[硕士论文精品]基于arm的多路串行和以太网通信技术的研究与应用

中文摘要中文摘要近年来，随着控制系统规模的扩大和总线技术的发展，对数据采集和传输技术提出了更高的要求。目前，很多设备需要实现从单串口通信到多路串口通信的技术改进。同时，随着以太网技术的发展和普及，这些设备的串行数据需要通过网络进行传输，因而有必要寻求种解决方案。以实现技术上的革新。本文分别对串行通信和基于TCPIP协议的以太网通信进行研究和分析，在此基础上，设计一个嵌入式系统基于ARM处理器的多路串行通信与以太网通信系统，来实现F8DCS系统中多路串口数据采集和以太网之问的数据传输。主要作了如下工作首先，分析了当前串行通信的应用现状和以太网技术的发展动态，通过比较传统的多路串口通信系统的优缺点，设计出了一种采用CPLD技术和CAN总线技术相结合的新型技术，并结合F8DCS系统数据量大和实时性高的特点，对串行通讯帧同步的方法进行了详细的研究。然后，根据课题的实际需求，对系统进行总体设计和功能模块划分，并详细介绍了基于ARM7处理器的多路串口通信接口、以太网通信接口以及二者之间的数据传输接口的电路设计。在软件设计上，对系统的启动代码、串行通信协议、串口驱动以及多串口与网口间双向数据传输等进行了详细的论述。最后，将上述技术应用于某大型火电厂主机F8DCS系统通讯网络的测试与分析，达到了设计要求。关键词嵌入式技术；TCPIP；多路串行通信；CPLD技术；帧同步北京交通大学硕士论文ABSTRACTINRECENTYEARS，WITHTHEENLARGEDDIMENSIONSOFCONTROLSYSTEMANDTHEDEVELOPMENTOFBUSTECHNOLOGY,THEHIGHERTECHNOLOGYONTHEDATACOLLECTIONANDTRANSMISSIONISREQUIREDATPRESENT,ALOTOFEQUIPMENTHASBEENIMPROVEDFROMSINGLESERIALPORTCOMMUNICATIONTOMULTISERIALPORTSCOMMUNICATION，THESEEQUIPMENTNEEDTOBETRANSMITTEDTHROUGHNETWORK,WITHTHEPOPULARITYANDDEVELOPMENTOFETHEMETTECHNOLOGYTHUS，ITISNECESSARYTOSEEKANEWKINDOFMETHODTOSOLVETHOSEPROBLEMSSERIALCOMMUNICATIONANDTHEETHCMETBASEDONTCPIPPROTOCOLARESTUDIEDANDANALYSEDRESPECTIVELYINTHISPAPER,ANDANEMBEDDEDSYSTEMWHICHCALLEDTHEPROTOCOLCONVERSIONSYSTEMBETWEENETHEMETANDTHEMULTISERIALPORTSCOMMUNICATIONBASED011ARMPROCESSORISDESIGNEDFIRSTLY,THEDEVELOPMENTOFETHEMETTECHNOLOGYANDTHEPRESENTAPPLICATIONOFSERIALCOMMUNICATIONAREINTRODUCEDINTHEPAPER,THROUGHCOMPARINGWITHTHEADVANTAGESANDTHEDISADVANTAGESOFTHETRADITIONALTECHNIQUE,THEN,DESIGNANEWMETHODWHICHBASEDONTHETECNOLOGYOFCPLDANDTECNOLOGYOFCANBUSTOMEETTHESYSTEMOFF8一DCSIOCOMMBNICATIONSREQUIRE,ANDDISCUSSTHEMETHODOFFRAMESYNCHRONIZATIONINSERIALPORTCOMMUNICATIONPARTICULARLYSECONDLY,THEPAPERINTRODUCESTHEINTERNALSRUCTUREANDTHECHARACTERISTICOFEMBEDDEDPROCESSORARM7一FAMILYINDETAILSTHEN,MULTISERIALPORT,THEINTERFACEDESIGNOFETHERNETCHIPSASWELLASTHEDATATRANFORMBET3，EENTWOPORTSAREDESIGNEDBASEDONTHESYSTEMOFF8DCSIOCOMMUNICATION，INTHEASPECTOFSOTL,WAREDESIGN,THEPAPERDISCUSSESTHEBOOTOFTHESYSTEM,THEMAINFUNCTION,SERIALCOMMUNICATIONPROTOCOLANDDRIVERASWELLASTHEDATATRANFORMBETWEENSERIALPORTANDNETPORTFINALLY,COMPLETESTHEEFFICIENCYTESTANDDATAANALESESFORTHESYSTEMOFF8DCSIOCOMMUNICATIONNETAPPLINGTOTHEMAINFRAMEOFCERTAINPOWERPLANTKEYWORDSEMBEDDEDSYSTEM；TCPIP；MULTISERIALPORTSCOMMUNICATION；CPLD；FRAMESYNCHRONIZATIO学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名叫釜浒导师躲1圯复、J签字日期加1年T，月17日签字日期Z甸年R2月I占日北京交通大学硕士论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，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，也不包含为获得北京交通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。学位论文作者签名签字ET期年月日致谢本论文的工作是在我的导师王爽心教授的悉心指导下完成的。三年来，王老师在学习和生活上都给予了我大量的关心和帮助，并创造了一个良好的科研环境。王老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王爽心老师对我的关心和指导。论文的研发工作是在北京爱信特测控技术有限公司完成的，首先要感谢北京爱信特测控技术有限公司的曹玉山总经理，研发部陈君工程师等给予的热情帮助和悉心指导。其次要感谢技术应用现场江西新余电厂的吕玉工程师、孔伟力工程师等配合调试的所有工作人员，在大家的通力协作下才能顺利迅速完成本课题的设计和现场调试应用。在实验室工作及撰写论文期间，王玎婷、杨辉等同学对我论文中的第三章、第四章部分的研究工作给予了很多建议和热情帮助，在此向她们表达我的感激之情。能完成硕士论文，离不开学校各位老师的教导，还有同学们特别是舍友杨树仁、师姐姜妍的鼓励与帮助，在此表示深深的感谢感谢我远方的父母，是他们省吃俭用地资助我完成大学到现在的7年学业。还要感谢我的妻子由军平，感谢她在北京不离不弃地陪伴我度过人生中重重考验。在以后的生活中，我会尽全力努力学习与工作，不辜负他们对我的期望。刘国栋2007年12月引言11研究的背景与意义1引言上世纪七十年代中期，随着计算机技术的迅速发展，国外开发出了全新一代的过程自动化产品集散控制系统DCSDISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM，并迅速成为过程自动化的主导产品。在此后相当长的一段时间内国内DCS市场一直是国外公司的天下。在应用DCS的过程中，我国科研技术人员在消化吸收国外技术的同时，自主创新我国自己的DC，经过多年努力，他们都已经取得可喜的成果，如新华控制工程公司的XDPS400、北京和利时的FOCS和国电智深公司的EDPFNT，华能信息产业公司的PINECONTROL，都已在多个电厂试验应用的基础上，经过改造提高后、达到或接近国外厂家同类的DCS水平，并已在200、300WM机组改造或新建工程中得到广泛应用，受到电厂的欢迎和好评，且其价格低于国外成套进口的设备【L】。