基于ARM的嵌入式网络接口控制器设计.doc

基于ARM的嵌入式网络接口控制器设计ARM开发与应用文章编号:1008-0570(2008)06-2-016303基于ARM的嵌入式网络接口控制器设计DesignofEmbededNetworkInterfaceControllerBasedonARM9lI_tlu头大学FMS实验室;2-汕头大学)姜韶军陈少克张杰JIANGShao-jMRCHENShao-keZHANGJie摘要:随着工业以太网技术的发展,以太网已经渗透到了控制系统网络的控制层和设备层,然而大量的工业现场设备尚不具备网络接口,主要通过串行口进行通讯,以至无法直接接到以太网.随着技术的发展,32位微处理器成为嵌入式市场应用的主流,本文选用32住微处理器s3c2410作为主芯片开发嵌入式接口控制器,实现串口数据和以太网数据之间的转换.在不改变原有设备的基础上,为其添加网络接口,从而实现传统串口设备接入以太网.关键词:ARM9;armlinux;口:以太网;嵌入式中图分类号:TP393.05文献标识码:AAbstract:WiththedevelopmentoftechnologyofIndustrialEthernet.EthernethaspenetratedcontrollayerandequipmentlayerofControlSystemNetwork.However,amassofindustrialequipmentshavenotyetpossessednetworkinterface,tlleymostlyadoptserialporttocommunicatewithotherequipments.Therefore,theydontdirectlyjoinupEthemet.W汕thedevelopmentoftechnology,32bitMPUhasbecomemainstreamofEmbededmarketapplication.Inmypaper.32bitMPUs3c2410iSchosetodevelopEmbededNetworkInterfaceController,whichrealizestheconversationbetweenserialdataandEthemetdata.Inthisway,equipmentsdontchange,andtheyhavenetworkinterface,accordingly,traditionalserial-interfacedequipmentsmayconnectwithEthernet.Keyword$ARM9;armlinux;Serial;Ethernet;Embeded1前言以太网作为目前应用最为广泛的局域网技术,在工业自动化和过程控制领域得到了越来越的应用.传统的控制系统在信息层大都采用以太网,而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他专用网络.目前,随着工业以太网技术的发展,以太网已经渗透到了控制层和设备层.基于以太网的控制网络最典型的应用形式是Ethernet+ICP/IP,它的底层是Ethernet,网络层和传输层采用国际公认的标准TCP/IP.然而大量的工业现场设备,如数控机床,机械手等设备,这些设备最常用的通讯方式为RS一232/485,422串行接口,不具备网络接口,以至无法直接接到以太网.随着半导体产业和集成电路技术的发展,以微控制器,微处理为硬件核心的嵌入式系统得到迅速发展,并在无线通讯,网络设备,工业控制等领域得到广泛应用.本文选用基于ARM9和armlinux开发嵌入式网络接口控制器,实现串行口数据与以太网数据的相互转换,通过这种方式,可以使传统串口设备成为具有网络接口的设备,直接接人工业以太网.2嵌入式网络接口控制器工作原理嵌入式网络接口器选用DM9000E芯片作以太网控制器,来完成与上级以太网的数据交换用32位微处理器s3c2410和嵌入式Linux进行协议实现和数据处理,然后将处理过的数据下传给底层设备终端;把从底层终端设备接收的数据进行数据处理和协议实现通过DMg00E传输到Internet上.工作原理如1所示姜韶军:硕士基金项目:广东省自然科学基金(04010981)3嵌入式网络接口控制器硬件平台嵌入式网络接口控制器硬件平台的整体连接框图如图2所示.本文选用基于ARM9内核ARM9TDMI的32位微处理器s3c2410作为主控芯片.$3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核,采用0.18um制造工艺的32位微控制器.