（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式以太网远程终端设备的研究.pdf

沈艮i 工业人学硕十学位埝文 摘要 简要介绍了嵌入式以太网技术产生的背景、定义以及该技术在国内外的发展概 况，讨沦了嵌入式以太网技术在以信息家电为基础的智能家庭网络和工业智能控制网 络这两个领域的应用状况，对应用嵌入式以太网技术的工业智能控制网络和传统的现 场总线控制网络进行了分析比较，从而说明了研究嵌入式以太网技术的重要性。 针对目前的发展现状，研究总结出实现嵌入式以太网的三种解决方案：3 2 位微 处理器运行嵌入式操作系统、采用专用网络协议处理芯片、单片机嵌入t c p i p 协议 栈，分析比较了- - k q 方案的各自特点、实现的难易程度等，从而选定单片机嵌入 t c p i p 咖议栈作为本系统的设计方案。 在此基础上提出整个设计方案的总体思想，并对硬件系统和软件系统进行了具体 的设计。给出了硬件系统的设计原理框图，着重讨论了硬件系统的核心微控制器 c 8 0 5 l f 0 2 0 各个组成部分的具体结构特点和网卡控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 数据发送、接 收的：r + 作原理，针对系统的实际应用设计出远程终端的前向数据采集通道。 作为设计的难点，重点论述了系统的核心一以太网的t c p i p 通信协议，并对整 个t c p i p 协议栈各个层次及所用到的协议a r p 、i p 、i c m p 、t c p 、u d p 、h t t p 进 行深入细致的分析，进而结合嵌入式系统的具体应用对各个协议进行不同程度的简化 和改进，提出一些设计上的见解，给出协议的工作流程图和相应的软件设计思想。 在完成整体设计的基础上，又详细阐述了该系统在供水管网远程监控系统中的实 际应用，验证了单片机嵌入t c p f l p 协议栈的可行性，给出了实际的应用测试结果。 结论中如实指出了嵌入式以太网技术在某些应用领域中存在的实时性、安全性等 方面的问题，有待于今后对该技术进行更深入的研究，以进一步拓宽其应用领域。 关键词：嵌入式系统，t c p i p 协议，以太网，单片机 沈队r 业人学硕士学位论文 r e s e a r c ho fr e m o t et e r m i n a iu n i tb a s e do ne m b e d d e de t h e r n e t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eb a c k g r o u n da n dd e f i n i t i o na n dd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a do f e m b e d d e de t h e r n e tt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e db r i e f l y , a n da p p l i c a t i o n so f i n t e l l i g e n th o m e n e t w o r ko nt h eb a s i so fi n f o r m a t i o nc o n s u m ee l e c t r o n i c sa n di n t e l l i g e n ti n d u s t r i a lc o n t r o l n e t w o r ka r ed i s c u s s e d t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dc o m p a r e si n t e l l i g e n ti n d u s t r i a lc o n t r o l n e t w o r ka p p l y i n ge m b e d d e de t h e m e tt e c h n o l o g y 、撕t hf i e l db u sc o n t r o ln e t w o r k a n d c o n s e q u e n t l y , e x p l a i n s t h ei m p o r t a n c eo f r e s e a r c h i n ge m b e d d e de t h e r n e tt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt o t h ea c t u a l i t ya tp r e s e n t ，t h e r ea r et h r e es o l v i n gm e t h o d so fr e a l i z i n g e m b e d d e de t h e m e t t e c h n o l o g yb e i n gs u m m a r i z e d ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mr u n n i n go n 3 2b i tc p u ，u s i n gs p e c i a lc h i pp r o c e s s i n gn e t w o r kp r o t o c o