（电路与系统专业论文）嵌入式网络监测系统研究与设计.pdf

摘要 y 事m 1 2 嵌入式系统在日常生活中得到越来越广泛的应用，随着技术的发展和实际应 用的需要，在很多嵌入式系统应用中体现出跟因特网互连进行信息共享的必要 性，但由于嵌入式系统本身资源的有限性，要实现复杂的网络协议栈使嵌入式宿 主设备具备网络功能，目前还比较困难，特别在8 位单片机上实现，有更多的困 难需要考虑。 根据实际需要提出了一种采用8 位单片机实现嵌入式i n t e r n e t 的实现方法， 并研制了一套u p s i e p s 远程网络监控系统。系统通过在传统u p s 内嵌入一块网络 板，提供一个u p s 与以太网的接口从而使u p s 具备网络监测功能，文章详细介绍 了本套网络监控系统的设计思想及过程，内容包括网络板电路设计，精简的 t c p i p 协议栈设计，瞬络板总体软件设计以及基于w i n d o w s 的网络监控软件及 参数设置软件设计，网络板电路设计和嵌入式t c p i p 协议栈的实现是系统设计 的关键，文章对这两部分做了重点阐述，嵌入式t c p i p 协议栈实现的协议包括： 8 0 2 3 以太网协议，a r p ，i p ，i c m p ，u d p ，t c p 同时，嵌入式t c p i p 协议栈与 基于w i n d o w s 平台的网络监控软件通信的实现也是本系统实现的关键，文章对这 一部分也作了详细说明。文章最后说明了网络监控系统的调试及测试结果。本套 网络监控系统一次性通过了青岛创统科技有限公司的产品鉴定，现已批量生产， 说明文章提出的嵌入式i n t e r n e t 实现方法可行而且具有广阔的应用前景。 关键词：嵌入式t c p i p 以太网协议网络 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e m b e d d e ds y s t e m sa r ew i d e l yu s e di nd a i l yl i f e w i t h t h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nd e m a n d ，m o r ea n d m o r ee m b e d d e da p p l i c a t i o n sd e m o n s t r a t et h a ti t sn e c e s s a r yt or e a l i z e i n t e r n e tc o n n e c t i v i t yb e t w e e ne m b e d d e ds y s t e ma n di n t e r n e t b u ti t s d i f f i c u l tt oe m b e dt h ec o m p l i c a t e dt c p i pp r o t o c o ls t a c ki n t oe m b e d d e d s y s t e mb e c a u s eo fi t s1 i m i t e dr e s o u r c e ，e s p e c i a l l yi n8 b i ts y s t e m s a c c o r d i n gt op r a c t i c a lp r o j e c td e m a n d ，p u t t i n gf o r w a r dam e t h o dw h i c h e n a b l e8 b i te m b e d d e ds y s t e mc o n n e c tt oi n t e r n e t w i t ht h i sm e t h o d ，a n e m b e d d e du p s e p sr e m o t en e t w d r km o n i t o r s y s t e m w a s d e s i g n e d i t i s r e a l i z e db ye m b e d d i n gan e t w o r kb o a r di n t ot r a d i t i o n a lu p so re p s t h e n e t w o r kb o a r ds u p p li e su p sa ni n t e r f a c et oe t h e r n e t ，t h i sc a nm a k eu p s o re p sc o n n e c tt oi n t e r n e t t h ep a p e rd e s c r i b e sh o wt od e s i g nt h es y s t e m i nd e t a i l ，w h i c hi n c l u d e sn e t w o r kb o a r dh a r d w a r ed e s i g n ，e m b e d d e dt c p i p p r o t o c o ls t a c kd e s i g n ，t h ew h o l es o f t w a r er e a l i z a t i o no