（通信与信息系统专业论文）基于ipv6的网络化仪表的研究与设计.pdf

摘要 随着以太网技术的飞速发展 新一代的互联网络i p v 6 的产生及其广阔的发展前景 通过以太网对各种设备进行远程监控的应用将越来越广泛 因此如何实现嵌入式设备 的i p v 6 的接入已成为当前研究i p v 6 应用中的一个热点 本课题以智能流量仪表为研究背景 研究的主要内容是网络化仪表中的i p v 6 网络 接入技术 实现智能仪表的网络化 并在此目标的基础上设计了一种基于i p v 6 的网络 化仪表的监控系统 系统由网络控制器和监控管理软件两部分组成 网络控制器主要完成网络化仪表 i p v 6 网络的接入功能 与智能流量仪表测量部分构成一个能接入i p v 6 网络的网络化智 能流量仪表 网络控制器硬件平台采用了a r m 7 t d m i 核的微处理器作为系统的控制 器 在该平台上自行开发了适合于网络化仪表及嵌入式设备的i p v 6 协议栈 并实现了 w e b 服务器 监控管理软件采用高级语言v c 编程 实现数据采集 交换 处理 查询 报表打印和设备控制等功能 论文涉及计算机应用 a r m 微控制器和i p v 6 协议等多项技术 本论文的创新之 处和关键问题在于 在普通微控器上实现了嵌入式i n t e r n e t 和i p v 6 技术 编写了具有 移植性的i p v 6 协议栈和设计了一套嵌入式i n t e m e t 专用接入协议 开发了具有嵌入式 w e b 服务器及a p i 接口函数功能的网络控制器 实现了仪表的网络化和1 p v 6 接入功能 本论文对嵌入式设备的i p v 6 接入技术研究和远程监控方面有一定的参考价值 本课题中用华为的q u i d w a y a r 2 8 3 l 路由器构建了一个i p v 6 实验网络 网络化仪 表在该网络上通过了调试并正常运行 关键词 i p v 6 网络化仪表 嵌入式w 曲 远程监控 a b st r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fe t h e m e tt e c h n o l o g y t h ee m e r g e n c ea n db r o a d d e v e l o p m e n tp r o s p e c to ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k l p v 6 t h ea p p l i c a t i o no fr e m o t e m o n i t o r i n gf o rv a r i o u si n s t r u m e n t st h r o u g hi n t e r n e tb e c o m e s m o r ea n dm o r ep o p u l a r s oi t i sah o t s p o to f h o wt oi m p l e m e n tc o n n e c t i n gt oi p v 6n e t w o r ki ne m b e d d e di n s t r u m e n t s w i t ht h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fi n t e l l i g e n tf l u xi n s t r u m e n t t h i s p a p e rm a i n l y i n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fc o n n e c t i o nt oi p v 6n e t w o r ki ne m b e d d e di n s t r u m e n t st o i m p l e m e n tt h en e t w o r kf u n c t i o no fi n t e l l i g e n ti n s m n n e n t a n do nt h eb a s i so f t h eg o a la b o v e a m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do i 1 p v 6n e t w o r ki n s t r u m e n ii sd e s i g n e d 1 1 1 es y s t e mc o n s i s t so fn e t w o r kc o n t r o l l e ra n dm o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts o f t w a r e t h e n e t w o r kc o n t r o l l e rc o m b i n e sw i t ht h ei n t e l l i g e n tf l u xi n s t r u m e n tt om a k eu po ft h en e t w o r k i n s t r u m e n tb a s e do ni p v 6a n di t sm a i nf u n c t i o ni st ow o r ka st h