（计算机应用技术专业论文）基于devicenet的嵌入式web服务器设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前，嵌入式i n t e r a c t 技术的飞速发展将以太网推进到工业自动化控制层以至 设备层。如果在d e v i c e n e t 和以太网之间设置嵌入式w e b 服务器，实现数据的远程 访问，就可以打破“信息孤岛”，拓展传输空问。因此，研究嵌入式w e b 服务器在 d e v i c e n e t 中的应用将具有重大的实用价值和现实意义。 首先简要分析了在d e v i c e n e t 中使用嵌入式w e b 服务器的可行性和必要性。其 次，提出了系统的整体设计架构，重点论述了w e b 服务器的体系结构和c a n 接口、 以太网接口驱动程序的实现，进而实现了d e v i c e n e t 总线通信。然后，在剖析t c p i p 协议栈的基础上对其进行了精简与实现，这里采用c g i 的思想实现动态页面，借助 h t t p 协议实现w e b 服务的功能。最后，在测试的基础上进行了技术总结，为今后 更复杂、功能更全面的设计提供了一定的参考价值。 关键词：设备网，嵌入式w e b 服务器，以太网，t c p i p 协议栈 a b s i r a c i n o w d a y s ，t h eb o o mo ft h ee m b e d d e di n t e m e tt e c h n o l o g yb r i n g st h ee t h e m e ti nt h e c o n t r o ll a y e ri nt h ef i e l do fa u t o m a t i o n e v c i li nt h ed e v i c el a y e r i fy o ul a y o u tt h e e m b e d d e dw e bs e r v e rb e t w e e nt h ed e v i c e n e ta n dt h ee t h e m c t ，y o uc a ng e tt h er e m o t e d a t a , a n dy o uw i l lb r e a ko u tf r o mt h ei s o l a t e di s l a n do ft h ei n f o r m a t i o n ，e n l a r g et h e s p a c eo ft h et r a n s m i s s i o n t h e r e f o r eo _ l e r ei st h es i g n i f i c a n tp r a c t i c a lv a l u ei nt h es t u d y o f t h ee r n b e d d e dw e bs e r v e r f i r s n y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r a c t i c a l i t ya n dt h en e e di nt h eu s eo ft h ee m b e d d e d w e bs o l v e ro ft h ed e v i c e n e t s e c o n d l y , i tb r i n g sf o r w a r dt h ew h o l ef l a m eo ft h es y s t e m ， a n di te m p h a s i z e st h ea r c h i t e c t u r eo fw e bs e r v e ra n dt h ec a ni n t e r f a c e ，t h er e a l i z a t i o n o ft h ed r i v e rp r o g r a mo fe t h e r n e ti n t e r f a c e ，w i t hi tr e a l i z e st h eb u sc o m m u n i c a t i o no f d e v i c e n e t n e x t ，i tc u t st h es u i t eo ft h et c p i pp r o t o c o lo nt h eb a s i so ft h ec o m p l e t e a n m o m yi nt h es o f t w a r ef i e l d ，a n di tr e a l i z e st h ed y n a m i cf r o n tp a g ew i t ht h ec g i ，a n d i t c a r r i e so u tt h ew e bs e r v e rw i t ht h eh e l po ft h eh j r r pp r o t o c 0 1 l a s t l y , t h eu s e d t e c h n o l o g yo nt e s t i n ga n dp r o v i d i n gt h er e f e r e n c ei ss u m m a r i z e df o rt h ef u l l s c