fn e t w o r kb o a r d a n dt w ow i n d o w sp l a t f o r ms o f t w a r e ( n e t w o r km o n it o rs o f t w a r ea n dp a r a m e t e r s e t u ps o f t w a r e ) t h en e t w o r kb o a r dh a r d w a r ed e s i g na n de m b e d d e dt c p i p r e a l i z a t i o ni st h ec o r ep a r to ft h i ss y s t e m , t h ep a p e rd e s c r i b e st h e s e t w op a r t sa sf o c u s ，t h er e a l i z e de m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c ki n c l u d e s 8 0 2 3e t h e r n e tp r o t o c o l ，i p ，i c m p ，a r p ，u d p ，t c p a tt h es a m et i m et h e c o m m u n i c a t i o nr e a l i z a t i o nb e t w e e ne m b e d d e dt c p i pa n dn e t w o r km o n i t o r s o f t w a r ei sc r i t i c a lt o oi nt h es y s t e m ，i ti sd e s c r i b e di nd e t a i lt o o f i n a l l yt h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e b u ga n dt e s tr e s u l to ft h ew h o l es y s t e m t h es y s t e mp a s s e dp r o d u c ta p p r a i s a lo n et i m eb yq i n g d a og o m ac o l t d n o w i th a sb e e nw i d e l yp r o d u c e d a 1 1t h e s ei l l u s t r a t e dt h em e t h o do fe m b e d d e d i n t e r n e ti sf e a s i b l ea n dh a sg o o da p p i i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：e m b e dt c p i p e t h e r n e t p r o t o c o l n e t w o r k i i 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 第一章绪论 1 1 课题背景及课题来源 嵌入式系统早已融入我们的生活，除日常生活中可以看到的家电产品、工业与 军事应用的独立产品外，许多大型电脑系统事实上也是由许许多多小的嵌入式系统 组成，可以说嵌入式系统遍布于现代生活的每个角落。另一方面近几年因特网在全 球得到了飞速发展，各式各样得装置都可以借由t c p i p 技术连上因特网，这样各 装置间可以通过网络很方便地进行信息交换，而不受地域的限制“3 。 目前，大多数嵌入式系统还处于单独应用阶段，大多以微控制器为核心，与一些 监测、伺服、指示设备相结合实现一定功能，即使在规模较大的应用中也多采用c a n 、 r s 一2 3 2 、4 8 5 等总线形式组网实现各m c u 间的通信，但这种方式的通信有效半径 非常有限，如果能将嵌入式设备通过t c p i p 协议连入i n t e r n e t ，则可方便低廉地 将信息传送到世界的任何地方，可以预言嵌入式系统与i n t e r n e t 的结合代表着嵌 入式系统和网络技术发展的真正未来。 本课题是湖南省信息产业厅基金资助项目( 湘信函 2 0 0 3 3 4 号) ，前期研究工作 由湖南大学与青岛创统科技有限公司合作开发u p s e p s 嵌入式网络监控系统，该网 络监控系统为青岛创统科技有限公司各系列u p s 、e p s 提供远程网络监控功能。青 岛创统科技有限公司将其列为2 0 0 2 2 0 0 3 年度重点科研项目。 1 2 嵌入式网络通信系统 1 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，系统功能、 可靠性、成本、体积、功耗等要求非常严格的计算机系统。整个系统是软件与硬件 的结合体，整个系统的设计目的在于满足某种特定功能。嵌入式系统大致可分为五 个部分：处理器、内存、输入与输出设备、操作系统与应用软件。正如它的定义一 样，这些构件是可裁减的，嵌入式系统不同于一般计算机系统它具有其他应用所没 有的一些特性。