ei n t e r f a c eo f i p v 6o ft h e n e t w o r ki n s t r u m e n t i nt h eh a r d w a r ed e s i g n t h em i c r o p r o c e s s o ra p p l y i n ga r m 7 t d m i c o r ea si t sc p ui su s e da n dak i n do fi p v 6p r o t o c 0 1 w h i c hi ss u i t a b l et ob e u s e di nn e t w o r k i n s t r u m e n ta n de m b e d d e de q u i p m e n t i si m p l e m e n t e da sw e l la s e b s e r v e r 1 1 1 e m o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts o f t w a r e w h i c ha d o p t sa d v a n c e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fv c p e r f o r m st h ef u n c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n e x c h a n g e d i s p o s a l q u e r ya n dr e p o r tp r i n t i n ga n d s oo n t h cp a p e ri n v o l v e sm u l t i p l et e c h n i q u e so fc o m p u t e ra p p l i c a t i o n a r mm c u i p v 6 p r o t o c o la n ds oo n t h ei n n o v a t i o na n dk e yp r o b l e mo ft h i st h e s i si s t o i m p l e m e n t e m b e d d e di n t e m e t 伍i a n di p v 6i nn o r n l a lc p u ak i n do ft r a n s p l a n t e di p v 6p r o t o c o la n d as e to fe m b e d d e di n t e r n e tp r i v a t ei n t e r f a c ep r o t o c o l sa r ed e s i g n e d o nt h eb a s ea b o v ea n e t w o r kc o n t r o l l e r w h i c hh a st h ef u n c t i o no fe m b e d d e dw e bs e r v e ra n da p ii n t e r f a c ei s d e v e l o p e dt or e a l i z en e t w o r ki n s t r u m e n ta n di p v 6c o n n e c t i n gf u n c t i o n o v e ra l lt h ep a p e r h a sr e f e r e n c e dv a l u et or e s e a r c ho ni p v 6t e c h n i q u eu s e di nn e t w o r ki n s t r u m e n t e m b e d d e d e q u i p m e n ta n d r e m o t em o n i t o r i n g i nt h i sp a p e ra ni p v 6e x p e r i m e n t a ln e t w o r kc o n s i s t i n go f r o u t e r so f h u aw 西 sq u i d w a y a r 2 8 3 1i sc o n s t r u c t e d n e t w o r ki n s t r m e n th a sb e e nd e b u g g e da n dp e r f o m e dw e l l0 1 1t h i s e x p e r i m e n t a ln e t w o r k k e y w o r d i p v 6 n e t w o r ki n s t r u m e n t e m b e d d e dw e b r e m o t em o n i t o r i n g 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个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过的研究成果 与我一同工作的同事 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 如不实 本人负全部责任 