a l ed e s i g n i nt h ef u t u r e s if e n g s h a n ( c o m p m e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f s h a oz u o z h i ，l id o n 萄i a n g k e yw o r d s ：d e v i e e n e t ，e m b e d d e dw e bs e r v e r , i n t e r n e t , t c m pp r o t o c o l i 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d e v i c e n e t 的嵌入式w e b 服 务器设计与实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：飙 日 期：2 雌灯 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：运丑盈4 日期：丝丑，酉 导师签名 日期 呻 纱 箩 攀 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 随着计算机、通信、网络技术的持续高速发展，以太网已经成为网络的主流和 事实标准。无论是在国际互联网，还是在各种商业网络以及办公自动化领域，以太 网都显示出强大的生命力。如何在控制领域内合理利用这些已有的成熟技术，近年 来一直是工控领域的重要课题和研究热点【l l 。 与此同时，信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的 各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速 发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的 企业信息系统。现场总线就是顺应这一形式发展起来的新技术。本课题就是采用一 种基于c a n 技术的现场总线一一d e v i c e n e t 。 在自动化的工业现场，下层车间的监测设备之间都是采用现场总线互连，而企 业的管理层和生产监控层都是连接于以太网的p c 机，甚至是位于异地连接于互联 网上的p c 机。要实现生产现场与外界的信息交换，加强生产现场与更高控制管理 层之间的沟通，打破系统“信息孤岛”，就必须实现d e v i c e n e t 与以太网的互连通信。 要真正实现d e v i c e n e t 与以太网的互连通信，也就是要把嵌入式系统与i n t e r n e t 技术 相结合，这便产生了嵌入式i n t e m e t 技术。嵌入式i n t e r n e t 技术已成为当前嵌入式系 统发展的热点之一，具有广阔的应用前景。目前，将嵌入式系统接入i n t e m e t 通常 有两种方法1 2 j ： 一种方法是采用高速的1 6 3 2 位微处理器直接实现t c p i p 协议栈；另一种方法 是使用嵌入式网关来实现，即每个嵌入式系统首先和网关进行通信，通信方式采用 传统的r s 2 3 2 等，由嵌入式网关负责实现t c p i p 协议栈，完成嵌入式系统与i n t e r n e t 的信息交互。 但是无论采用哪种方法实现嵌入式系统与i n t e m e t 的互联，想要实现通过w e b 方式访问嵌入式系统，都必须在嵌入式系统或网关内实现嵌入式的w e b 服务器。本 课题就是在微处理器直接实现t c p i p 协议栈的基础上，进一步实现w 曲服务的功 能。 事实证明，该互连系统不仅可以广泛应用于工业控制领域，实现小型工业检测 系统网络化，还可以实现智能仪器、智能园区、环境工程、植物工厂、工业制冷等 方面的应用，具有广阔的应用前景和推广价值。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 研究思路及主要工作 d e v i c e n e t 中自动控制系统与现场设备之间，以及现场设备与现场设备之间的 通信半径比较有限，有关的通信协议也比较少，而且一般是孤立于i n t e m e t 以外的， 所以有必要在d e v i c e n e t 与以太网( 采用i n t e m e t 的主流标准以太网) 之间设立一个 嵌入式w e b 服务器。用它来实现将基于t c p i p 协议的计算机网络设备与基于 d e v i c e n e t 协议的底层现场网络连通，实现d e v i c e n e t 中现场设备状态信息的发布， 拓展通信的有效空间，从而构成一个完整的互连系统。 本课题就是基于以上思路来开展设计与实现工作的。由此可见，有了嵌入式 w e b 服务器则可以方便、低廉地将信息传送到d e v i c e n e t 的外部世界。这种d e v i c e n e t 与i n t e r n e t 的结合也正是嵌入式i n t e r n e t 技术的真正体现。 为了达到以上的设计目标，论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 论述了系统的整体设计架构； ( 2 ) c a n 接口和以太网接口驱动程序的实现； ( 3 ) d e v i c e n e t 总线通信的实现； ( 4 ) t c p i p 协议栈的精简和实现； ( 5 ) 动态页面的设计与发布； ( 6 ) 系统测试与技术总结。 