1 ： ( 1 ) 体积小：在嵌入式系统的主体应用场合，如手持设备，智能仪器仪表，信 息家电等一般对体积有较高限制，要求尽可能占用空间小。 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 ( 2 ) 存储容量小：嵌入式系统一般以r o m 、f l a s hm e m o r y 、r a m 等作为存储介 质，由于价格及嵌入式系统体积等因素限制，因而不可能有太大的存储容 量。 ( 3 ) 良好的性能价格比：很多嵌入式设备是嵌入于宿主设备以辅助宿主设备高 效地完成其功能，因而性价比要求较高，以防止过分提高宿主设备成本。 ( 4 ) 实时性要求比较高：嵌入式系统一般作为应用的关键部件，时间特性要求 较高，如经常用于工业控制的嵌入式系统等。- 1 2 2 嵌入式i n t e r n e t 技术 嵌入式i n t e r n e t 技术就是实现嵌入式系统与i n t e r n e t 互联，要求嵌入式系统 在软件上支持t c p i p 协议栈，当然，这里的t c p i p 协议栈与p c 上所采用的有较 大差别。由于嵌入式系统资源的有限性，嵌入式系统所采用的协议栈是经过裁剪后 的简化t c p i p ，这里所说的裁减不仅指对协议种类的删减，如有必要这里也指对 个具体协议的裁剪，目前嵌入式i n t e r n e t 有如下几种实现方案“”“”“1 ： ( 1 ) 通过选择支持t c p i p 协议栈的实时操作系统，如q n x 公司的n e a t r i n o 实 时内核包含t c p i p 协议模块，用户应用程序只需调用相关系统函数即可实 现t c p i p ，其他如：p s o s ，v x w o r k s ，w i n c e ，嵌入式l i n u x 等实时系统均 支持t c p i p 协议栈。 ( 2 ) 采用由硬件实现的t c p i p 协议栈，如日本精工( s e i k o ) 公司的$ 7 6 0 0 a 芯 片，它用硬件实现t c p i p 协议，用它作为微控制器与因特网或其他t c p i p 协议之间的网络接口。类似的产品还有如以色列c o n n e c t o n e 的i c h i p 方案 等。 ( 3 ) 采用以d s p 为基础的协议栈实现，d s p 具有较高的速度，处理能力很强， 实现t c p i p 无太多的技术难题，而且还可以嵌入更多的其他协议。此类产 品如e d e v i c e 公司s m a r t s t a c k 协议栈就是在a d l 2 1 8 xd s p 芯片的基础上实 现的。 ( 4 ) 采用网关作代理实现，网关可以采用专门的网关产品，如e m w a r e 公司开 发的e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 技术，武汉力源 公司开发的w e b c h i p 网络芯片等。也可以用p c 作网关，起中转作用，利用 操作系统的t c p i p 协议栈实现网络互联。 ( 5 ) 采用第三方提供的嵌入式协议栈，如i n t e r n i c h e 、p a c i f i c s o f t w o r k 、c m x 、 m u l ti p o r t 等公司，他们可以根据客户的需求提供独立的嵌入式t c p i p 协 议栈，这类协议栈一般采用c 语言编写，与硬件和操作系统无关。 2 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 ( 6 ) 根据实际需要自己开发协议栈，这样可以傲到代码最精简，硬件较简单， 成本低。 1 2 3 嵌入式i n e r n e t 研究的意义及应用前景 随着嵌入式系统应用领域的扩展以及嵌入式产品应用需求的提高，对嵌入式系 统的功能度提出新的要求，近几年众多专家及嵌入式产品生产厂家都意识到嵌入式 产品网络化的可行性和必要性，同时国际学术界也意识到互联网不能停留在信息管 理这一单一层面上，而必须深入到工业控制及家庭，甚至有人提出“把互联网带入 生活”的观点。在国外，嵌入式产品网络化已成为一种研究热点，随着我国经济的 发展，嵌入式产品应用及产品种类得到了更广泛的发展，然而大部分嵌入式应用都 相互独立，孤立于互联网之外，在实际应用中常常会感觉到实现产品网络化的必要 性，但国内嵌入式产品网络化研究起步较晚，跟国际上仍有一定差距，在嵌入式系 统与因特网相结合成为二者必然发展趋势的前提下，嵌入式i n t e p , n e t 研究具有重 要意义。 嵌入式i n t e r n e t 应用前景十分广阔，它可用于现代生活的各个领域，常用的有： ( 1 ) 智能家居 电视、电冰箱等家用电器网络化，机顶盒、智能家居防盗系统，网络可视 电话、水，电，气自动抄表系统等 ( 2 ) 工业自动化 工业制冷，网络化工业控制系统等 ( 3 ) 智能公路 交通管理，车辆导航，流量控制，信息监测等。 ( 4 ) 公共设施 公共i p 电话，自动售货机，公共交通非接触智能卡发行系统等。 ( 5 ) 环境监测 地震监测系统，水源，空气污染监测，实时气象信息监铡，防洪及水土监 测等。 