随着信息技术的发展，DCS的应用也越来越广泛，企业对DCS提出了许多新的要求，为此世界各国DCS厂商纷纷加强开发研究DCS系统的技术水平，受信息技术网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加目前DCS技术已经进入第四代21。在技术快速革新的环境下，国内DCS产品与国外DCS产品竞争日益激烈，这给国内的企业创造了平等的市场竞争机会。强烈的民族责任感和巨大的市场份额激发了我们自主开发的积极性。相信在掌握了最新科技技术之后，我们会很快赶上并超过国外产品的先进水平。北京爱信特测控技术有限公司是一家从事发电厂及电力系统自动化方面技术开发、生产、及工程服务、技术咨询等业务的专业工程公司。为追求更好发展，该公司与我们实验室合作开发一套拥有自主产权的F8DCS系统。如图11为F8DCS系统的网络拓扑结构图。F8DCS系统是三层网络结构，最上层是管理操作层，由工程师站和操作员站组成。主要完成画面监视、程序组态、控制优化和数据库管理等工作；中间层是现场控制层，由冗余的下位控制器组成，主要执行具体控制程序，完成控制功能；最底层是现场IO网络层，其有两部分组成IO卡组和IO通讯模块。其中IO卡组完成与现场设备的具体数据采集和发送。FO通讯模块一方面通过以太网接口接收来自现场控制层的数据包，并按地址进行解析发送到不同的IO卡中，另一方面通过多路串行总线完成IO卡组数据的读取和封装，并发送到以太网上【3】北京交通大学硕士论文在整个合作过程中，我们实验室承担开发连接分散控制器与下位IO的通讯模块，在F8DCS分散控制系统中该模块其实就是基于以太网和串行总线技术的二级多路数据传输系统，我们命名为CML01通讯模块。用户蚌蚺编程与监控图11F8DCS系统结构FIG11FRAMEWORKOFTHEF8一DCS目前，在DCS系统中，IO通讯模块设计主要采用基于嵌入式处理器的多路串行总线通讯与工业以太网通讯相结合的技术，其中多路串行总线主要负责与分站FO模块的通讯，因此，DCS系统中每个分站可支持的IO卡数量主要取决于系统开发时对多路串行总线的设计；另外，以太网主要负责分站与下位分散控制器的通讯。这种多路串行总线通讯与以太网通讯相结合的数据传输系统更加适用于过程自动化和制造自动化中将最底层分散布局的各个现场设备或现场仪表集中到控制室来控制的通信网络。12关键研究技术和设计目标在通讯、控制领域中，逐步完善现有通讯、控制设备的功能，研究开发适应于新型嵌入式多路串行总线与INTERNCT控制网络的技术，无论对于实际应用问题的解决还是推动通讯、控制的发展都具有重要的现实意义。2引言121嵌入式处理器的意义随着微电子技术和计算机技术的发展，嵌入式技术得到广阔的发展空问，特别是进入20世纪90年代以来，嵌入式技术的发展和普及更为引人注目，已经成为现代工业控制、通信类和消费类产品发展的方向4】。在通信领域，众多网络设备如VOIP、WIRELESSLAN、ADSL等都包含有大量嵌入式技术的成份，广播电视在向数字化的趋势发展，DVB、DAB技术也逐渐在全面推广起来，个人消费类产品，如PDA、数码相机、MP3播放器等都离不开嵌入式技术的支持，并且，嵌入式技术在ATM、可视电话、汽车的ABS等产品中也都有大量的应用。可以说，嵌入式系统已经渗透到人们日常生活之中。嵌入式技术发展的核心是嵌入式微控制芯片。当今微控制芯片功能变得越来越强，种类更为繁多，如MIPS、POWERPC、X86、ARM、PIC等，但这些嵌入式处理器受到价格以及兼容性等因素要求的限制，应用状况有所不同，MIPS和POWERPC处理器市场定位较高，对于成本敏感的应用并不合适，而X86系列处理器要与8068、286、386等保持兼容性，使用相同的指令集，从而限制了CPU系统性能的提高。当今嵌入式领域中使用最为广泛的是基于ARM体系结构的嵌入式处理器，其占据了80以上的32位嵌入式处理器市场份额，从发展之初至今，ARM公司已经推出ARM7、ARM9、ARM9E、ARML0、SECXTRCORE以及INTEL的STRONGARM和XSCALE等一系列的产品。这些不同版本的处理嚣内核，虽一脉相承，但应用背景不同，例如，ARM7系列处理器针对功耗和成本要求比较苛刻的应用而设计的；而ARM9系列处理器主要应用于下一代的无线设备；SECURCORE则是专为安全设备而定制的【51。