l ，m i c r o c o n t r o l l e re m b e d d i n g t c p i p p r o t o c o l ss t a c k ，a n da n a l y z e s t h e i rc h a m c t e r sa n d d e g r e e s o f d i f f i c u l t y o r s i m p l i c i t ya n d s oo n ，a n d f i n a l l yc h o o s e s t h et h i r dm e t h o da st h ed e s i g no f t h e s y s t e m o nt h eb a s i so fi t ，t h i s p a p e rp u t s f o r w a r dt h eo v e m ud e s i g ni d e a ，a n dd e s i g n s h a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e mi nd e t a i l t h e o r yo fh a r d w a r es y s t e mi sg a v e ，a n d c o n c r e t ec o n f i g u r a t i o na n dc h a r a c t e ro fc 8 0 5 1f 0 2 0a n d p r i n c i p l eo fs e n d i n ga n dr e c e i v i n g d a t ao fr t l 8 0 1 9 a sa r ed i s c u s s e di m p o r t a n t l y i na l l u s i o nt oa c t u a ls y s t e ma p p l i c a t i o n ， d a t as a m p l i n gc h a n n e lo f r e m o t et e r m i n a li sd e s i g n e d a st h ed i f f i c u l t yo fd e s i g n ，t h ec o r eo fs y s t e m ，t c p i pp r o t o c o l so fe t h e m e ta r e e x p l a i n e d ，a n de v e r yl a y e r o ft c p i p p r o t o c o l ss t a c ka n dp r o t o c o l sb e i n gu s e ds u c h a sa r p , i p , i c m p , t c p , u d p , h t t pa r ea n a l y z e dd e e p l ya n di nd e t a i l t h e nc o m b i n i n gw i t ht h e a c t u a la p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m ，t h i sp a p e rs i m p l i f i e sa n di m p r o v e sa l lp r o t o c o l s d i f f e r e n td e g r e e s ，a n dp r o p o s e ss o m ed e s i g ns u g g e s t i o n sa n df l o wc h a r t so fp r o t o c o la n d s o f t w a r ed e s i g ni d e a s o nt h eb a s i so fo v e r a l ld e s i g n ，t h i sp a p e re x p l a i n sa c t u a la p p l i c a t i o no ft h es y s t e mi n t h er e m o t ed e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h en e t w o r ko f s u p p l y i n gw a t e r ，a n dt h e n p r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fm i c r o c o n t r o l l e re m b e d d i n gt c p i pp r o t o c o l ss t a c k t h ea c t u a l t e s t i n gr e s u l ti sg i v e n 2 一 沈阳i 一、世人学硕十学位沦文 i nc o n c l u s i o n ，s o m ep r o b l e m sa b o u tt h ea s p e c t so fr e a lt i m ea n ds e c u r i t yi ns o m e a p p l i c a t i o na r e a sa r ei n d i c a t e df a i t h f u l l y s oi t i sn e c e s s a r yt od of u r t h e rr e s e a r