1 2 4 嵌入式in i e r n e i 研究现状及关键技术 近几年国内外嵌入式i n t e r n e t 研究的公司及科研院所逐渐增多，从嵌入式 i n t e r n e t 的实现方案来分如今已取得的成果大致分如下几类： ( 1 ) t c p i p 协议栈作为嵌入式实时操作系统的一部分。 ( 2 ) 有硬件实现的t c p i p 协议栈 塑至茎兰堡主燮苎 堂垒壅堕塑堕型墨竺堑窒皇堡生 ( 3 ) 商品化的t c p i p 协议栈，并提供可裁减的源代码。 由于嵌入式系统应用千差万别，系统可用资源差别较大，因而在这一方面没有 形成嵌入式i n t e r n e t 的一个统一标准，还处于针对具体应用做相应设计的独立应 用阶段。 嵌入式i n t e r n e t 的实现应解决两个关键问题：一是如何实现接入i n t e r n e t 的 问题，二是接入后的系统安全问题。 ! 接入问题即如何将嵌入式系统接入i n t e r n e t ，这包含两方面，一方面是接入技 术问题，由于嵌入式系统应用中微控制器从8 位到3 2 位甚至6 4 位广泛应用，特别 是针对8 位微控制器，要实现这样系统的i n t e r n e t 接入，如果没有技术上的突破 是很难实现的。另一方面是接入成本问题，如何降低成本来实现嵌入式i n t e r n e t ， 直接关系到嵌入式i n t e r n e t 的应用范围，特别对于小型超小型嵌入式系统应用， 成本问题显得尤为重要。i 从国内外研究现状可以看出大部分公司的解决方案都是基于高速处理器，在普 通8 位处理器上实现接入i n t e r n e t 方案只有少数几个厂家，而且其技术收费非常 高，由此看出如何低成本实现广泛使用的8 位嵌入式系统接入i n t e r n e t 将会有很 大的研究价值及市场前景。 l 嵌入式i n t e r n e t 所面临的另一个问题是系统接入i n t e r n e t 后的安全问题，嵌 入式i n t e r n e t 的目的是实现嵌入式设备接入i n t e r n e t 便于信息交流，而i n t e r n e t 提供的开放性网络环境并不能保障接入系统的安全性，因而在嵌入式i n t e r n e t 设 计中应根据应用需要，自行提供相应的安全保护机制。 1 3 项目实施中我的工作 本课题共两人承担，我在项目实旌中完成的工作如表1 1 表1 1 我的工作情况 工作类别z i z 作名称 工作内容完成情况 整个网络监控幕槐硬件、软件系e e 总体方案幕统设计诅：计包括设鲁翊；型开发谮言开发工 独立完成 具的避挥等 硬件设计 黼留燃“ 独立完成 网络板 网络枉软件结构设计所以软件模块 软件设计 代码蚺毳- 的莩蕃设震蒿茎形冲协议 独立完i 藏 被杠方j 设计，与舟鲳板通信 独立费：成 串口遇情戟件 协议制定簧器，写调试 w i n d o w s 平台软件 网路监控软件 方案设计芸笃j 挈辅写“ 合作完成 4 湖南大学硕士学位论文嵌入式网络监测系统研究与设计 1 4 课题的主要创新点 ( 1 ) 在8 位处理器上实现嵌入式i n t e r n e t 的方法。 ( 2 ) 提出嵌入式t c p i p 协议栈裁减方法，并设计了一个扩展性好的t c p i p 协 议栈。 ( 3 ) 基于w i n d o w s 平台软件与嵌入式t c p i p 协议栈通信的软件设计模式。 1 5 本文的主要工作 本文是对作者研究生期间理论研究成果的总结，利用此研究成果为青岛创统科 技有限公司开发了一套嵌入式u p s e p s 网络监控系统( 该系统已经由青岛创统科技 有限公司组织评审通过，并已批量生产) ，本文详细介绍了该套网络监控系统的软 件、硬件设计过程，并提出了一种8 位嵌入式系统接入i n t e r n e t 的方法。 5 湖南大学硕士学位论文 2 1 设计要求 嵌入式网络监测系统研究与设计 第二章设计要求及设计方案 2 1 1 接口信号要求 本网络监控系统针对青岛创统科技有限公司( 以下简称创统公司) 现有各系列 u p s 、e p s ( 便于描述以下统称u p s ) 产品做功能扩充一实现其状态监测和控制网络 化。网络监控系统各原始信号量取自u p s 显示控制板，监控系统实现对u p s 的控制 ( 如开机、关机等) 通过发信号到显示板由显示板中转信号给u p s 主控板。创统公 司提供的接口信号情况如表2 1 ： 表2 1u p s 接口信号 信号名称信号线编号说明 交流输入电压 1 市电输入值0 5 v 对应o _ - 2 5 5 逆变输出电压 2u p s 输出电压值0 5 v 对应o 一2 5 5 负载电流3输出电流值 4 u p s 电池电压 电池电压 模拟量 5 - - 7 保留 旁路标志 8 0 对应逆变状态1 对应旁路状态 交流输入频率 9 方波占空比0 5 幅值5 v 逆变输出频率 1 0 方波占空比0 5 幅值5 v u p s 故障信号 1 1 0 对应正常1 对应故障 数字量 1 2 - - 1 3保留 v c c + 5 v1 4 v e + 1 2 v1 5 g n d1 6地线 说明：由于u p s 显示板电路原因，交流输入电压，逆变输出电压，电池电压， 墅里壁墅生竺型燮 堂苎塑登些型墨竺堕窭量堡盐 负载电流均为o 5 v 对应o 一2 5 5 ，而u p s 实际值可能比2 5 5 大，因而采集值与实 际值之间有一个比例系数，系数由创统公司针对具体型号u p s 提供，在远程监控软 件端提供修改系数的方法，网络板不参与采集值与实际值的转换，它只将采集到的 值送给监控软件，由监控软件在需要的时候( 如报警门限设置，显示等) 进行转换。 