该处理器拥有:独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache,MMU,支持Trr的LCD控制器,NAND闪存控制器,3路UART,4路DMA,4路带PWM的Timer,I/O口,RTC,8路10位ADC,TouchScreen接口,IICBUS接口,IISBUS接口,2个USB主机,1个USB设备,SD主机和MMC接口,2路SPI.$3C2410处理器最高可运行在203MHz.本系统的FLASH存储器选INTEL公司的28F128,SDRAM芯片选用两片HY57V561620构成32位的存储器系统.以太网控制器芯片选择DM9000,它是完全综合的,成本较低的单一快速,具有通用的处理器接口,10/100M自适应,以及4K双字节静态存取存储器.它被设计为低功耗,高处理性能,支持3.3V到5v的容差.DM9000提供一个MII接口来连接HP-NA设备或者其他支持MII接口的收发器,并支持8位,16位,32位的接口来适应不同的处理器对内部存储器的访问,它支持IEEE802.3u规格,还支持IEEE802.3x全双工流控制.在DM9000和RJ45接口之间需要用汉仁电子有限公司的网络隔离变压器HR601627来连接,网络隔离变压器起信号传输,阻抗匹配,波形修复,杂波抑制以及高电压隔离等作用,以保护系统的安全.圉自控局订阅号:82躺360元,年一163ARM开发与应用中文核心期刊微计算机信息>(嵌入式与SOC)2008年第24卷第6.2期图1嵌入式网络接口控制器工作原理图2嵌入式网络接口控制器硬件框4嵌入式操作系统的选择本系统的设计,网卡驱动和TCPflP协议的实现是重点,选择嵌入式Linu)【它已经嵌入了TCP/IP协议栈,使TCfvIP协议得以实现.嵌入式Linux系统支持多种类型的网卡如各种IOM/lOOM,IO00M的Ethemet网卡等.对于DM9000E以太网控制器,嵌入式Linux已经提供了很好的支持,移植过程中只需要修改源代码和配置相应模块即可实现对网络的支持.5以太网数据与串口数据转换实现本文开发的接口控制器主要完成两个功能,即将串口接收到的数据通过网卡发送至以太网,将网卡接收到的数据通过串口发送至另一串口端.工作模式上可以选择为服务器或客户端模式,数据传输协议可以选择为TCP(TransmissionControlProtoc0l,传输控制协议)方式或UDP(UserDagamProtocol,用户数据报协议)方式.其中TCP和UDP是以太网数据的两种传输协议,TCP是基于连接的协议,在正式收发数据前,必须和对方建立可靠的连接,而UDP是面向非连接的数据直接传输协议,不需要对方的回答确认.5.1应用程序的开发环境和网络编程由于嵌人式系统程序的开发和执行是在PC和ARM两个不同的平台上进行的,因此需要进行交叉编译和连接.用串口和以太网将宿主机和目标板连接起来,程序开发在RedHat9.0Linux操作系统下编辑,调试通过后,加入自己开发的程序重新编译armlinux内核,并将编译好的二进制文件固化到开发板的ROM中,使其开机后自动运行.TCPAP处理模块采用SOCKET套接字编程实现.SOCKET最早是在UNIX系统上为TCPAP网络通信而开发的一个接口程序,后来被成功移植到DOS,Windows等操作系统上.成为Intemet上网络开发最为通用的API函数.用于网络开发的SOCKET主要有StreamSockets(流格式)和DatagramSockets(数据报格式)两种类型,流格式Socket与TCP协议对应,数据报格式Socket与UDP协议对应.5.2软件设计本系统采用工作模式TCPServer服务器,等待客户端请求连接,实现数据传输功能.本程序的流程图如图3所示.首先,打开串口.在Linux下打开串口是通过标准的文件打开函数I打开串口ll为串行口设置属性lI控制输入,输出模式lI建立TcP套接字s.ckctI<初始化s瞄缸击和cknlad击fl绑定套接字bidnI<I监听连接li咖nf1Il建立连接I支<一.1处理教据l土,墨Ivl关闭套接字.l0sc()ll关闭口d.0l图3功能实现流程图接收来自以太网的数据包依次解包为数据链路帧(802.3)IP数据帧,TCP数据帧,再解包得到原始数据+将数据放到缓冲区butt】串口处理函数将数据写入串口图4以太网数据通过串口发送串口处理函数将读取串口数据将数据放到缓冲区sbu上DI瞽缓冲区的原始交据依次打包成TCP数据帧【P数据帧,链路帧K舳2.3)I哿打包好的协议帧发送至以太网图5串口数据通过网卡发送操作,程序代码如下:intfd;fd=open(/d”ev/ttySO.0ROAR):“if(fd一1)perror():)提示错误!