z 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统的整体设计架构 在p c 机上实现w e b 服务的功能非常容易，但是嵌入式系统硬件资源相对于p c 机非常贫乏，要在其上实现w e b 服务的功能难度很大。 本课题是在8 位单片机上实现w e b 服务的功能，并且它通过c a n 接口实现与 d e v i c e n e t 相连通信，通过以太网接口实现与以太网互连通信。c a n 接口、微处理 器和以太网接口组成了系统的整体架构，从而可以实现d e v i c e n e t 中数据的远程访 问。系统的整体设计架构如图2 一l 所示。 2 1d e v i c e n e t 现场总线 图2 - l 系统的整体设计架构 d e v i e e n e t 是美国r o c k w e l l 公司1 9 9 4 年提出的基于控制器局域网c a n 的一种 现场总线，用于实现低成本、高性能的设备层网络互连。在讨论d e v i c e n e t 之前， 有必要阐述一下现场总线( f i e l d b u s ) 的有关理论。 2 1 1 现场总线技术 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机 局域网。下面给出现场总线两种有代表性的定义l j j ： ( 1 ) i s as p 5 0 中对现场总线的定义：现场总线是一种串行的数字数据通信链 路，它沟通了过程控制领域的现场控制设备( 即场地设备) 之间以及与更高层次自 动控制领域的自动控制设备( 即车间级设备) 之间的联系。这里的现场设备是指最 底层的用于控制、监测、执行和计算的设备，包括传感器控制、智能阀门、微处理 器和内存等各种类型的仪表产品。 ( 2 ) 根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义：现场总线是指安装在制造或过 3 华北电力大学硕士学位论文 程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多点通信的数据 总线。 由此可见，现场总线就是把单个分散的控制设备变成网络节点，以现场总线为 纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 现场总线使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息 网络的行列。因此，把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端也并不为过。 2 1 2d e v i c e n e t 的性能特点 d e v i e e n e t 是种简单、开放、低价、可靠、高效的通信总线，它将工业设备 连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连改善了设备间的通信，并同 时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线i o 接口很难实现的，因此 它被视作一种面向工业控制底层的现场总线。d e v i e e n e t 的性能特点如表2 1 【4 1 。 表2 - 1d e v i e e n e t 的性能特点 网络大小最多6 4 个节点，每个节点支持的i o 数量无限制 可选的端一端网络长度随网络传输速度而变化 波特率距离 网络长度 1 2 5 k b i t l s5 0 0 m 2 5 0 k b i t s2 5 0 m 5 0 0 k b i t s1 0 0 m 数据包 0 8 b 线性( 干线，支线) ：电源和信号在同一网络电缆中；总线电源结构和 总线拓扑结构 容量可调 网络模型生产者消费者模型；支持对等( 点对点) 、多主和主从通信方式 媒介访问控制采用带非破坏性逐位仲裁的载波侦听多址访问技术c s m n b a 总线寻址带多点传送( 一对多) 的点对点；多主站和主从；轮询或状态改变 系统特性支持设备的热插拔，无需网络断电 具有通信错误分级检测机制及通信故障的自动判别和恢复功能；通信 通信特性面向连接的模式；面向连接通信的典型请求响应；大信息量的分段 移动 规范和协议都是开放的，目前属“开放d e v i e e n e t 厂商协会”o d v a 协议规范 组织所有 在c a n 物理层和数据链路层的基础上，提出了应用层协议，其中运 体系结构 用了许多全新的概念 4 华北电力大学硕士学位论文 2 2 以太网的层次结构 以太网如今更多的被用来指各种采用载波多路访问和冲突检测机制c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s “c 0 1 l i s i o nd e t e c t i o n ) 技术的局域网，即多个工作站都连 接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一时刻只能 有一个工作站在总线上进行传输，而其它工作站必须等待其传输结束后再开始自己 的传输。 ( 1 ) i s o 0 s i 模型 o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ，开放系统互联参考模型) 是i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a f i o no r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织) 为实现开放系统互连面 建立的模型，日的是为异种计算机问的互连提供一个共同的基础和标准框架，并为 保持相关标准的一致性和兼容性提供参考。o s i 模型共有七层，由低到高分别是物 理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每层完成定的 功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持。 ( 2 ) 基于以太网的t c p i p 参考模型 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t c m e tp r o t o c o l ，传输控制网际协议) 网 络体系来源于上世纪6 0 年代末期的美国国防部a r p a n e t 工程。它是许多协议的 集合，是由1 0 0 多个协议组成的协议族，每个协议适于一种因特网的特定应用，这 是t c p i p 如此灵活的原因之一。每一协议都可以独立与其他协议使用，从而与其 他传输技术相兼容。t c p 和i p 是t c w i p 协议中最著名的两个协议，t c p i p 协议因 此而得名。 以太网是当今t c p i p 采用的主要局域网技术。对于以太网，其协议本身只定 义了o s i 模型中最低两层的协议：物理层和数据链路层。基于以太网的t c p i p 协 议是作为运行在以太网上的高层协议出现的。其实除了t c p ，i p 协议以外，以太网 上还有其他的高层协议，比如n o v e l l 网协议等。t c p i p 模型中没有会话层和表示层， 在传输层上就是应用层，它包含所有的高层软件，如虚拟终端协议( t e l n e t ) 、文件 传输协议( f t p ) 、电子邮件协议( s m r p ) 和h t t p 协议等。 2 3 系统架构的设计 系统主要由微处理器，c a n 接口和以太网接口三部分组成。微处理器负责接口 中相关控制器的初始化并实现w e b 服务的功能；c a n 接口和以太网接口分别与 d e v i c e n e t 和以太网相连，实现数据的发送和接收。下面对它们进行详细的论述。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 3 1 微处理器简介 这里采用p 8 7 c 5 2 x 2 单片机【”，该系列单片机都是8 位单片机，采用先进的 c m o s 工艺制造，是p 8 0 c 5 1 系列单片机的派生品，其指令集与8 0 c 5 1 完全兼容。 该单片机有4 个8 位f o 口，3 d 1 6 位定时事件计数器，多中断源，4 个中断优先 级的可嵌套中断结构，1 个增强u a r t ，1 个通用的串行通道，片振荡时钟电路。根 据系统要求，外部存储器空间可扩展到6 4 k ，外部扩展可使用标准t t l 兼容存储器 和逻辑器件。这些使得单片机具有更强大的功能，更好地应用于诸如脉宽调制，高 速f o 和上下计数能力如马达控制等场合。 2 3 2c a n 接口设计 构成c a n 接口的主要器件是c a n 控制器和收发器。c a n 控制器以一块可编 程芯片上的逻辑电路的组合，来实现c a n 通信模型中物理层和数据链路层的功能， 并且对外提供与微处理器的物理接口。通过对c a n 控制器的编程，可以设置它的 工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在它的基础 之上。c a n 收发器提供了c a n 控制器与物理总线之间的接口以及对c a n 总线的 差动发送和接收功能，是影响网络性能的关键因素。这里采用p h i l i p s 半导体公司的 c a n 控制器s j a l o o o 和c a n 收发器t j a l 0 5 0 t 。 2 3 2 1c a n 控制器s j a l 0 0 0 s j a l 0 0 0 主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。为了确保与外 部微处理器的独立工作，它对于微处理器是以存储器映像外围设备的形式出现的。 而且它增加了一种新的操作模式一一p e l i c a n ，这种模式支持具有很多新特性的 c a n 2 0 b 协议。s j a l 0 0 0 的内部结构如图2 2 所示【6 1 。 c a n 总线 接 主 口 = 刮发送缓冲器 毒 4 - - 控 管 c a n 发 制 理核心模块送 逻 器 辑 爿接收缓冲器h 接收滤波器 图2 - 2s j a l 0 0 0 的内部结构 根据c a n 规范，c a n 核心模块控制c a n 帧的发送和接收。