2 1 2 监控系统要求 ( 1 ) 完成各信号量的采集，最终转换成数字量。 ( 2 ) 完成转换后的数字量网络数据格式封装，网络数据封装形式必须符合 t c p i p 相关协议标准。 ( 3 ) 实现u p s 远程网络控制，并提供相应的控制接口电路。 ( 4 ) 实时显示u p s 运行状态，在故障情况下有语音，图象等报警。 ( 5 ) 提供u p s 历史故障事件，历史数据查询。 ( 6 ) 确保网络监控系统实时性，准确性，可靠性和稳定性。 ( 7 ) 网络监控系统做到通用性，能对现有u p s ，e p s 进行实时监控。 ( 8 ) 对于不同型号u p s 提供方便、灵活的参数设置。 2 1 3 网络板i 0 口要求 表2 2 网络板输入输出接口 接口名称数量功能说明 1 6 针双排插座 1 个 用于原始信号、电源、地线的接入 r $ - 2 3 2 串行通信 1 个用于参数设置及调试 口 两针插座1 个控制u p s 的输出接口 r j 一4 5 接口 1 个用于网络连接 2 2 总体设计方案 2 2 1 硬件总体设计方案 从创统公司提供的接口需求情况看，每次采集到的数据量真正反映u p s 状态的 7 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 数字量只有几十字节，没有语音图像的数据需要传输，从成本和可行性考虑，选用 增强型5 1 系列单片机可以完成相应任务。因而选用p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 r d 2 h b p ， 以太控制器选用台湾r e a l t e k 的r t l 8 0 1 9 a s ，选择这款芯片的好处是：它n e 2 0 0 0 兼容，软件移植性好，接口相对简单，对所选m c u 来说带宽充裕。为便于大量来自 网络的数据处理，系统外扩3 2 kr a m 作为数据缓存，选用c y p r e s s 的c y 6 2 2 5 6 ，为 节省控制器输入输出端口资源，模拟数据采集部分选用串行a d 转换器a d c 0 8 3 8 ， 为提高系统的稳定性，采用x 5 0 4 5 作为m c u 监控器，它集成了系统上电复位、看门 狗定时，电源电压监测保护等功能，而且它自带4 ke e p r o t “，可用于存储某些固定 参数“8 儿”“”“”1 。设计的硬件系统框图如图2 1 ： 图2 1 硬件原理框图 2 2 2 软件总体设计方案 根据网络监控系统的监控要求，软件可划分为如下三大子系统： ( 1 ) 网络板软件子系统 ( 2 ) 串口通信软件子系统 ( 3 ) 远程监控软件子系统 8 湖南大学硕士学位论文 嵌入式艇络监测系统研究与设计 2 2 2 1 网络板软件子系统 根据网络板要完成的功能，网络板软件子系统可设计为如下软件功能块： ( 1 ) 以太驱动模块：此模块负责完成以太网数据包的发送和接收，完成网络 接口层的功能。 ( 2 ) 协议栈模块：实现t c p i p 相关协议簇。 ( 3 ) 串口通信模块：完成网络板状态从串口输出显示，并接收来自串口的数 据做相应处理。 ( 4 ) 数据采集模块：完成对来自u p s 的原始信号的采集，转换成数字量供协 议栈完成数据封装并发送到网络。 ( 5 ) 主程序模块：完成各功能模块的统一调度。 ( 6 ) 系统初始化模块：完成系统资源的初始化，确保系统正确上电复位。 这部分设计的难点时t c p i p 协议栈的实现，根据前面列举的嵌入式i n t e r n e t 中t c p i p 实现方法，如选择利用第三方t c p i p 或网关方案或硬件实现的t c p i p 从成本上来说不是本网络监控系统能承受的，所以决定自己根据系统需要对t c p i p 协议进行裁减，这样虽然难度和工作量大一点，但能最大限度地降低对硬件资源的 要求，对自身来说也是一次挑战。根据项目要实现的各项功能，决定实现的协议有： a r p ，i p ，i c m p ，u d p ，t c p ，链路层以太驱动程序按照8 0 2 3 以太网协议标准编写。 t c p i p 协议模型运输层有t c p 和u d p 两种协议，在本监控系统中没有必要两种 协议都实现，但二者各有优劣，协议栈模块设计中两种协议都实现，最终取性能好 的一种作为本网络监控系统的运输层协议。需要注意的是u d p 协议是面向无连接的， 并不能确保数据在网络中传输的可靠性，如果采用u d p 作为运输层协议，在重要的 数据传输中( 如u p s 的开机，关机控制) 应通过应用层添加协议确保数据的可靠传 输。 2 2 2 2 串口通信软件子系统 串口通信软件分网络板部分和w i n d o w s 软件部分，两部分软件交互地进行信息 交换，网络板部分完成网络板运行状态从串口输出，由w i n d o w s 软件部分显示a w i n d o w s 串口软件部分用于简单的网络测试和对网络板网络参数的设置，如网络板 i p 地址，控制主机i p 地址，网关i p ，子网掩码等，这些参数通过网络板串口软件 部分写入x 5 0 4 5 的非易失性存储器中。 