用：一是用小电阻大电容并接 到晶振的两端，是系统的晶振能够更加稳定并且更容易起振；二是可以达到滤波 效果，使系统工作时，晶振输出为较规则的方波信号。 db o o t l o a d e r 启动设计 l m 3 s 6 9 11 处理器的f l a s h 空间按b l o c k 来划分，每个b l o c k 为一组可独立擦 除的1 k b 区块，对一个区块进行擦除将使该区块的全部内容复位为l 。用户通 过使用串行f l a s h 加载程序，不需要使用调试接口，就可以将代码下载到f l a s h 存 储器中，方便用户对设备进行升级。串行f l a s h 加载程序通过一个简单的包接口 与器件进行同步通信。可以使用的两个串行接口分别为u a r t 0 和s s i 接口，这 两种接口的数据格式和通信协议都相同。本设汁中，使用u a r t 0 接口。 当代码下载到f l a s h 中后，需要b o o t l o a d e r 来启动系统内核代码。b o o t l o a d e r 是指操作系统的内核运行前运行的- 4 , 段程序。b o o t l o a d e r 可以对设备进行初始 化、创建内存空间映射图，将系统的软件、硬件环境置为一个比较合适的状态， 准备好调用系统内核 2 0 】。 系统上电后，倘若微处理器中已经有b o o t l o a d e r 引导程序，并且也有用户 程序，只要地址正确，芯片都会先读b o o t l o a d e r ，然后检查用户程守是否可用。 如果可用，就会跳转到去执行用户程序。所以在b o o t l o a d e r 和用户程序部存在 的情况下要想通过u a r t 0 进行程序加载，就需要在用户程序上用事件触发调用 b o o t l o a d e r 。本设计中，用来触发b o o t l o a d e r 的事件为检测p d 0 管脚的电平状 态。当用跳线帽将p d 0 管脚与地短接后，p d 0 为低电平状态，调用b o o t l o a d e r ， 此时用户可通过r s 2 3 2 串口通过p c 将程序下载到f l a s h 中进行固件升级。升级 完成后，给模块重新上电便完成了固件的更新。 3 2 核心板与底板之间的接口设计 考虑到用户使用的灵活性，本设计将硬件部分分为核心板部分和底板部分。 核心板主要用于实现串口链路数据与以太网数据之间的转换功能，而供电模块、 与外界设备进行通信的接口、l e d 指示等均在底板上。核心板与底板用两排排 针组成的接口连接。接口功能如表3 1 所示： 1 7 嵌入，串u 联网服务器的设计j 实现 表3 1 模块接几 t a b l e3 1m o d u l ei n t e r f a c e 管脚信号方向功用 lv c c 5 i n 5 v 电源 2g