c h e sf o rt h e t e c h n o l o g yi nf u t u r ei no r d e r t oe n l a r g ei t sa p p l i c a t i o na r e a s k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e t h e r n e t ，t c p i pp r o t o c o l s ，m i c r o - c o n t r o l l e r 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我全人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：一! 鸷垄! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：监导师签名：社 日期：扣牙7 ，5 沈m 1 ：业人学硕仁学位论文 1 绪论 近年来，随着计算机技术、微电了技术的e 速发展，互联网络技术在人们的f 常 生活和工作中扮演了越来越重要的角色，它已经不局限于传统的人们只在p c 机上的 信息交流，更加迅速地延伸到人们生活的各个角落。从当今流行的以信息家电为基础 的智能家庭网络到1 业智能控制网络，所有这一切都表明信息化、网络化的时代正在 向我们走来，而这些高新技术成果的关键技术就是以嵌入式以太网技术为基础发展起 来的。嵌入式以太网简单的定义就是在嵌入式系统中运行以太阚的t c p i p 协议栈， 实现以太网的互联。 1 1 嵌入式以太网 1 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并 且软硬件是可裁剪的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的 严格要求的专用计算机系统，它可以实现对其它设备的控制、监视或管理等功甜“。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成，简单的嵌入式系统由微控制器或单片 机及嵌入式软件组成，复杂的嵌入式系统通常都采用高端嵌入式微处理器，并运行嵌 入式操作系统。嵌入式系统不同于传统的计算机系统，它有较强的专用性、可裁剪性、 可靠性等，应用范围远远超过计算机系统，广泛应用在制造工业、过程控制、通信、 仪器仪表、汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类电子产品等领域2 1 。 1 1 2 以太网 以太网( e t h e m e t ) 最初起源于x e r o x 公司建造的一个2 9 m b p s 的c s m a c d ( 载 波监听多路访问) 系统，它以无源电缆作为总线来传输数据，在1 0 0 0 m 的电缆上连 接了1 0 0 多台计算机，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太( e t h e r ) 来命名， 这就是如今的以太网的鼻祖。随后d e c 、i n t e l 及x e r o x 合作公布了e t h e r n e t 物理层 和数据链路层的规范，称为d i x 规范。在此基础上，电气和电子工程师协会( i e e e ) 制定了1 e e e 8 0 2 3 标准【3 j 。 以太网可以支持多种传输介质。以太网按传输介质标准主要可分为三类，粗缆以 沈i 钉l 业人学形! j j 学位论文 太网、细缆以太网、双绞线以太网，即1 0 b a s e 一5 、1 0 b a s e 一2 、1 0 b a s e ，t ，近儿年 又出现了以光纤为传输介质的快速以太网。随着技术的不断发展，以太网的传输速度 也得到很大提高，从1 0 m b p s 逐渐发展到1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s ，甚至1 0 g b p s 也提上 研究门程。 以太网主要针对网上只传输数挢；的特点，网上所有节点访问网络的机会相等，为 此媒体介质访问协议采用c s m a c d ( 载波监听多路访问) ，它是一种非确定性或随 机性通信方法【4 】。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络 忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个或更多的 节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等 待一段随机长度的时间后重新发送。1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处 理器回报失败信息。c s m c d 的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数掘发 送。当网络负荷较小的时候冲突很少发生，因此延迟低。当网络负载较重的时候，就 容易出现冲突，网络性能也相应降低，不能保证数据在预定时间内到达目的站，因此 通信实时性不能保证。 另外，以太网采用t c p i p 通信协议f 5 l ，与国际标准化组织1 s o 的o s i ( 开放系 统互联模型) 相比，它采用了五层模型，从下到上分别是：物理层、数据链路层、网 络层、传输层、应用层。