2 2 2 3 远程监控软件子系统 远程监控软件与网络板通过网络进行数据交换，它提供一个可视化，友好的监控 9 湖南大学硕士学位论文嵌入式网络监测系统研究与设计 模拟环境，它大致由如下几部分构成： ( 1 ) 网络通信模块：完成网络底层通信的基本功能。 ( 2 ) 数据分析模块：对来自网络板的采集数据进行条件判断并做出相应的动作。 ( 3 ) 显示模块：实时显示u p s 运行的各种状态，提供多种显示方式。 ( 4 ) 数据记录与回放模块：提供历史故障或异常事件查询，保存u p s 运行的状 态数据提供历史数据查询。 ( 5 ) 任务及控制模块：完成对u p s 定时或周期性执行动作并提供对u p s 的控制。 2 3 开发语言及开发工具 网络板采用c 语言和汇编混合编程方式，主要采用c 语言编写，这样能缩短开 发周期，对于实时性要求较高的地方可考虑采用汇编语言。开发工具采用k e i l u v i s i o ni i 。远程监控软件和w i n d o w s 端的串口通信软件采用c + + 语言编写，v i s u a l c + + 6 0 作为开发工具。 1 0 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 3 1 硬件模块设计 第三章监控系统硬件设计 网络板电路分四个子系统设计，他们分别是：m c u 子系统，以太网接口子系统， 数据采集予系统，串行通信予系统( 硬件系统框图见2 2 1 节) ，最终的网络板外 观图如图3 1 ： 3 1 1m c u 子系统 图3 1 网络板外观图 3 1 1 1 关键器件描述n 8 9 1 m c u 选用p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 r d 2 h b p ，它是一款由c m o s 工艺构成与8 0 5 1 全 兼容的8 位微控制器，内含6 4 kf l a s h 存储器，既可做数据存储器又可做程序存储 器，外部数据存储器可扩展到6 4 k ，具备以串行或并行等方式在系统编程( i s p ) 功能。 它的一个机器周期由六个时钟周期构成，因此运行速度是传统8 0 5 1 的2 倍。通 1 1 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 过一个o t p 配置位可使它工作于传统的1 2 时钟周期方式。它有4 组8 位i o 口，3 个1 6 位定时计数器，7 个中断源，4 级中断优先级，嵌套中断结构，一个增强型 u a r t ，具备片内振荡器及时序电路，其主要特性有： ( 1 ) 与8 0 5 1 全兼容。 ( 2 ) 具有i s p ，i a p ( 在应用编程) 功能的片内f l a s h 存储器，容量多达6 4 k 。 ( 3 ) 每个机器周期为6 个时钟周期，可配置为1 2 时钟周期。 ( 4 ) 采用6 时钟周期频率可高达2 0 m l t z ，采用1 2 时钟周期频率可达3 3 m h z 。 ( 5 ) 外部数据存储器可扩展到6 4 k ； ( 6 ) 7 个中断源，4 级中断优先级。 ( 7 ) 个全双工增强型u a r t ： 一帧错误检测。 一自动地址识别。 ( 8 ) 多种电源控制方式： 一时钟可停止和恢复。 一空闲模式。 一掉电模式。 ( 9 ) 双d p t r 寄存器。 ( 1 0 ) 异步端口复位。 ( 1 1 ) 具备可编程计数器阵列( p c a ) ： 一一p w m 。 一捕获比较。 ( 1 2 ) 低e m i ( 禁止a l e ) 。 3 1 1 2 功能描述 m c u 子系统是整个硬件系统的核心，它协调其他各子系统按定时序工作，本系 统中它完成如下功能： ( 1 ) 控制数据采集子系统完成数据采集。 ( 2 ) 控制以太网接口子系统完成网络数据包的发送和接收。 ( 3 ) 检测串口通信子系统相关事件并快速响应由该子系统引起的串口动作。 ( 4 ) 协调各子系统动作时序，针对事件的重要程度设置相应优先级。 ( 5 ) 完成系统上电复位，低电压检测，以及看门狗定时等。 j 燮堂堡主堂笪望苎 堂叁苎旦塑堕型墨竺旦塞兰堡盐 3 1 i 3 子系统电路设计 p 8 9 c 5 1 r d 2 与外围电路连接图如图3 2 ： 图3 2m c u 子系统接口电路图 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 p 8 9 c s i r d 2 与其他电路详细连接情况如表3 1 表3 1m c u 与外围电路接口 管脚名称管脚号网络标号说明 p 1 0 1 s a o 读i i y a d c 0 8 3 8 p 1 1 s x i x 5 0 4 5 串行数据输入端 2 p 1 23 s x o从x 5 0 4 5 读取数据 p 1 34 s c k a d c 0 8 3 8 时钟信号输入端 p 1 45c 豫1 用于控$ , j u p s 开、关机 p l5 6 s a ia d c 