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 接1 ：3 管理逻辑( i n t e r f a c e m a n a g e m e n t l o g i c ) 负责连接外部主控制器，该 控制器可以是微处理器或任何其他器件。它接收来自微处理器的命令，控制c a n 寄存器的地址，并为微处理器提供中断和状态信息。 ( 2 ) 发送缓冲器( t r a m s m i tb u f f e r ) 能存储一条将在c a n 总线上发送的完整报 文，当主控制器初始化发送，接口管理逻辑会使c a n 核心模块从发送缓冲器中读 c a n 报文。 ( 3 ) 接收滤波器( a c c e p t a n c e f i l t e r ) 把报文头中的标识符和接收滤波器中的内容 进行比较，以判断该报文是否被接收，如果被接收，报文存入接收缓冲器中。 ( 4 ) 接收缓冲器( r e c e i v ef i f o ) 用来存储从c a n 总线上接收并通过了滤波的报 文。存储报文的多少由工作模式决定，而最多能存储3 2 个报文。因为数据超载可 能性被大大降低，这使用户能更灵活地指定中断服务和中断优先级。 2 3 2 2c a n 接口的硬件电路 单片机p 8 7 c 5 2 x 2 与c a n 控制器s j a l o o o 构成的c a n 接口电路如图2 3 所示。 图2 - 3c a n 接口电路图 可以看出，电路主要由四部分构成：微处理器p 8 7 c 5 2 x 2 、c a n 控制器s j a l 0 0 0 、 c a n 收发器t j a l 0 5 0 t 和高速光电耦合器6 n 1 3 7 。s j a l 0 0 0 的a d 0 a d 7 连接到微 处理器的p 0 口；c s 是通过地址译码控制( 地址为6 0 0 0 h ) ，即表示s j a l 0 0 0 的器 件地址可以为6 0 0 0 h ；c p u 可对s j a l 0 0 0 执行相应的读写操作。s j a l 0 0 0 的r d 、 w r 、a l e 分别与微处理器的对应引脚相连，i n t 由j p 3 来选择是i n t 0 还是i n t l ， 微处理器可通过中断方式访问s j a l 0 0 0 ，s j a l 0 0 0 的复位信号r s t 低电平有效。 为了增强d e v i c o n e t 节点的抗干扰能力，s j a l 0 0 0 的t x 0 和r x 0 并不是直接与 t j a l 0 5 0 t 的t x d 和r x d 相连，而是通过高速光电耦合器6 n 1 3 7 后与t j a l 0 5 0 t 相连，这样就很好地实现了总线上各节点间的电器隔离。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 以太网接口设计 这里采用以太网控制器r t l s 0 1 9 a s 和r j 4 5 构成以太网接口。微处理器负责 r t l 8 0 1 9 a s 的初始化及通过控制r t l 8 0 1 9 a s 实现数据的接收和发送等通信任务。 2 3 1 3 1 以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s r t l 8 0 1 9 a s 是台湾r e a l t e k 公司生产的一种n e 2 0 0 0 兼容的i s a 总线以太网 控制芯片，网络传输速率为1 0 m b i t s e c ，支持c s m a c d 传输协议，与8 0 5 1 单片机 接口简单，相对8 0 5 1 单片机而言r t l 8 0 1 9 a s 的带宽充裕。 r t l 8 0 1 9 a s 有两块r a m ：一块1 6 k 字节r a m ，地址为0 x 4 0 0 0 0 x 7 f f f ( 该 地址为芯片内的存储地址，网卡芯片用它来存储转发数据) ；一块3 2 字节r a m ，地 址为0 x 0 0 0 0 0 x 0 0 f f 。芯片内部地址空间的分配如图2 4 所示【7 1 。 d 1 5d 0 0 0 0 0 h 0 0 f f h 0 1 0 0 h 3 f f f h 4 0 0 0 h 7 l 硎 8 0 0 0 h c o o o h f f f f h p r o m 不使用 8 p 1 6 缓冲区趿口r a m 内容同0 0 0 0 h - - 7 f f f h 相同 不使用 图2 4 芯片内部地址空间的分配 由图可知，r t l s o l 9 a s 内部地址o x 4 0 0 0 o x 7 f f f 为8 k + 1 6 双口r a m ，它是 分页存放的，1 6 b l y t e s 地址的高8 b y t e s 为页地址，每页2 5 6 b y t e s ，共6 4 页。如地址 o x 7 f f f 称为第7 f 页，o x 7 f 0 0 o x 7 f f f 为该页的存储空间。程序设计中使用这块 r a m 作为发送和接收数据包的缓冲区，发送和接收缓冲区的大小可以自行划定。由 于r t l 8 0 1 9 a s 接收或发送的数据是按页存储的，如果某页没有完全填满数据，则 下包数据也不能继续使用该页，只能使用新的页，并且数据是按页连续存放的。其 中，从o x o o o o o x o o f f 的内存为p r o m ，是n e 2 0 0 0 兼容的网卡都有的。