论文作者 签名 丝洼t 鹚 年如刁日 l 学位论文使用授权说明 河海大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被 查阅和借阅 论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权河海大学研究 生院办理 论文作者 签名 亟逸互 硎年岁月2 7 日 河海太学硕士论立壮于i p v 6 的网络化仪表的研 宄与设计 第一章绪论 1 1 基于i p v 6 的网络化仪表的研究背景 网络化仪表是个全新的概念 它将传统或智能化的仪表功能扩展到网络上 由传 统或智能化仪表加上网络接入功能构成 它是适合在远程测控中使用的仪表 是嵌入 式技术 仪表测控技术 网络通信技术 现代计算机技术 电予技术深度融合的结果 测控仪表接入i n t e m e t r i n t r a n e t i 成为h l t e r n e l j i n t r a n e t 中的独立1 点 使之成为执行 测量与控制任务的w e b 站点 仪衰的网络化是基于以太网方式州 该方式采用t c w i p 协议 j 系统组网容易 传输速率高 不受地理和空间的限制 只要i n t e r n c t 和i n t r a n e l 可连接到的地方 均可 通过浏览器实时地监控设备的运行状态 改变了传统监控系统的封闭局面 同时随着 i n t e m e t 技术的迅速发展 h l t e m e t 已经渗透于教育 商q k 生产 j 二业等领域部门 对社会的发展起着重要的作用 因此网络化仪表是仪表远程监控中应用的热科 目前接入i n l e r n e t 主要都基于t o p i i p 协议 i p 协议版本为i p v 4 已经有相当数量 的基于 p v 4 的嵌入式网络设备投入市场 但随着移动和宽带技术的发展 p 地址的需 求还将更大 大量终端如传感器 仪表等i p 的接入需要更多的i p 地址 面对下一代 网络对口地址的巨大需求 i p v 4 显然无法满足 除了i p 地址 i p v 4 还存在着路由表 庞大 q o s 和移动等一系列闫题 为解决地址空间以及其它一些i p v 4 中的疑难问题 产牛了 p v 6 协议 i p v 6 所解决的最重要问题就是增加l p 地址的需要 i p v 6 充裕的 1 2 8 位 地址空间为支持因特网的预期增长与发展需要提供了足够数量的全球唯一 地址 同时i i 6 提高路由选择与数据包处理的效率 具有即插即用 自动配置和地址 重新编号功能 支持嵌入式i p s e c 以及避免网络地址转换m a t 的需要等优点例 因此i p v 6 协议将是以太网技术未来的发展方向 基于i p v 6 的嵌入式接入方式将是网 络化仪表的未来发展趋势 1 2 基于i p v 6 的网络化仪表技术的研究现状 基于i p v 6 的网络化仪表主要涉及两种技术 分别为嵌入式i n t e r n e t 技术和i p v 6 技 术 近年内 国内外从事这两种技术的研究开发人员和公司很多 参与研究的公司规 模大小差异也很大 f 面就国内外的一些情况作简要介绍 1 嵌入式i n t e r n e 技术 东北大学的东大新业公司以嵌入式i n t e m e t 技术为核心 其项目 因特网非标电器 接入服务器一w 曲矽 嵌入式i n t e m e t 网络访问终端 w e b i t 其中自主开发的 w e b i t 系列产品为目前世界上体积晟小 成本最低 独立的w e bs e r v e r 中科院自动化所副所长于海斌教授 新一代分布式网络自组织传感器刚络系统研 究及应用 得到国家支持 究及应用 得到国家支持 河海大学硕上论文基于l p v 6 的网络化仪表的研究与设计 法国施耐德公司就e t h e m e t 应用于信息管理层 监控层 现场设备层 用商用领 域成熟的互联网技术嵌入式w e b 的 透明工厂 u o l o r a b b i t 公司代表产品为e m b e d d e di n t e r n e tt c p i p g 开发包 1 它包含一个r a b b i t 2 0 0 08 位的处理器 语言的编译工具 实时d e b u g 工具 以太网接口等模块 它 提供全部的t c p i p 源代码 演示程序可以实现h t t p s m t p 等功能 捷克h w s e r v e r 公司的主要产品为w e b 5 1 系统 l2 j 采用8 位5 1 单片机实现互联网 接入功能 已经可以提供商用互联网接入设备 t c p i p 协议集及d e s i g nk i t z i l o g 公司的代表产品为e z 8 0 1 3 e z 8 0 是一个针对嵌入式互联网产品和应用设计 的8 位处理器 e z s o 寻址能力达到1 6 m b e z 8 0 内部包含和d s p 芯片中一样的1 6 位m a c m u l t i a s sc o m p u t e r 可以进行数字信号处理 执行加密算法 e z 8 0 中 包含7 种网络协议 其中有t c p i p 和h t t p 协议 本实验室从事嵌入式i n t e r n e t 研究 在单片机上实现嵌入式协议栈 在此基础上 开发的图书馆闸机控制系统在安徽 湖南等高校投入使用 运作良好 2 i p v 6 技术 美国m