0 8 3 8 串行数据输入端 7 a d c 0 8 3 8 片选信号p 1 6t c s p 1 78 ) a c s x 5 0 4 5 片选信号 r s t9 r e s e t复位信号输入端 p 3 o 1 0 r x d 串口输入端 p 3 11 l t x d 串口输出端 p a91 2 f 1交流输入频翠信号输入端 p 3 3 1 3 f 2逆变输出频率信号输入端 p 3 41 4i n p u t l旁路标志输入端 p 3 51 5i n p u t 2t e s t t 障信号输入端 p 3 61 6 w rc y 6 2 2 5 6 、i t l 8 0 1 9 a s 写信号 p 3 7 1 7r d c y 6 2 2 5 6 、i t l 8 0 1 9 a s 读信号 x l 、x 2 1 8 、1 9 c p u x l 、c p u x 2 晶振输入端 g n d2 0接地端 p 2 o - p 2 72 1 2 8 a d 8 叫d 1 5地址线高8 位 p s e n2 9悬空 a l e p r o g3 0a l e7 4 h c 5 7 3 锁存信号 3 l 上拉 e a p 0 0 _ p 0 7 3 2 3 9 a d 0 一a d 7分时复用地址、数据线 5 v4 0 电源输入端 3 1 2 以太网接口子系统 3 1 2 1 关键器件描述“” 1 4 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 以太控制器选用台湾f e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a s ，它是基于i s a 总线的8 1 6 位 i o m 以太控制器，它集成了介质访问层和物理层的功能，它的全双工通信方式可以 同时发送和接收数据，这不仅可以增加通道带宽，而且可以防止由以太网的c s m a c o ( 载波侦听多路访问冲突检测) 协议引起的通道竞争问题，它的主要特点有： ( 1 ) 1 0 0 脚p q f p 封装。 ( 2 ) n e 2 0 0 0 全兼容。 ( 3 ) 支持即插即用( p n p ) 和自动检测模式。 ( 4 ) 可工作于三种工作模式： 一跳线方式( j u m p e r ) 。 一即插即用( p n p ) 。 一j u m p e r l e s s 方式。 ( 5 ) 符合e t h e r n e t1 i ，i e e e8 0 2 3l o b a s e 5 ，l o b a s e 2 ，l o b a s e t 规范。 ( 6 ) 内含1 6 k 双口r a m 。 ( 7 ) 支持多种寻址方式：单一寻址，多播，广播。 ( 8 ) 具有1 6 位数据总线，2 0 位地址总线。可配置位8 位或1 6 位数据传输方 式。 ( 9 ) 支持三种电源运行方式： 休眠 掉电，内部时钟运行。 掉电，内部时钟终止。 ( 1 0 ) 提供4 个可编程l e d 信号输出口。 3 1 2 2 功能描述 以太网接口子系统完成m a c 层功能，简单地说，它完成把要发送的数据包转换 成以太物理帧格式在物理信道上传输，反之把接收到来自物理信道上的信号还原成 数据，也就是完成数据和电信号之间的相互转换。 3 1 2 3 子系统电路设计 阻太网接口子系统电路图如图3 3 ： 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 图3 3 以太网接口子系统电路图 i o c s l 6 b 通过一个2 7 k 下拉电阻接成低电平使r 1 u o l 吼蟮( 以下简称8 0 1 9 ) i 作 于8 位数据传输方式，j p 接成高电平使8 0 1 9 工作于跳线工作模式，i o w b 、i o r b 分别与m c u 的丽i 、而相连。8 0 1 9 与c p u 共用一个由x 5 0 4 5 提供的复位信号。 8 0 1 9 共2 0 根地址线。在设计中只用到s a 0 一s a 4 、s a 8 、s a 9 ，其余全部接地。 s a 0 一s a 4 与7 4 h c 5 7 3 输出低5 位相接，a d l 4 与s a 8 、s a 9 相连。a d l 5 与8 0 1 9 1 6 湖南大学硕士学位论文嵌入式网络监测系统研究与设计 的k e n 相连。由于电路己设置成8 位工作方式。因此，只需8 0 1 9 低8 位数据线。 考虑到8 位处理器性能问题，8 0 1 9 与p 8 9 c s l r d 2 不宣采用中断方式，本系统设 计采用查询方式。如需采用中断方式可以利用8 0 1 9 的i n t 0 与p 8 9 c 5 1 r d 2 的外部 中断输入引脚相连即可。 3 1 2 4 子系统实现 8 0 1 9 外接一片2 0 m h z 晶振，l e d 2 ( t x ) 、l e d l ( r x ) 分别外接两个发光二极管指 示8 0 1 9 当前工作状态，其中l e d l 闪烁表示正在接收来自网络的数据，l e d 2 闪烁表 示正在向网络发送数据。r j 一4 5 接口与8 0 1 9 间采用一个隔离变压器进行信号隔离。 