如果用 9 3 c 4 6 ，则p r o m 用于存放上电复位时从9 3 c 4 6 读出的m a c 地址，没有使用9 3 c 4 6 的话，可以不管这部分存储区。本设计中没有使用网卡和9 3 c 4 6 ，因此可以不使用 从地址0 x 0 0 0 0 o x o o f f 的3 2 字节的p r o m 。0 x 8 0 0 0 0 x f f f f 内容跟0 x 0 0 0 0 o x t f f f 内容相同( 对于8 b y t e s 工作方式) ，在本设计中不使用。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 2r t l 8 0 1 9 a s 的d m a 操作 要接收和发送数据包都必须对双口r a m 进行读写，并且需要通过d m a ( d i r e c t m e m o r ya c c e s s ，直接存取存储器) 方式进行读和写。双端口是指两套总线连接该 r a m ：本地d m a ( l o c a ld m a ) 和远端d m a ( r e m o t ed m a ) ”。 本地d m a 可以理解为r t l 8 0 1 9 a s 内部数据传输，由芯片自身完成。只要给定 待发送数据的起始页地址和数据长度并启动发送命令以后，数据的发送可由硬件收 发电路负责完成。而远端d m a 指r t l 8 0 1 9 a s 与微处理器之间的数据传输，需要主 机的参与。主机只要设定好读写的起始地址和长度后就可以读写芯片r a m ，且每操 作一次r a m 地址自动加1 ，处理速度比普通的r a m 操作要快的多。芯片内部有一 些总线仲裁逻辑，负责两套总线的管理，使它们能同时读写r a m ，而不产生冲突。 远端d m a 要比本地d m a 慢很多，所以远端d m a 不需要等待时序。远端d m a 和本地d m a 可以并发操作，互不影响，但是本地d m a 的优先权要高。当二者同 时请求总线，本地d m a 获得优先控制权并可以中断远端d m a ，反之不可。当本地 d m a 传输完毕后可以继续被中断的远端d m a 操作，以完成远端d m a 的传输。 r t l 8 0 1 9 a s 拥有控制、状态和数据寄存器，通过它们微处理器可以与 r t l 8 0 1 9 a s 通信。但由于5 1 单片机资源紧张，在实现数据的收发时避免进行内存 拷贝，所以我们采取如下措施：( 1 ) 使用全局结构体变量，在内存中只保留一个数 据拷贝，其他没有来得及处理的包保存在r t l 8 0 1 9 a s 的1 6 kr a m 里；( 2 ) 使用查 询方式而不用中断；( 3 ) 客户服务器模型中服务器工作于串行方式，并发方式不适 合5 1 单片机。 2 3 3 3 以太网接口的硬件电路 单片机p 8 7 c 5 2 x 2 与r t l 8 0 1 9 a s 构成的以太网接口电路如图2 - 5 所示。 图2 - 5 以太网接口电路图 9 华北电力大学硕士学位论文 其中，r t l 8 0 1 9 a s 的数据线s d o s d 7 与p 8 7 c 5 2 x 2 的a d o a d 7 ( p 0 口) 相连，地址线a 0 a 4 与p 8 7 c 5 2 x 2 的a 0 a 4 ( p 0 口锁存后的信号) 连接。读写 信号经g a l l 6 v 8 产生，r t l s 0 1 9 a s 的基地址为0 x 5 0 0 0 。按电路图连接后，当访问 地址的范围为0 x 5 0 0 0 0 x 5 0 1 f 时，p 8 7 c 5 2 x 2 实现对r t l 8 0 1 9 a s 的读写操作。 r t l 8 0 1 9 a s 支持3 种工作方式：即插即用方式、跳线方式、免跳线方式。这里 采用跳线工作方式( j p 接高电平) ，即网卡的i o 地址和中断都由跳线决定。因为 即插即用方式5 1 单片机无法实现；另外免跳线方式不但要用到一片9 3 c 4 6 芯片， 而且增加了连线提高了成本。以太网接口采用无屏蔽双绞线r j 4 5 接口，由于 r t l 8 0 1 9 a s 内置了1 0 b a s e 2 t 收发器，这部分接口也比较简单，只需要一个隔离变 压器2 0 f 0 0 1 n 即可。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第三章d e v i c e n e t 总线通信的实现 3 1d e v i c e n e t 的通信模型 d e v i c e n e t 建立在c a n 的基础之上，沿用了c a n 协议标准所规定的总线网络 的物理层和数据链路层，并补充定义了不同的报文格式、访问仲裁规则及故障检测 和故障隔离方法。可以简单的说，c a n 定义了数据传输的句法和格式，而d e v i c e n e t 的应用层定义了传输数据的语法和语义。d e v i c e n e t 的通信模型如图3 1 所示【9 】。 i s o 应用层( 层 i s o 数据链路层 ( 层2 ) i s o 物理层 ( 层1 ) i s o 介质( 层0 图3 1d e v i c e n e t 的通信模型 3 2c a n 接口驱动程序的实现 c a n 协议规范 由于d e v i c e n e t 中节点间是通过c a n 接口互连的，因此要实现总线的通信， c a n 接口驱动程序的实现是关键。