a x i m 公司的代表产品为d s 8 0 c 4 0 0 微控制器 d s 8 0 c 4 0 0 是目前集成度最 高的8 0 5 1 器件 l 叭 为便于访问网络 在r o m 中提供了一个完整的 可被应用访 问的t c pi p v 4 6 网络栈和o s 网栈支持最多3 2 个并发的t c p 连接 并且能够通 过以太网m a c 提供高达5 m b p s 的吞吐率 考虑嵌入式器件资源有限 没有实现 包括安全 移动i p 和路由的所有i p v 6 功能 日本富士通微电子公司的代表产品为i v l b 9 1 4 0 x 1 1 5 1o 它是一款3 2 位m c u 系列产品 具有全面的网络安全性能 板上r o m 和r a m 支持下一代互联网协议i p v 6 其 中的每一款都有作为微控器必备的基本功能 这些新的m c u 可独立工作或与现有 设计配合工作 r a d i s y s 公司的代表产品为m i c r o w a r eo s 一9 t 1 6 1 m i c r o w a r eo s 一9 不只是一个操作系 统 它还包括开发工具 软件组件 o s 核心 网络连接 图形处理和电源管理等 特性 并提供o s 9 附加软件用于实现更多网络连接和功能 该产品支持i p v 6 和 i p v 4 数据流 它还包括一个模块化的i p v 6 i p v 4 双网络协议栈 基于n e t b s d v 1 5 1 具有s o c k e t s b a s e d a p i 和t c p u d w i p 功能 m i c r o w a r eo s 一9 可用于多 种处理器 m o n t a v i s t a 公司的代表产品为l i n u x 专业版4 0 l 它是第一个也是唯一 个将开 源社区最新实时性技术融入其中的商业嵌入式l i n u x 操作系统 它的功能包括商 用级l i n u x l i n u x2 6 1 0 内核 g c c3 4 3 n a t i v ep o s i xt h r e a dl i b r a r y n p t l 基于x o r g 的高级图形功能 i p v 6 m i p v 6 i p s e c 和v l a n u s b2 0 主机 设备 高级i o 支持 高级处理支持 m o n t a v i s t a 高级实时支持 可移植到多种处理器中 微软公司的代表产品为w i n d o w s c e n e t 4 2 l 它不仅是一个功能强劲的实时嵌 入式操作系统 而且提供了众多强大工具 允许用户利用它快速开发出下一代的 2 海火学坝l 论文肇十i p v 6 的刚络化仪表的f i f 究 j 设汁 智能化小体积连接设备 w i n d o w sc e n e t 已经包括了i p v 6 版本的网络组件 实 现i p v 6 的接入 例如i n t e r n e te x p l o r e r6 和w i n d o w sm e d i a 基于i p v 6 的互联网技术发展迅速 i e t f 于1 9 9 6 年就建立了全球范围的试验床 6 b o n e 我国第一个下一代互联网暨中国下一代互联网示范工程核心网 c e r n e t 2 于2 0 0 4 年1 2 月1 5 日正式开通 这是世界上规模最大的纯i p v 6 互联网 基于i p v 6 的硬件产品主要都是网络设备 如3 c o m c i s c o 等研制开发出的支持i p v 6 的路由器 交换机等初期产品 这些产品已投入试验床或商业实验网应用 但终 端产品的研发生产还比较少 1 3 本课题研究的意义 本课题以对智能流量仪表的监控为应用背景 深入研究网络化仪表中的i p v 6 网络 接入问题 实现智能流量仪表的网络化 用于远程监测等 在此基础上 开发了具有 一定参考价值的基于i p v 6 的网络化仪表监控系统 基于口v 6 的网络化仪表的研究有着广泛的意义 f 1 通过网络 用户可以真正做到远程检测和控制仪表 2 1 通过网络 一个用户能远程监控多个过程 多个用户也能同时对同一个过程 进行监控 f 3 1 通过网络 管理部门对仪表工作状态进行实时监视 对运作过程进行及时的 调度和管理 平衡运作数据量 保证生产质量 保证系统内部正常 快速 可靠的信 息获取和传输 具有良好的社会和经济效益 4 仪表作为独立的网路节点 免除昂贵p c 机作为代理 降低消费成本 更加适 合实际需求 5 采用i p v 6 协议 符合网络发展方向 具有较好的应用前景 1 4 课题研究的主要内容 课题以智能流量计的监控为应用背景 围绕基于i p v 6 的网络化仪表中的网络接入 设计展开 主要研究以下几方面的内容 1 4 1i p v 6 协议的研究及其在网络化仪表中的应用 主要研究i p v 6 的基本概念 特点以及各功能协议架构 分析i p v 6 协议簇的实现 原理 包括网络初始化 接口层的实现 i p 层的输入输出 i c m p v 6 的实现 基于i p v 6 的t c p 和u d p 两个传输层的协议实现等 最后对i p v 6 协议嵌入式设备 网络化仪 表的实际应用中协泌功能裁减眇2 1 及实现的分析研究 1 4 2 网络化仪表的嵌入式网络控制器的开发 嵌入式网络控制器为网络化仪表i p v 6 接入组成部分 开发主要包括构建嵌入式网 络控制器硬件平台 