随着信息技术技术的飞速发展，ARM技术方案架构作为一种具备低功耗、高性能、以及小体积等特性的32位嵌入式微处理器，得到了众多的知识产权授权用户，其中包括世界顶级的半导体和系统公司61。目前已被广泛的用于各类电子产品，汽车、消费娱乐、影像、工业控制、海量存储、网络、安保和无线等领域。业界人士认为，基于ARM的技术方案是最具市场前景和市场优势的解决方案。122串行通信现状数据通信是依照一定的协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信技术。它可以实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端和终端之间的数据信息传递。根据通信方式的不同可以将其分为并行通信和串行通信【刀。在并行通信中，数据以成组的方式8位、16位或32位在并行通道上同时传输。并行通信适用于短距离设备之间的通信，如计算机和外设备之间如打印机，3北京交通大学硕士论文CPU、存储器模块和设备控制器之间。但是，并行通信不适合远距离通信。这主要是因为通信线路成本高昂和并行线路之间存在干扰，影响通信质量【。串行通信是通过串口来进行的，串口不同于并口，它的数据和控制信息是一位接一位串行地传送下去。与并行通信相比，虽然速度较慢，但传送距离较长，因此常应用于需要长距离通信而对速度又要求不高的场合。随着新技术的发展，尤其是总线技术的出现，极大的提高了串行通信的传输速度，现在高的可以达到10MSIS。在工业控制领域，成千上万的具有串行接口的工业设备，如检测器、感应器、PLC、读卡机等，它们无时无刻地采集现场数据，并且相互之间通过串口连接形成一个控制网络作为信息系统内管理数据的工具；在日常生活中，人们可以在任何地方的银行ATM机器上取款，可以在许多商场POS机上进行信用卡消费。这其中串行通信发挥着举足轻重的作用，可以说串行通信无处不在。串行通信技术作为一种灵活、方便、可靠的通信方式，长久以来一直稳定地应用在RR和工业通信领域。近年来，随着互联网络技术的发展，串行通信技术面临着新的挑战和发展空间【9】。123以太网通讯技术的发展以太网是一种采用载波侦听多路访问冲突检测和介质存取控制协议在共享上传输数据的技术。由于其具有使用简便、价格低、速率高等优点，因此从20世纪80年代出现以来，便很快成为局域网的主流。早期的以太网技术被称为共享以太网，是指多节点共享同一个传输媒体，节点间采用广播方式通讯，所以容易产生冲突，共享以太网CSMACD技术避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功，因而共享以太网对时间响应具有不确定性FIO】。近年来出现的交换以太网SWITCHEDETHEMCT克服了这一缺点，交换以太网将网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻辑上相互联系的节点，在发送端和接收端之间建立一个独占的全双工通道，因而能有效避免冲突，同时使得以太网的服务质量得到很大的提高。在传输速度方面，以太网从出现到现在的20多年的发展时间里，运行速度提高了两个数量级，从80年代的10MBPS到90年代的100MBPS、1000MBPS，再到现今的10GBPST“J。以太网的速度优势、低廉的端口价格和优越的性能，对于传输数量量大、实时性要求高的工业控制生产领域来说，具有很大的吸引力。目前由以太网与工业4引言现场相结合的工业以太网技术，已经成为工业控制网络建设的一种可行有效的解决办法。124课题设计目标本课题将在对嵌入式处理器、串行总线通讯以及以太网通讯研究的基础上，设计出一种新型的基于以太网和多路串行通讯的二级数据采集控制系统，并直接应用到F8DCS系统中下位控制器与IO网络层的IO通讯模块CML01中。