各层分别完成各自的数据处理，确保实现数据端到端的传输。 以太网与嵌入式系统相结合就形成了嵌入式以太网技术【“。嵌入式以太网技术这 一概念创新的提出在嵌入式系统中实现以太网的w e b s e r v e r ( 网页服务器) 功能，与 i n t e m e t 实现无缝连接。由于以太网的便利条件，可以很容易地进行远程数据采集、 智能控制等。 1 2 嵌入式以太网的发展过程及研究现状 将嵌入式系统技术与以太网技术融合集成在一起的想法很早以前就产生了，但许 多的客观因素制约了它的发展。早期的嵌入式系统中的处理器除部分是3 2 位c p u 外， 大部分是以8 位、1 6 位m c u 微控制器为主，无论是运算速度还是存储容量都比较低， 而且早期的以太网技术发展也不成熟，l 与用大量系统资源的庞大复杂的t c p i p 协议 栈使人望两却步，很难直接支持各种网络协议。但是，随着半导体微电子技术和网络 沈1 5 1 丁业人学颂仁学位论史 技术的不断发展，以上的一些问题正逐步得到解决，大量的新型微控制器不断研发出 来，3 2 位微处理器也逐步得到广泛的应用，以太网技术也不断完善，其t c p i p 协议 已成为互联网事实上的标准协议。这一切都为嵌入式以太网技术的发展奠定了基础， 为其，。泛的应用创造了前提。 目前，嵌入式以太网技术主要应用于智能家庭网络、工业以太网以及各种智能的 消费电子产品。 以信息家电为基础的智能家庭网络的关键技术就是嵌入式以太网技术 7 ，4 ”。智能 家庭网络是指将家庭内部所有的设备和应用系统通过家庭网络( h o m en e t w o r k s ，简称 h n ) 连接成一体，以实现安全、经济、舒适、方便等指标综合平衡的家庭系统。国际 上对家庭网络的研究起于2 0 世纪7 0 年代，主要集中在发达国家，如美国、 _ ：| 本等，但 是这些研究都是在各国独立进行，并且具有不同的目标和市场战略机制，因而没有形 成统一的标准。我国对智能家庭网络的研究还刚刚起步，各大家电企业都正密切关注 着这一一技术领域，并已推出了相关的产品。尽管我国各家电企业对网络家电技术开展 了研究，但多数产品功能单一、不能兼容，互联性和可扩展性差，安装、使用比较复 杂，并未将该技术广泛地应用到家用电器产品中去f 8 】。 嵌入式以太网技术的另一主要应用领域是工业控制网络，即工业以太网具有 以太网接口的各种智能化仪器仪表可：逐步取代传统的测控设备。嵌入式以太网技术为 工业控制网络的发展带来了一个全新的思想和更广阔的领域，它突破了常规的框架， 使网络不仅服务于管理层，而且进步延伸到工业控制现场设备，以实现现场自动化 智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，完成从最底层到最上层的- 体化联网。以往以现场总线为基础的工业控制网络受到工业以太网的强有力竞争，其 优势逐步削弱，而相对于嵌入式以太网技术的缺点则逐步显现出来。首先，现有的现 场总线标准过多，世界各大公司纷纷投入了大量资会和力量，开发了数百种现场总线， 其中开放的现场总线也有二、三十种。虽然广大仪表和系统开发商以及用户对统一的 现场总线呼声很高，但由于技术和市场经济利益等方面的冲突，市场上的各种现场总 线经1 4 年争论也无法达成统一，仅国际标准i e c 6 1 15 8 就包含了8 个类型，未能 统一到单一标准上来，多标准等于无标准。 沈| ；f i t 业人学坝l ：学位硷殳 其次，现场总线在其自身的发展过程中，无一例外地沿用了各大公司的专有技术， 导致相互之间不能兼容，同时也无一例外地过多强调了工业控制网络的特殊性，从而 忽视了其作为一种网络通信技术的般性和共性。尽管迫于市场和用户的压力，这些 现场总线协议公玎了，但其本质上还是“专有的”，其“丌放性”仅是局部的，只是 部分技术( 主要是协议规范) 的公丌，不能真j f 实现透明信息互访，无法实现信息的 无缝集成。而且由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高，速度较低，支持的应 用有限，不便于和i n t e r n e t 信息集成。 与现场总线相反，以以太网为代表的信息网络通信技术却以其协议完善、完全，f ： 放、稳定性和可靠性好而获得了全球的技术支持 】。与现场总线相比，以太网具 有以下优点； ( 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。 ( 2 ) 成本低廉。出于以太网的应用最为广泛，冈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。目前以太网卡控制芯片的价格只有p r o f i b u s 、f f 等现场总线的十分之， 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1 0 m b p s ，1 0 0 m b p s 的快速以太网 也开始广泛应用，1 0 0 0 m b p s 以太网技术也逐渐成熟，1 0 g b p s 以太网也正在研究，其 速率比目前的现场总线快得多。另外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。而且，以m c u 为核心的嵌入式系统的技 术彳i 断发展，大量的软硬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。 ( 5 ) 由于能与i n t e m e t 连接，可实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无 缝集成。 1 3 课题研究的意义 从以上分析可知，随着网络通信技术和嵌入式系统的不断发展融合，嵌入式以太 沈m 1 业夫学倾：i 二学位论文 嘲技术在人们的工作生活中已经起到越来越重要的作用，网络无处不在，来来的世界 将是一个网络信息化的世界。据网络专家预测，下一代网络设备中嵌入式设备将大大 增加，将来在互联网上传输的信息中，7 0 左右是来自小型嵌入式系统。与此同时也 就产生了一个巨大的市场产值，而嵌入式系统工业不同于传统的通用计算机工业，从 某种意义上说，通用计算机工业基础是由少数几家： _ = 公司垄断的行业，嵌入式系统则 1 i 同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的微处理摧 或操作系统能够垄断全部市场，即便在体系结构上存在主流，但各不相同的应用领域 决定了不可能有少数公司、少数产品垄断全部市场，因此嵌入式系统领域的产品和技 术必然是高度分散的，留给各个行业的巾小规模高技术公司创新余地很大【i4 1 ，凶此， 对嵌入式以太网技术的研究意义深远，它可以带动系列相关的产业发展。 我国嵌入式以太网技术研究起步较晚，目前，许多公司也都意识到这潜在的巨 大市场，纷纷加大投入，积极参与相关技术的研发，北京英贝多嵌入式网络技术公司 就推出了e m l s p s o c 产品以及解决方案，成都英创信息技术有限公司自主丌发研制了 基于i n t e l3 8 6c p u 的用于宽带网设备、通信终端的n e t b o x 产品等 1 1 。虽然在某些方面 取得了一些成果，但这也仅仅是个开端，还有更多的技术和产品等待我们去深入研究、 丌发，还有更多的工作需要我们去做。 综h 所述，“基于嵌入式以太网远程终端设备的研究”这一课题具有重要的意义， 通过对该课题的研究，必将进一步优化嵌入式以太网技术，拓宽其应用领域，对嵌入 式系统 j 业的发展起到一定的促进作用。 沈m 丁业人学埘卜学位论殳 2 嵌入式以太网系统的实现方法 嵌入式以太网系统可以有多种实现方法，一般应用较多的可以概括为以下j l 种方 案：3 2 位微处理器运行嵌入式操作系统实现、采用专用网络协议处理芯片、单片机 嵌入t c p i p 协议栈。 2 13 2 位微处理器运行嵌入式操作系统 近几年来，由于半导体技术的飞速发展，微处理器的运算能力得到了极大的提高， 同时也带动了单片机的发展，单片机也逐渐由8 位、1 6 位向3 2 位过渡。如3 2 位嵌 入式a r m 处理器就是众多3 2 位微处理器中的优秀产品【1 6 】，a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) 微处理器由英国a r m 公司设计开发，该公司作为知识产：权供应商主要出 售芯片设计技术的授权。世界各大半导体生产商购买a r m 微处理器核，根据各自不 同的应用领域，加入适当的外围电路，生产出了各种各样的基于a r m 核的微处理器 和微控制器芯片。a r m 采用r i s c 微处理器结构，以极低的成本和功耗提供了较高 性能。目前，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 处理器7 5 以上 的市场份额。其中，s a m s m l g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 是用在基于以太网系统的高性价比的 微控制器，内部含有一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器核， 具有高达5 0 m h z 的工作频率，除了各种通用接口以外，特别提供独立的、功能强大 的以太网控制器，很适合用于相对复杂的嵌入式以太网应用系统。它支持 1 0 m b p s 1 0 0 m b p s 的工作速率，与i e e e 8 0 2 3 标准完全兼容，带猝发模式的d m a 引 擎，d m a 发送接收缓冲区( 2 5 6 字节发送，2 5 6 字节接收) ，m a c 发送接收f i f o 缓冲区( 8 0 字节发送，1 6 字节接收) 等功能。 以3 2 位微处理器为平台，在其上运行集成有t c p i p 协议栈的嵌入式操作系统就 可以实现嵌入式咀太网系统。嵌入式操作系统( e o s ) 做为应用程序的运行平台，它 将应用程序分解为多个任务，负责各个任务的调度，系统资源的管理，任务之间的通 信等 1 7 1 。要在3 2 位微处理器上运行嵌入式操作系统就需要将嵌入式操作系统移植到 微处理器上，移植需要根据不同的处理器架构对操作系统中硬件底层做相应的修改， 然后在宿主机( p c 机) 上建立交叉编译环境，编译操作系统和开发的应用程序，最 后卜_ 载到目标板运行调试。嵌入式操作系统可以采用移植性能好、源代码开放的 u c l i n u x 、u c o s 等。 其中，u c l i n u x 是一个完全符合g n u g p l 公约的操作系统【l ”，完全开放源代码， 作为专门针对控制领域的嵌入式l i n u x 操作系统，u c l i n u x 继承了l i n u x 的大部分优 点：如具有很高的稳定性；同时，儿乎所有的网络协议和接口都已被定制在其中， u c l i n u x 内核在处理网络协议方面比标准的l i n u x 具有更高的执行效率，在每一个端 口上有更高的数据吞吐量，因此，u c l i n u x 可以称作是一个针对嵌入式系统的优秀网 络操作系统。