d e v i c e n e t 是一种基于c a n 的现场总线，所以其 数据发送和接收的方式与c a n 一样，都遵从c a n 的定义1 0 】。c a n 接口驱动程序 由三部分组成：c a n 控制器初始化程序、报文接收程序和报文发送程序。 3 2 1s j a l 0 0 0 初始化的实现 s j a l 0 0 0 的初始化只有在复位模式下才可以进行在正常工作之前，必须通过 微处理器对其进行配置，主要是控制段中的一些配置寄存器的设置，其中有验收代 码寄存器( a c r ) 、验收屏蔽寄存器( a m r ) 、总线定时寄存器i ( b t r l ) 和输出控制寄 存器( o c r ) 。验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器用于报文的验收；总线定时寄存器1 用于总线上通信波特率的设定，总线定时寄存器0 ( b t r 0 ) 的内容决定波特率预分频 1 1 华北电力大学硕+ 学位论文 器( b r p ) 和同步跳转宽度( s j w ) 的数值；输出控制寄存器( o c r ) 用于配置四种不同的 输出方式：正常输出、时钟输出、双相位输出和测试输出。 ( 1 ) s j a l o o o 的初始化内容 初始化时钟分频寄存器 是使用b a s i c c a n 模式还是p e l i c a n 模式 是否使用c l k o u t 管脚 是否忽略c a n 的输入比较器 是否将t x l 的输出用作专用的中断输出 初始化接收识别符和接收屏蔽寄存器 定义接收报文的接收识别符 定义能接收的报文的相关屏蔽寄存器信息 初始化总线定时器 定义总线的位速率( b i t r a t e ) 定义位间的采样时间点 定义一个位时间内需要采样的次数 初始化输出控制寄存器 定义c a n 总线上输出管脚t x o 和t x i 的输出模式 定义c a n 总线上输出管脚t x o 和t x l 的信号工作方式 ( 2 ) s j a l 0 0 0 的初始化程序 初始化程序主要是通过对c a n 控制器控制段中的寄存器写入控制字，从而确 定c a n 控制器的工作方式等1 1 】。s j a l 0 0 0 的初始化流程如图3 2 所示。 下面提供了简化的s j a l 0 0 0 初始化c 5 1 源程序。 v o i di n i t s j a l 0 0 0 ( ) a o ： x b y t e 【0 x 4 0 0 0 】= o x o l ；复位模式 x b y t e 【0 “0 0 4 】= o x l l 接收中断使能，w a k e _ u p 中断使能 x b y i e 【0 x 4 0 0 8 】= 0 x f a ；输出控制寄存器 x b y t e o x 4 0 0 f 】= o x 4 8 ；c l o e kd i v i d e r e a = i ； e x l = l ： ) 当完成所有的初始化工作后，s j a l 0 0 0 就进入工作( o p e r a t i o n ) 模式，并且使 c a n 控制器的中断功能有效。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 开始初始化或者重新配置 0 使主控制器上的中断源无效l 1 进入重置模式请求 弋= 配置时钟分频寄存器： lp e l i c a n 或b a s i c c a n 2 忽略c a n 输入比较器 3 c l k 、o u t 控制频率 4 t x l 的使用 上 配置接收识别符和屏蔽寄存器 上 配置总线定时寄存器 上 配置输出控制寄存器 j 1 进入操作，正常模式 弋专 使c a n 中断有效，并且使主控 制器中的c a n 中断源有效 图3 - 2s j a l 0 0 0 的初始化流程图 1 3 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2s j a l 0 0 0 接收数据的实现 c a n 控制器和微处理器的数据交换可以使用中断方式和周期轮询方式。从响应 速度和执行的效率来讲，应用环境使用中断方式比较好，因此必须编写自己的收发 中断处理函数，其功能是将c a n 控制器缓冲区中的报文拷贝到一个临时的全局缓 冲区中，并将该缓冲区作为高层协议处理和底层协议收发处理的一个接口，这样的 设计具有良好的可扩展性。如果将来使用其他厂家的c a n 控制器，所做的修改也 仅仅是改动一些与具体硬件相关的几个底层函数。只要定义好互相通信的接口，就 可以将软件和硬件进行分离。 s j a l 0 0 0 有一个报文发送缓冲区和两个报文接收缓冲区用于d e v i c e n e t 的报文 传送。当s j a l 0 0 0 没有报文要发送时，它启动接收管理逻辑单元。当总线有报文接 收时，它接收并检查到达报文标识符的最高8 位( i d 1 0 - i d 3 1 ，如果它满足下式，则 予以验收【1 2 】。 