使用基于a r m 7 核的微控器作为系统的c p u 研究a r m 微处理 一 一 河海人学顿 二论文 接于i p v 6 的划络化仪表的研究与设计 器的工作原理和控制方法 并且根据嵌入式设备的特点和协议子集简化的思想 设计 了一套嵌入式i n t e m e t 专用接入协议 在系统中实现了w e bs e r v c i l 2 功能 向i n t e m e t 或内部网提供基于w e b 访问的图形化管理接口 用户只需使用浏览器 在提供网络的 环境中即能访问网络控制器 避免了使用专用的管理软件 提高了设备的易用性 从 而方便地进行了统一管理 2 m 1 4 3 监控管理软件的设计 监控软件有以下两种方式 1 嵌入式w e b 服务器方式 嵌入式网络控制器具有w e bs e r v e r 功能 在具有i n t e m e t 接入的场合 用户只需 使用测览器即可对设备内部网页进行访问 动态监控各仪表的工作状态 2 基于高级语言编程方式 使用v c 卜 2 3 之51 高级语言丌发监控管理软件 在监控中心计算机上安装该软件 对数据进行采集 处理 保存 查询和报表生成 同时为第三方程序提供接口 该软 件为监控提供较大的数据处理能力和完善的管理 方便资源共享 1 4 4i p v 6 网络的构建 研究基于i p v 6 的以太网组成原理和方法 搭建测试网络 为整个系统的运行提供 网络平台 1 5 论文的组织 本文内容共分为九章 第一章是绪论 简要介绍了基于i p v 6 的网络化仪表的背景 及意义和概述本课题研究的主要内容 第二章分析了基于i p v 6 的网络化仪表及其监控 管理系统的总体殴计方案 第三章是关于网络化仪表的网络控制器硬件平台的构建和 以太网控制器驱动的实现 第四章分析了网络化仪表的i p v 6 接入技术的实现方案 对 其进行深入研究并给出实现方法 第五章研究了网络化仪表的u d p 和t c p 接口 并 给出了u d p 和t c p 的实现方法 第六章关于网络化仪表i n t e m e t 通信模块的设计 重 点给出了基于w e b 和u d p 两种通信的设计和实现方法 第七章是系统的网络测试部 分 第八章监控管理软件的设计 最后是结论和展望 河海人学坝 j 论文堆十l p 的嘲络化仪表的研究与设计 第二章基于i p v 6 的网络化仪表的总体设计 本课题以智能流量仪表为研究的背景 研究的主要内容是网络化仪表中的i p v 6 网 络接入问题 实现智能流量仪表的网络化 并在此基础上 开发了具有一定参考价值 的基于i p v 6 的网络化仪表监控系统 经过充分调研后 基于i p v 6 的网络化仪表监控 系统能提高仪表监测的自动化程度 同时符合仪表网络化和网络技术发展的趋势 具 有广阔的应用前景 2 1 系统设计分析 本系统以智能流量计为背景 需要实现总体功能目标如下 1 完成对流量计的压 力等计量 2 完成对各监测点的流量压力监视 3 完成对监测数据的记录 处理 管理 和分析 本系统制定的功能目标如下 1 提供基于i p v 6 的e t h e r n e t 网络接口 系统中的网络化仪表具有基于i p v 6 的e t h e m e t 网络接口功能 该功能由仪表组成 部分中的网络控制器完成 实现外部接入网与系统内部网互联 外部网接入可为局域 网 也可以是因特网 外部网的用户通过此网络接口访问内部网各流量的工作状态等 信息或进行远程控制 同时网络控制器内嵌高层应用协议 用于为监控系统应用开发 中提供相应的a p i 接口 与上位机软件实现交互 2 系统具有较好的数据处理能力和管理功能 系统具有较好的数据处理能力 能对流量计进行监测 包括压力 温度 瞬时流 量等 能根据用户需要方便地生成报表和历史曲线 系统具有较好的管理功能 可建 立 增加和删除监控对象及管理操作人员 控制监控对象时操作人员需要输入登陆密 码 只有通过认证的合法人员才能登陆系统进行操作 3 系统具备可拓展性 系统的软件和硬件设计使用模块化结构 具有较大的灵活性和可拓展性 以适应 将来监控网络容量的扩充或监控对象的改变 也便于以后系统的升级 4 系统具备w e b 服务器的功能 系统中的网络控制器具有w e bs e r v e r 用户通过浏览器即可访问监控对象的工作 状态等信息 提高了系统的易用性 2 2 系统的总体结构设计 根据以上的系统需求分析和功能设计 本课题将订算机技术 通信技术和网络技 术融为一体 构建了一个基于i p v 6 网络化的 模块化的仪表监控系统 在进行系统总 体设计时结合考虑到系统的可实现性 可靠性以及系统的可操作性 可拓展性和性价 比 一5 一 河海人学硕二l 论文皋ti p v 6 的刚络化仪表的研究与驶计 本系统的总体设计结构图如图2 1 所示 图2 1 基于i p v 6 的嵌入式仪表监控系统总体设计结构图 下面将从嵌入式网络控制器 w e b 服务器功能的实现和监控管理软件三个方面来 描述基于i p v 6 的网络化仪表监控系统的总体结构设计过程 1 嵌入式网络控制器 嵌入式网络控制器和智能化流量计共同组成网络化仪表 即该控制器为网络化仪 表的i p v 6 接口 完成仪表i p v 6 接入功能 各流量计通过串口将采集的数据传输到控 制器 外部网络通过控制器的以太网接口与控制器通信 从而达到对仪表监控的目的 控制器里自行编写了i p v 6 协议栈 它是实现控制器的i p v 