但它的实时性不够强，若需要支持强实时性则还需要对内核改进，采用 专门的解决方案r t l i n u x 和r t a i ( r e a lt i m ea p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ) 。 基于3 2 位微处理器平台的嵌入式以太网系统的实时性、可靠性都比较高，般 适用于系统比较复杂，执行的控制任务多的高端应用。但在3 2 位微处理器上移植嵌 入式实时操作系统比较复杂，难度较大，需要对嵌入式操作系统有比较精深的研究， 熟悉相关的硬件底层驱动的编写、内核的结构及工作原理和上层应用程序的集成，而 且硬件方面也要精通，因为嵌入式操作系统与传统的操作系统有很大的刁i 同，它不同 于传统的桌面操作系统，它是直接控制硬件完成相关的任务，所以需要掌握所用3 2 位微处理器的架构、资源等。此外，成本也比较高，开发周期长。 2 2 专用网络协议处理芯片 目前，随着集成电路技术的不断发展，许多半导体芯片公司针对不同的应用领域 分别设计了相应的专用网络协议处理芯片，如美国u b i c o m 公司生产的新型网络单 片机s x 5 2 b d f l 9 】，在1 0 0 m h z 外频f 运行速度可以达到1 0 0 m i p s ，它的内部固化了 实现t c p 1 p 协议的一些a p i 函数，用户只要通过适当的编程就可以实现自己想要的 通信功能，并且以s x 5 2 b d 为核心的测控设备通过扩展一个以太网控制芯片就可以 接入以太网。但编写软件与t c p i p 协议接口部分必须用s x 5 2 b d 特有的丌发平台编 写，并且s x 5 2 b d 有自己一套专门的指令系统，因此还需要重新学习它的指令集， 并用专用的s x k e y 编译器编译，软件开发比较繁琐，这在一定程度上限制了其应 用。另外其它的网络处理器如i p 2 0 2 2 一般专用于网桥、网关、路由器等专用系统( 2 0 1 ， 因此，也难以广泛应用。 以专用协议处理芯片为核心的应用系统数据处理效率高，速率快，一般用于高端 的复杂应用。但灵活性较差，只局限特定的应用领域，不能随意配置修改各种协议或 是在原有基础上升级，成本也比较高【2 1 j 。 2 3 单片机嵌入t c p i p 协议栈 第三种方案是利用单片机为控制核心，在其中嵌入一个比较简单的t c p 1 p 协议 栈，并在需要的情况下在单片机外围扩展大容量的r o m 、r a m 以存放发送接收的数 据隰23 1 。这种方案对硬件的要求不高，硬件实现起来相对比较容易，但是软件相对 复杂，需要对t c p i p 协议栈有深入的了解，并针对不同的应用要求进行不同程度的 精简和优化。这种系统功能有限，不能实现太多的以太网协议，数据的处理能力不强， 不能发送接收大量的数据，只能实现有限的控制功能，但成本比较低，适用于比较低 端的应用。这种方案也是应用范用最广j 匀，因为目前嵌入式系统中8 应、1 6 位的单 片机还是占据大部分的应用领域，这样有利于系统的平滑升级，同时广大的应用工程 师积累起来的成熟经验和丰富的软硬件资源也是其广泛应用的基础。 综合上述几种方案，结合课题在供水管网的网络远程监控系统中的具体应用，针 对系统中数据传输量较少及控制任务相对简单的情况，单片机嵌入t c p i p 协议栈的 实现方法对监控系统的功能及成本都可以满足要求，且应用具有一般性，因此选定单 片机嵌入t c p i p 协议栈作为系统的实现方案。 3 硬件系统结构 3 1m c u 微控制器的选择 做为嵌入式以太网技术的核心控制学元，m c u 微控制器的选择至关重要，它直 接关系到系统的整体性能。m c u 除了完成测控等任务外，最重要的是运行t c p i p 协议栈，完成以太网通信的功能。但t c p i p 协议栈是一个复杂的工作系统，它最后 编译生成的目标执行代码比较庞大，需要大量的系统资源支持，因此为了确保整个嵌 入式系统的可靠运行首先必须有大容量的r o m 、r a m 资源，其次运行速度要足够快， 在p c 机中的t c p i p 西议栈有操作系统的支持，被划分成多个任务和进程来运行， 而在本系统中没有采用操作系统，仍然是单任务、单进程，所以只有加快速度才能弥 补t c p i p 协议栈执行起来的不足。 根据上述两点要求，选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 是一种新型的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) | ：2 4 】，由美国c y g n a l 公司研镑4 生产，它是一种高性能的片上系统微控制器，其片内除了与8 0 5 1 兼容的内核c i p 5 1 外，还集成了多种模拟数字部件，是模拟数字混合信号系统级芯片，只要在外围加上 放大、滤波等信号调理模块可基本上利用一个芯片实现数据的采集处理、控制任务。 1 0 0 脚的t q f p 封装减小了电路板的面积降低了系统成本。3 v 的工作电压也降低 了系统功耗，由于片内集成了多种器件功能，这在一定程度上也增强了其对外界的抗 干扰性。因此，c 8 0 5 1 f 0 2 0 是一款性价比非常高的微控制器，其片内资源包括如下几 个部分： ( 1 ) 指令系统。