【( i d 1 0 i d 3 ) 一( a c 7 a c o ) 】”( a m 7 - a m 0 ) = 1 1 1 1 1 1 1 l b ( 3 - 1 ) 同时接收缓冲区还要为空，如果此时没有空的接收缓冲区，则数据超载位被置 位( 超载) ，当完整报文被正确接收时，将开始下列操作： ( 1 ) 接收缓存器状态位被置为高； ( 2 ) 若接收中断开放位被置为高( 开放) ，则接收中断被置为高( 置位) 。 s j a l 0 0 0 接收报文的中断处理流程如图3 3 和图3 4 所示。 接收报文中断 l 图3 - 3 正常报文接收中断处理流程图 1 4 华北电力大学硕士学位论文 接收报文数据超长中断流 i c a n 接收中断? 从接收缓冲区读新的消息并保存 释放接收缓冲区( 置命令位r r b = r e l e a s e ) 与应用有关的处理过程，如接收消息过程 接收缓冲区的状态 = e m p t y 7 数据超长中断? 与应用有关的处理过程，根据设定的“数 据超长”策略做出反应 清除数据超长( 置命令位c d 0 = c l e a r ) 图3 - 4 报文接收超长处理流程图 3 2 3s j a l 0 0 0 发送数据的实现 发送报文的处理是接收报文的一个逆过程。当s j a l 0 0 0 要发送报文时，先将预 发送报文写入发送缓存器中，再通过命令寄存器控制s j a l 0 0 0 发送逻辑单元进行发 送，它先检测总线是否空闲，如果此时空闲它将立即进行，否则它将等待一段随机 时间后再检测。在报文发送时，它还在不断地检测总线冲突，如果低优先级的 d e v i c e n e t 节点发现冲突它将自动退让，让优先级高的节点继续发送，等高优先级 的节点发送完毕后，它才有机会发送报文，而此时根据d e v i c e n e t 仲裁协议，高优 华北电力火学硕士学位论文 先级的节点根本不会检测到这个冲突，它将无损筏送。 s j a l 0 0 0 采用中断方式发送报文的流程如图3 - 5 所示。 主程序发送消息中断服务程序发送消息 准备开放c a n 发送中断 请求发送消息 发送缓冲区是否 释放? 写消息到 发送缓冲区 临时存储待发 送的消息 设置发送 请求位 设置“f l l r t h e , r m c g s a g e 标志位 图3 5s j a l 0 0 0 采用中断方式发送报文的流程图 3 3 总线网络通信的测试 3 3 1 测试环境 d e v i c e n e t 总线网络通信测试环境： 利用2 个d p 5 1 h 实验仪构成d e v i c e n e t 网络的两个节点，该实验仪采用了 p 8 7 c 5 2 x 2 微处理器和c a n 接口，2 个节点间通过c a n 接口利用通信电缆相连， 实现数据的发送和接收。两个节点互相发送数据，交换的数据每秒更新一次，并且 每个节点把接收的数据通过l e d 数码管显示出来。 本系统采用c 5 1 语言编写程序【1 3 】，c 5 1 语言和c 语言兼容，所以程序阅读性能 好。开发环境是k e i l 公司的k e i li t v i s i o n 2 ，编译效果好，代码生成率高。 3 3 2 软件实现 要实现d e v i c e n e t 总线节点互发数据，其软件实现应包括三大部分：接口驱动 1 6 华北电力大学硕士学位论文 程序的实现、接收数据模块和发送数据模块。c a n 接口驱动程序的实现前面已经做 了论述，下面仅给出接收数据模块和发送数据模块的程序实现流程图。 ( 1 ) 接收数据模块负责接收s j a l 0 0 0 缓冲区里的内容，并读到m c u 的存储区 中，等待处理。程序实现流程图如图3 - 6 所示。 图3 - 6 接收程序模块流程图 ( 2 ) 发送数据模块负责发送数据给s j a l 0 0 0 接收缓冲区，把m c u 存储区中的 数据发送到d e v i c e n e t 总线上，程序实现流程图如图3 7 所示。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 3 3 3 测试结果 图3 - 7 发送程序模块流程图 根据以上的软件实现，实现了两个节点互发数据。例如节点l 不断向节点2 发 送数据，且每秒更新一次，即数据值加】。节点2 会收到节点1 发送来的数据并通 过l e d 显示出来，且与节点l 保持一致。如果节点l 复位，则节点2 会收到数值0 ， 二者在单向上保持高度同步，但不会影响节点2 向节点1 发送的数据，节点l 收到 的数据正常变化，毫无干扰。如图3 - 8 所示，节点1 ( 下方节点) 向节点2 发送的 数据是“5 8 ”，通过节点2 的l e d 显示出来即为4 d p5 15 8 ”，其中“d p5 1 ”表 示这里采用的是d p 5 1 仿真实验仪，而“5 8 ”表示的是接收到的数据值。与此同时 节点2 向节点l 发送的数据是“5 0 ”，节点l 的l e d 显示结果即为“d p5 15 0 ”， 由此可见，它们是双向传输，互不影响。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 图3 8d e v i c e n e t 总线通信测试结果 1 9 华北电力大学硕士学位论文 第四章t c p i p 协议栈中数据的封装和分用 t c p i p 是一个开放式通信协议，开放性意味着不管这些设备的物理特性有多大 差异都可以进行通信。w e b 作为i n t e r n e t 的重要应用，其基础就是t c p i p 协议。所 以，嵌入式系统只有实