6 网络访问功能的核心部分 因此i p v 6 协议的研究和设计实现是控制器实现的重点 各控制器与交换机相连接 再 连接到具有i p v 6 功能的路由器构成不同的子网 2 w e b 服务器功能的实现 w e b 服务器功能是在嵌入式网络控制器里实现w e bs e r v e r 来实现的 w e bs e r v e r 的实现以i p v 6 协议和t c p i p 协议栈的实现为基础 连接在以太网的客户机通过浏览 器对监控设备进行状态访问和工作设置 3 监控管理软件 主要完成数据采集 数据交换 数据处理 数据查询及显示 报表生成和维护管 理员操作等功能 同时向第三方程序提供接口 可根据需求进行软件升级等功能 方 便资源管理 最终生成运行稳定可靠的应用系统 在下面章节中 将i 訇绕这一总体设计 分别详细讨论各功能模块的设计与实现过 程 本章小结 本章对基于i p v 6 的网络化仪表监控系统的设计进行了详细分析 介绍了系统的总 体结构设计 河海大学倾 t 论文 皋ri p v 6 的州络化仪表的研究4 设计 第三章网络化仪表的嵌入式网络控制器硬件设计 3 1 硬件系统结构 一个嵌入式i n t e m e t 系统结构至少由三部分组成 以太网物理层接口单元 t c p i p 协议栈和中央处理单元 其结构如图3 1 所示 图3 1 嵌入式i n t e m e t 结构图 根据课题的实际功能需求 设计了网络化仪表的网络控制器硬件平台 其硬件结 构图如图3 2 所示 原理图见附录a b 硬件实物图见附录c 图3 2 嵌入式网络控制器硬件结构图 网络控制器的硬件主要e b 微控制器 以太网物理层接口 外部存储单元和接口单 元 r s 2 3 2 r s 4 8 5 等儿部分组成 3 2 中央控制单元 网络控制器系统的中央处理单元的微控制器选用三星公司生产的1 6 3 2 嵌入式处 理芯片 3 c 4 5 1 0 b 2 6 它内置了a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i 处理器 可以执 行3 2 位的a r m 指令 也可执行1 6 位的t h u m b 指令 支持s d r a m d r a m s r a m f l a s h 等 因此可以外接大容量的存储芯片 能够满足大程序和数据量比较大的存储要 洲海人学碗l 论文基于i p v 6 的网络化仪表的研究与设计 求 2 7 2 9 1 同时该微控制器是专为以太网通信系统的集线器和路由器而设计 网络控制 器集成到芯片里面 具有低成本 小体积和高性能的特点 考虑此款芯片功能强大 现今价格较低 因此本设计中选用该 芯片 也可以选用同类性质的芯片进行开发 如 l h 7 9 5 2 4 l h 7 9 5 2 5 和s 3 c 2 5 1 0 等 其功能架构与s 3 c 4 5 1 0 相似 开发过程与本设计类 似 可作为参考 微控器一方面处理与i n t e m e t 的连接 一方面要完成对系统的各处 理模块的控制 3 c 4 5 1 0 内部结构框图如图3 3 所示 r 一6 组 位r m 7 l d l j 竺竺竺 一s r r o a m m 3 2 位系统总线 c p u 接口 l 带刷新建钿的l一一l 4 组 t 8 k b v t l 1 存储控制器l 包括中 l 壅三蕉圣l 一裟案 断源 面 r l 外部总线 定时器 7 总线路 hh 叫鬻i l控制 溢 b 外部 d m a 请 求及到 1 2 c 接口k l 十目 8h h 叫嚣溢慧 叫远程端1 2 1 a b t 一1 8 个通用i o 口h 巷 刨台 一 hu a r t0 lk 一咀太网控制器 3 2 位定时n 0 1 卜 j i a u 叶 日口i a p 晶振h叫 p l l 柠 l 图3 3 3 c 4 5 1 0 内部结构框图 3 3 存储器接口单元 微控器具有8 k 的r a m 缓存 提供s d r a m d r a m s r a m 和f l a s h 的接口与 外部存储器件相连以构成存储系统 因此微控器需外接存储器来实现存储功能 接口 单元模块包括f l a s h 存储器接口和s d r a m 存储器接口模块 其具体电路原理图见附 录b 1 f l a s h 存储器接口模块 f l a s h 在系统中用于存放程序代码 常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户 数据等 2 9 1 本设计中使用一片s s t 3 9 v f l 6 0 构建1 6 位的f l a s h 系统 该f l a s h 单片存 储容量为2 m 字节 其系统电路示意图如图3 4 所示 w 海人学砸i 论文 基fi p v 6 的嘲络化仪表的 i f 究1 j 世计 a 1 9 0 d b 5 0 c e 群 o e 群r e s e t 弹 w e 拌 图3 4f l a s h 存储器接口电路示意图 其中 部分引脚定义和具体连接如下 1 3 c 4 5 1 0 的n r c s 0 p i n 2 3 与s s t 3 9 v f l 6 0 的c e p i n 2 6 连接 使存储器配置到 r o m s r a m f l a s hb a n k0 工作 选择此位置后 在地址影射配置文件中要对相应的寄存 器初始f l a s h 的工作地址 即m