c 8 0 5 1 f 0 2 0 采用c y g n a l 公司的专利与m c s 一5 1 兼容的c i p - 5 1 微控制器内核，c i p 5 1 采用先进的指令流水线结构，与同类的5 l 内核的单片机相比 指令执行速度大大提高，在2 5 m h z 时，峰值速度达到2 5 m i p s 。并且，系统时钟可 以编程以满足各种系统不同速度的要求。由于其内核与5 i 内核兼容，因此指令系统 就可以采用5 1 指令集，这就为编程带来极大的方便，而不需为此再学习新的编程语 言。并且，它的开发工具与k e i lc 5 1 完全兼容，可以使用c 语言编程。 ( 2 ) 片内存储器。c 8 0 5 1 f 0 2 0 的c i p 5 1 内核具有标准的8 0 5 1 程序和数据地址 沈揖1 】i 业人学坝卜学位论文 配置。另外，还具有位于外部数据存储器空间的4 k 字节的r a m 块和一个可用于访 问外部数据存储器的外部存储器接口( e m l f ) 。这个片内的4 k 字节r a m 块t j 以在 整个6 4 k 外部数据存储器地址空间中被寻址。外部数据存储器地址空间可以只映射 到片内存储器、只映射到片外存储器、或髓者的组合。e m i f 可以被配置为地址数据 线复用方式或非复用方式。 m c u 的程序存储器包含6 4 k 字节的f l a s h 。该存储器以5 1 2 字节为一个扇区， 可以在系统编程，且一i 需特别的编程电压。从0 x f e 0 0 到0 x f f f f 的5 1 2 字节被保留， 山工厂使用。还有一个位于地址0 x 1 0 0 0 0 0 x 1 0 0 7 f 的1 2 8 字节的空间，这段空问町以 用作一个小的软件常数表。 ( 3 ) 中断和复位系统。c i p 5 1 改进了8 0 5 l 的中断系统，提供多达2 2 个中断源， 允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的m c u 干 预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务的实时系统时，这些增加的中断源是 非常有用的。 另外，系统还提供了7 个复位源：一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一 个片内电压监视器、一个软件强制复位、一个由比较器0 提供的电压检测器、c n v s t r 引脚和r s t 引脚。这些复位源可以有效的确保系统稳定的运行。 ( 4 ) 可编程数字i o 口和交叉开关。c 8 0 5 1 f 0 2 0 有4 个附加的端口p 4 、p 5 、p 6 、 p 7 ，因此共有6 4 个通用i o 口。每个端口t o 引脚都可以被编程配置为推挽或漏极 开路输出。但最大的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许 将内部数字系统资源映射到p o 、p l 、p 2 、p 3 端口的i o 引脚。可通过设置交叉开关 寄存器x b r 0 、x b r l 、x b r 2 将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、a d c 转换 启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它一些数字系统资源配置到端口t 0 脚。 ( 5 ) a d 和d a 资源。c 8 0 5 1 f 0 2 0 片内集成有一个1 2 位s a r a d c ，一个9 通 道输入多路选择开关m u x 和可编程增益放大器p g a 。该a d c 工作在1 0 0 k s p s 的最 大采样速率时可以提供1 2 位的精度转换。a d c 完全由c i p 5 1 通过特殊功能寄存器 控制。有一个输入通道被联到内部温度传感器，其它8 个通道接外部输入。8 个外部 沈| j _ | 业人学坝i 学位论文 输入通道可由通道选择寄存器a m u x o s l 编程以选择任意通道输入，且每一对都可 由通道配置寄存器a m x o c f 被配置为两个单端输入和一个差分输入。系统控制器可 以将a d c 置于关断状态以降低功耗。可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后， 增益可以通过配置寄存器a d c o c f 编程设置。a d 转换有4 种启动方式：软件命令、 定时器2 溢出、定时器3 溢f _ j 、外部信号引入。这种灵活性允许用多种方式触发转换， 给编程带柬极大方便。并且。次转换完成可以产生一次中断，或者用软件查询状态位 来判断转换结束。转换后的结果存储在两个特殊功能寄存器中a d c o h 、a d c o l 。此 外，c i p 5 1 内核还集成有一个a d c l 子系统，它包括一个8 通道的可配置模拟多路 丌关( a m u x l ) ，一个可编程增益放大器( p g a l ) 和一个5 0 0 k s p s 、8 位分辨率的 s a r a d c 。它的系统结构与工作原理与1 2 位的a d c 相似。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 除了含有a d 之外，还配置有2 个功能强大的1 2 位电压方式数模转 换器d a c 0 和d a c l 。将要转换的数据写入特殊功能寄存器d a c o h 、d a c o l 和 d a c l h 、d a c l l 就可以得到输出电压值。