3 1 3 数据采集子系统 3 1 3 1 功能描述 这部分完成对来自u p s 原始信号的采集并存于指定的r a m 中供网络协议栈进行 数据的封装，它完成如下三类信号的采集： ( 1 ) 频率信号 ( 2 ) 模拟信号 ( 3 ) 数字信号( u p s 各状态量) 3 1 3 2 子系统电路设计 数据采集选用的a d c 0 8 3 8 是8 位逐次逼近型串行a d 转换器，它的多路器可配 置为单端或差分输入，也可配置为伪差分输入。本子系统模拟信号采集电路如图 3 4 ： 图3 4 模拟信号采集电路图 1 7 j 塑堕查巡堂垡堡垄二 堂垒苎塑丝些型墨篓堡壅量丝盐 t c s 、s a i 、s c k 、s a o 与m c u 子系统对应网络标号相连接。s e 连接成高电平， 这样读取转换后的数据是以最高位为开头的数据流( m s b ) ，若需要以最低位开头的 数据流b ) 只需把s e 接成低电平即可。 3 1 3 3 子系统实现 鉴于创统公司提出的今后可能增加模拟信号量要求，所以用a d c 0 8 3 8 预留四路 模拟输入端i = 1 ，两路频率量与p 8 9 c s l r d 2i n t o 、i n t l 相连，通过外部中断计数 和定时器定时来计算频率。两路数字量直接与m c u 的p 3 4 、p 3 5 相连接读取各状 态量。 3 1 4 串行通信子系统 3 1 4 1 功能描述 本子系统完成如下功能： ( 1 ) 完成对网络板参数设定 ( 2 ) 用于网络板调试 ( 3 ) 简单的网络测试功能 3 ，1 4 ，2 子系统电路设计 p 8 9 c 5 1 r d 2 内置串行通信收发器，因此接口电路只需要一个r s 一2 3 2 到t t l 的电 平转换电路即可，可以选用m a x 2 3 2 来完成转换功能，电路如图3 5 ： 图3 5 串行通信电平转换电路 1 8 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 3 2 资源分配 3 2 1 m c u 资源分配 3 2 1 1 定时计数器 p 8 9 c 5 1 r d 2 共三个1 6 位定时计数器，这些资源的使用情况如表3 2 ： 表3 2 定时计数器分配 资源名称工作状态 用途 定时计数器0 定时器 用于网络超时事件 定时器 用于频率计算定时 定时计数器l 用于串行通信波特 定时计数器2波特率发生器 率设定 3 2 1 2 中断资源 p 8 9 c 5 1 r d 2 共有7 个中断源，4 级中断优先级，中断使用情况为： 定时计数器：定时计数器0 、i 、2 所产生的中断为内部中断，在系统中 使用所有定时计数器资源。 串口中断：属内部中断，当接收到来自串口的数据或从串口发送数据 完成均产生中断，软件中可以不使用中断方式，通过查询 标志位的建立进行相应的处理，本系统采用中断方式进行 串行数据收发。 外部中断：共有两个外部中断源接入点i n t o ，i n t i 。系统利用对接入 i n t o 、i n t i 的方波信号计数，再利用定时器的时间值计算 出两路频率的大小。 根据各中断源在系统中的重要程度，设置中断优先级次序为： 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 3 2 2 地址空间分配 串口中断 定时器l 外部中断。 外部中断1 定时器o 高 低 3 2 2 1 外部r a m 由电路图知( 完整电路图见附录c ) ，p 8 9 c 5 1 r d 2 的a d l 5 通过三极管9 0 1 3 与 c y 6 2 2 5 6 片选相连接，9 0 1 3 用做非门，要选中c y 6 2 2 5 6 ，a 0 1 5 应为高电平。c y 6 2 2 5 6 容量为3 2 k ，因而其地址空间可分配为：8 0 0 0 h - - f f f f h 。 3 2 2 2r t l 8 0 1 9 a s 根据以太网接口子系统设计，8 0 1 9 的第8 1 、8 2 、8 4 、8 5 脚悬空，因此8 0 1 9 的 基地址被选择为3 0 0 h 。 8 0 1 9 输入输出地址共3 2 个，地址偏移量为0 0 h 一1 f h ，地址分配关系为： 0 0 h - 0 f h ：共1 6 个地址为寄存器地址，其中o o h 时命令寄存器c r ，通 过设置可以启动和停止发送数据包等功能。 1 0 h 一1 7 h ：共8 个地址为d m a 地址，用于控制本地和远端d m a 读写。 1 8 l - 1 f h ：共8 个地址为复位端口，通过读写其中任何一个端口可以软 复位8 0 1 9 。 因而8 0 1 9 的地址范围为：基地址+ 偏移量即3 0 0 h 3 1 f h 。 m c u 子系统与8 0 1 9 对应的连接情况为： m c u 子系统 r t l 8 0 1 9 a s 7 4 h c 5 7 3 输出低5 位 s a o s a 4 a d l 4 a d l 5 s a 8 、s a 9 a e n 湖南大学硕士学位论文 嵌入式网络监测系统研究与设计 由以上电路连接关系可以设定m c u 子系统与以太网接口子系统地址映射关系为： p 8 9 c 5 1 r d 2r t l 8 0 1 9 a s 3 3 外部硬件接口 3 3 1 网络板接口 c