e m w r i t e0 x 3 f f 3 0 1 4 0 x 0 1 0 0 0 0 6 0 其中0 x 3 f f 3 0 1 4 为 r o m c o n o 的地址 0 x 0 1 0 0 0 0 6 0 配置r o m 的初始地址从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始 2 o e g p i n 2 8 连接到 3 c 4 5 1 0 的n 0 e p i n 7 2 w e g p i n1 1 连接到 3 c 4 5 t 0 的 n w b e o p i n l 0 0 这两个引脚主要是控制f l a s h 的读写操作 2 s d r a m 存储器接口模块 s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间 数据和堆栈区 当系统启动时 c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码 在完成系统的初始化后 程序代码一般调入 s d r a m 中运行 以提高系统的运行速度 系统及用户堆栈 运行数据也都放在s d r a m 中f 3 0 1 本系统设计使用两片1 6 m 字节的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 构建3 2 位的s d r a m 存储器系 统 其中一片为高1 6 位 另一片为低1 6 位 将两片作为一个整体配置到d r a m s d r a m b a n k 0 其接口电路如图3 5 所示 地址线 1 4 低1 6 位数据线 u 1 0 1l 彳1 6 d t 5 0 a 1 3 0 l d q m c s u 删 r a s c k e c a s c l k w e 地址线 1 4 高1 6 位数据线 u 1 0 2 i 爿1 6 图3 5s d r a m 存储器接口电路图 1 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的 c s p i n l 9 与 3 c 4 5 1 0 的n s d c s 0 p i n 8 9 相连 2 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的c l k p i n 3 8 与 3 c 4 5 1 0 的s d c l k p i n 7 7 相连 一9 一 姒嬲蓦吾 州海人学硕二 论文米十i p v 6 的网络化仪表的研究与砹计 主要是提供s d r a m 的刷新时钟 3 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的c k e p i n 3 7 与 3 c 4 5 1 0 的c k e p i n 9 7 4 两片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的的 r a s c a s w e 分别和 3 c 4 5 1 0 的n s d r a s p i n9 5 n s d c a s p i n 9 6 n d w e p i n 9 9 相连 这三个引脚主要控制s d r a m 的行 列和写 操作 5 高1 6 位片的d q l 5 d q 0 和8 3 c 4 5 1 0 b 的数据总线盼高1 6 位x d a t a 3 1 x d a t a l 6 相连 低1 6 位片的d q l 5 d q 0 和9 3 c 4 5 1 0 b 的数据总线的低1 6 位x d a t a l 5 x d a t a o 相连 6 高1 6 位片的u d q m l d q m 分别接 3 c 4 5 1 0 b 的n w e b 3 p i n l 0 7 n w e b 2 p i n l 0 2 低1 6 位片的u d q m l d q m 分别按 3 c 4 5 1 0 b 的n w e b l p i n l 0 1 n w e b 0 p i n l o o 这两个引脚主要是对s d r a m 的读写保护 3 4 网络接口单元 3 4 1 以太网通信接口硬件构成 硬件的构成上 以太网接口单元主要由以太网控制器 m a c 和物理层接口 p h y s i c a ll a y e r p h y 两大部分构成 1 以太网控制器 m a c 3 c 4 5 1 0 内嵌一个以太网控制器 在半双工模式下支持c s m a c d 协议 在全双 工模式下支持i e e e 8 0 2 3m a c 控制层协议 2 6 1 该以太网控制器的功能模块如表3 1 2 6 1 所示 表3 1 以太网控制器功能模块图 功能模块描述 媒体独立接m i i 为物理层和发送 接收模块之间的接口 口 m i i 发送模块将要发送的数据从发送缓冲区移到m i i 发送模块包括c r c 生成电 路 奇偶校验电路和前导与后缀生成电路 发送模块同时还包含用于 处理冲突后的回退和数据帧问问隔的定时器 接收模块从m i i 接收数据并存入接收f i f o 接收模块完成逻辑功能 计算与 校验c r c 值 对从m i 接收的数据进行奇偶生成和检测最大与最小 数据包长度 接收模块同时还包含一个匹配地址存储器 c a m 模 块 用于存储网络目的地址 