每个d a c 的输出幅度均为o v 到 ( v r e f 一1 l s b ) ，通过编程设置控制寄存器d a c o c n 和d a c l c n 可以允许或禁止 d a 、配置d a 转换的启动方式、数据格式。 ( 6 ) 片内其它资源。c 8 0 5 1 f 0 2 0 除了上述功能外，还具有多种接口。内部有2 个全双工的增强型u a r t 、s p i 总线和s m b u s 1 2 c 总线。每种串行总线都用硬件实现， 都能向c i p 一5 1 产生中断，因此需要很少的c p u 干预。这些串行总线不共享定时器、 中断或端口i o 等资源，可以通过数字交叉开关配置任意一个或全部功能。4 个1 6 位的可编程计数器定时器。以上的功能可满足绝大部分系统设计的需要。 ( 7 ) j t a g 调试和边界扫描。用流行的i s p ( 在系统可编程) 编程方式，具有片 内j t a g 边界扫描和调试电路，通过4 脚j t a g 接口并使用安装在最终应用系统中的 产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。该j t a g 接口完全符合 i e e e l l 4 9 1 规范。对于开发和调试嵌入式应用来说，该系统的调试功能比采用标准 m c u 仿真器要优越得多，标准的m c u 仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还 需要在应用板上有m c u 的插座。c y g n a l 的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外 设的性能。 沈阳丁业人学坝l 学位论史 3 2 以太网控制芯片的选择 嵌入式以太网系统的另个重要部分就是以太网接口芯片的选择。它通过隔离耦 合变压器与以太网络连接，是数据发送和接收的中枢。r e a l t e k 公司，产的以太网控 制芯片r t l 8 0 1 9 a s 具有功能强大、成本低、应用广泛的优点【2 5 j ，足一款性价比较高 的网 控制芯片。它具有以下一些特点： ( 1 ) 支持e t h e m e ti i 与i e e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 、10 b a s e 2 、1 0 b a s e t ) 标准； ( 2 ) 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率，自动产生c r c 校验码、数据帧同 步码、帧起始定界符： ( 3 ) 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： ( 4 ) 支持8 1 1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i 0 基地址选择； ( 5 ) 支持u t p 、a u i 、b n c 自动检测，还支持对1 0 b a s e t 拓扑结构的自动极性 修正； ( 6 ) 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出； ( 7 ) 1 0 0 脚的p q f p 封装，减小了p c b 尺寸。 3 2 1 内部结构 r t l 8 0 1 9 a s 内部可分为远程d m a 接口、本地d m a 接口、m a c ( 介质访问控 制) 逻辑、数据编码解码逻辑和其他端【j 。 远程d m a 接口是指单片机对r t l 8 0 1 9 a s 内部r a m 进行读写的总线，即i s a 总线的接口部分。单片机收发数据只需对远程d m a 操作。本地d m a 接口是把 r t l 8 0 1 9 a s 与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。 m a c ( 介质访问控制) 逻辑完成以下功能：当单片机向网上发送数据时，先将 一帧数据通过远程d m a 通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓存区，然后发出传送命令； 当r t l 8 0 1 9 a s 完成了上帧的发送后，再开始此帧的发送。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。f i f o 逻辑对收发数据作1 6 字节的缓冲，以减少对本 地d m a 请求的频率。 3 2 2 内部r a m 地址空间分配 r t l 8 0 1 9 a s 内部有两块r a m 区。一块1 6 k 字节，地址为0 x 4 0 0 0 0 x 7 f f f i 一块 3 2 字节，地址为0 x 0 0 0 0 0 x 0 0 1 f 。r a m 按页存储，每2 5 6 字节为一页。一般将r a m 沈阡1 丁业人学坝 学位论文 的前1 2 页( 即0 x 4 0 0 0 0 x 4 b f f ) 存储区作为发送缓冲区；后5 2 页( 即0 x 4 c 0 0 0 x 7 f f f ) 存储区作为接收缓冲区。第0 页叫p r o m 页，只有3 2 字宵，地址为o x o o o o o x 0 0 1 f ， 用于存储以太网物理地址。 要接收和发送数据包就必须通过d m a 读写r t l