一164360元,年邮局订阅号:82.946ARM开发与应用然后设置串口的波特率,校验位和停止位.要用网卡接收发送数据,就要首先创建套接字,程序代码如下:intsockfd:sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)if(sockfd一1)perror(socket:exit(1):然后设置属性,然后等待客户端的连接,一旦建立连接,就可以实现数据的接收和传送.数据处理在整个程序中是十分关键的一环,该环节中实现的是在网络数据和串口数据之间的相互交换,根据实际需要也可以将网络数据转换成并行数据或者其他类型接口的数据;这里网络和串口数据交互处理分成两部分,一部份是网络数据转变成串口数据,另一部份是串口数据发送到网络上,其流程图如图4,5所示.为了充分利用系统资源,在数据处理程序中调用select0函数.Select函数原型为:intselect(intnumfds,fdset*readfds,fd_set*writeset,fd_set*exceptset,conststrncttimevaltimeout);返回:准备好的文件描述符个数(可以是01,一1表示出错.6结束语本文作者创新点:本文采用性价比高的32位微处理器s3c2410作为主控芯片,移植了源代码开放的Linux,它易于实现了TCPAP处理模块,这样大大缩短了产品开发周期,并有利于提高了串口数据和以太网数据的转换速率,提高数据传输的实时性,使传统串口设备方便接入以太网,为以太网在控制层和设备层的应用奠定了基础.目前,嵌入式网络接口控制器在数控加工中心上已经得到应用.在基于工业以太网E【hemet+TcP,IP实施网络制造中,由于数控加工中心只具备RS一232串口接口,以至不能接人以太网中,为了能充分利用这些数控加工中心,采用本文开发的嵌入式接口控制器可以非常方便地将数控加工中心接人以太网中,实现网络制造.首先,在vc+开发环境下,利用Winsock开发数控程序的传输软件,然后通过嵌入式网络接口控制器把数控加工中心接入局域网集线器,设定嵌入式接口控制器的IP地址为192.1683.2.222,监听端口为6555,在传输软件上,选择客户端,设定连接服务器名称和端口号,按连接按钮,则与嵌入式网络接口控制器建立连接,可以发送数控程序,传输界面如图6所示.通过这种方式,可以实现局域网络上任意一台计算机都可以通过嵌入式接口控制器给数控加工中心传输数控程序,也可以把所有串口设备接入局域网实现远程控制,使信息集成更加便利,为更好得实现网络制造和远程控制.咐00一j:.一图6数控程序传输软件界面参考文献1】邹思铁嵌入式Linux设计与应用.北京:清华大学出版社,2O02.【2】马维华嵌入式系统原理及应用.北京:北京邮电大学出版社,20o6.【3石工作室LINUX上的c编程北京:中国电力出版社,2000.4黄志强等.嵌入式家庭远程监控系统设计.微计算机信息,20o5.3:9192作者简介:姜韶军(1982一),男,硕士,河北邯郸人,主要研究方向为嵌入式系统和FMS控制网络;陈少克(1956-),男,广东揭阳人,汕头大学机械电子工程系副教授,主要从事机械设计,机电控制等方面的研究工作;张杰(1963_),男,安徽芜湖人,汕头大学计算机副教授,主从事嵌入式技术,网络图形等方面的应用研究工作.Biography,JIANGShao-jun,male,master,HandanofHebeiprovince,researchinterests:EmbededSystemandFMSControlNetwork.I515063广东汕头汕头大学FMS实验室)I515063广东汕头汕头大学计算机系)通讯地址:(515063广东汕头大学工学院05级机械电子工程系研究生)姜韶军(收稿日期:2008.4.05)(修稿13期:2008.5.20)止接第126页)本文作者创新点:本文借助计算机技术,数控技术,电子技术,接口技术,单片机控制技术设计开发了一个步进电机开环控制系统.控制器采用单片机作为主体,与PC机构成上下位机控制结构.该控制器可以输出频率可调的方波信号,可以满足步进电机运行的频率范围.系统无论是在硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法.这使得系统扩展起来比较方便,系统可移植性高.增加了系统的灵活性和可靠性,具有广泛的适应性.项目经济效益(60万元)参考文献【1】张旭辉.管道对接焊缝自动超声检测系统的研制【D】.西安:西安科技大学机械工程系.2002【2】高军礼,卢卓权.步进电机一体化控制系统的设计J.微计算机信息,2007,4一h6970作者简介:李存志(1971.12一),男(汉族),河南省舞阳县人,河南经