根据该目的地址决定接收或丢弃数据包 流控模块辨别m a c 控制包 并支持用于全双工连接的暂停操作 流控模块同 时支持生成暂停控制包 并提供用于暂停控制的定时器和计数器 m a c 控制控制可编程选项 包括禁止或使能当某条件发生时通知系统的各种信 命令 与状号 状态寄存器保持各种用于错误处理的状态信息 以及用于网络管 态寄存器理的错误计数器累加统计信息等 回环电路提供独立于m i i 和物理层的m a c 层测试 2 以太网物理层接口 p h y 以太网物理层接口器件主要功能一般包括 物理编码子层 物理媒体附件 双绞 河海大学硕士论文 基于i p v 6 的网络化仪表的研究与设计 线物理媒体子层 1 0 b a s e t x 编码 解码器和双绞线媒体访问单元等 因为 3 c 4 5 1 0 没有提供物理层接口 因此 需要外接一片p h y 提供接入通道 本系统选用r t l8 2 0 1 作为物理层接口芯片 它提供m i i 接口和1 0 m 1 0 0 m 自适应的网络传输 可方便与 3 c 4 5 1 0 的m a c 控制器相连接 3 4 2 以太网通信接口电路 3 c 4 5 1 0 b 片内的m a c 控制器和r t l 8 2 0 1 都带有m i i 接口 相互连接十分方便 r t l 8 2 0 1 接口电路如图3 6 所示 图3 6r t l 8 2 0 1 接口电路图 网络接口单元还要使用网络隔离变压器h 1 6 1 0 5 l f 使用的目的是为了将本系统 与外界隔离 它与r j 4 5 接口连接的电路如图3 7 所示 图3 7h 1 6 1 0 5 l f 与r j 4 5 接口连接电路图 河海太学硕士论文基于i p v 6 的两络化仪表的研究与设计 3 4 3 以太网控制器接口的驱动实现 1 3 c 4 5 1 0 内嵌的以太网控制器 前面简单介绍了以太网控制器特性和功能模块 其内部结构如图3 8 所示 图3 8 3 c 4 5 1 0 以太网控制器内部结构图 从图中可知道 它内部可分为b d m a 带缓存的d m a 接口 m a c 接口 m a c 逻辑控制 用于存储网络地址的匹配地址存储器 c o n t e n ta d d r e s sm e m o r y c a m 以及一些命令寄存器 状态寄存器 错误计数器寄存器等 微控器通过b d m a 接口将内部r a m 的数据发送到b d m a 缓存或从b d m a 缓存 接收数据 微控器接收和发送数据只需要对b d m a 操作 而m a c 接口是以太网控制 器与网线的连接通道 完成控制器与网线的数据交换 m a c 逻辑完成以下功能 当微 控器向网上发送数据时 先将一帧数据通过b d m a 通道发送到b d m a 的发送缓存 然后发出发送命令 当网络控器完成了上一帧的发送后 再开始此帧的发送 以太网 控制器接收的数据通过匹配地址存储器的m a c 比较 c r c 校验 由f i f o 存到接收 缓存区 收满一帧后 以中断或寄存器的方式通知主处理器 2 以太网控制器的存储数据结构 以太网控制器有三种数据结构用于交换控制信息和数据瞄1 分别为 一发送帧描述符 t r a n s m i tf r a m ed e s c r i p t o r 一接收帧描述符 r e c e i v ef r a m ed e s c r i p t o r 一帧数据缓冲 f r a m ed a t ab u f f e r 每一个帧描述符由如下元素构成 一帧起始地址 一所有者位 发送器控制域 一状态域 一帧长度 一下 个帧描述符指针 河海人学0 i t 论义 娃十1 p v 6 的h 络化仪表的 i f 究o j 啦计 数据帧 d a t af r a m e 帧起始地址的最高位 所有者位 控制描述符的所有者 当所有者位为 1 时 描述符属b d m a 控制器所有 当所有者位为 0 时 描述符 属c p u 所有 描述符的所有者同时搠有相应的数据帧 描述符的帧起始地址指向该数 据帧 接收帧描述符初始化时要将所有者设为 l 发送帧描述符初始化时要将所有 者设为 0 3 以太网控制器的初始化 以太网控制器的初始化包括以太网帧描述符初始化和b d m a m a c 的特殊功能 寄存器的初始化 1 1 以太网帧描述符初始化 该初始化的流程为 初始化发送描述符一将发送数据帧描述符的所有者设为c p u 所有 其作用是 使b d m a 的发送缓存区组地址指向内部r a m 的发送缓存区组的地址 初始化接收描述符一将接收数据帧描述符的所有者设为b m d a 所有 其作用 是使b d m a 的接收缓存区组地址指向内部r a m 的接收缓存区组的地址 数据存储采取回环模式 因此发送和接收初始化完毕都需将末指针指向存储链 的头部 2 以太网特殊功能寄存器的初始化 该初始化流程为 特殊功能寄存器复位 将设备m a c 地址写入c a m 寄存器 配置c a n c o n 该寄存器决定以太网控制器接收帧的性质 配置b d m a t x c o n m a c t x c o n b d m a r x c o n m a c r x c o n 寄存器 以太网初始化程序主要部分如下 i n ts 3 c a 510e t hi n i t v o i d o u t l b r x r s b d m a r x c o n o u t