F8DCS系统对CML01模块的技术指标要求有通讯速度的指标如下是与CML01模块相关的参数1数据响应时间从装置采集到画面DATAWRITEO4UART0的MOD0P_DATA2PIMGCONFIG_WRITEL2UARL1的MODLP_DATAP_IMGDATA_WRITL4UARTL的MODLP_DATA2P_IMGEONFLG_WRITE图51812C总线上的数据帧格式FIG518DATAFRAMSSTRLLCBLRE01112CBUS定义变量12CADDR表示本片LPC2131的12C0的从地址，在I2CO初始化子程序中，调用I2RESETADDR0子函数设置I2CO数据缓存区指向UART0的MOD0，同时I2C_ADDRP_BASEO；设置12C0的引脚连接；设置自身的从站地址；数据传输的速率设置为400KBS；使能接收数据中断，并定义VIC通道号为912CO的中断源使能为优先级2，将12C0IRQ服务程序起始地址定义在子函数IRQ_I2C0处。如这部分代码如下所示黝E缸E12C_ADDROX02VOIDINI也COI2CRESETADDR0；PINSEL0PINSEL0OXFFFFTR000X50；12ADR12CADDR；12CONCLR0X28；12CONSET0X44；VICVEETADDR2UINT32HU。_I2C；CVWTCNTL20X2010X09；VICINTENABLEI；OX0200；VOIDI2CRESETADDR0I2CADDRSTATO；I2CMDRPBASEO；，5L北京交通大学硕士论文图519IRQI2CVOID子函数流程图FIG519THESUBFUACLIONIRQ_I2CVOIDFLOWCHALT基于FSDCS系统IO通讯模块的总体设计图520VOIDI2C_CHECK_AD击0子函数流程圉RIG520THESUBFUNCTIONI2C_CHCCK_ADDR0FLOWCHAR北京交通大学硕士论文VOIDI2C_CHECKADDRO子函数是在每一个新数据帧开始并收到TYPE字节后被调用的，进入子函数首先根据变量MODULE确定当前数据属于哪个串口。然后根据变量TYPE所表示的当前操作类型，来确定指向数据缓存区的基地址和偏移地址TYPECMD_COMM_STAT表示12CO通讯处于初始化状态，P_DATAUINT8PJMG；TYPECMD_READ_DATA表示12C0通讯处于读数据状态，PDATAPIMGDATAREAD；TYPECMDREADCONFIG表示12C0通讯处于配置数据状态，PDATAP_IMGEONFIGREAD；TYPECMD_WRITE_DATA表示12C0通讯处于写数据状态。此时，首先要判断标志位DATAWRITEISVALID，如果为1，表示12C0已经将数据缓存区写满，执行调用II2CRESET果为0，表示目前可继续写缓存区P_DATAP_IMGDATA_WRITE；TYPECMDWRITECONFIG表示I2CO通讯处于写配置状态。首先要判断标志位CONFIGWRITEISVALID，如果为1，表示12C0已经将配置缓存区写满，执行调用II2CRESETADDRO函数。如果为0，表示目前可继续写缓存区P_DATAPIMGEONFIG_WRITE。I2ECHECK子函数最后执行PAD0；_ADDROI2CADDRP_BASEDATA；I2EADDRDR确定读新一数据帧存放在缓存区的基地址和偏移地址。图521I2E_GET0子函数流程图FIG521THESUBFUNCTIONI2CGETOFLOWCHART基于F8DCS系统IO通讯模块的总体设计厂HNL2C_PLRRO、L子函数入口定义指针T阻MODULE_IMGP船G厶。，F眦观NOI数据属高个串口IIL02SOD劬UNCASELI选择UARTOI选择UARTLLRETURNFALSE教强PIMG指针揎周数据P_IMG指针携扁串DO的数据区串口L的数据区ROOD0；MODL；BREAKBREAK令”F专审”卤”审将数据从寄存器12DAT读出，同时偏移地址加1将数据从寄存器12DAT读出，同时偏移地址加1I2C_ADDRP_BASEI2C_ADCHADDR12DATI2C_ADDXPBASEI2CADDRADDRL2DATI2C_ADDRADDRI2C_ADDRADDR爹闻。”爹一L眦LLYESIPIMGDATA_WRITEISVALIDILP_IMGCONFIGWRLTE_ISVALIDLF数据写完标志位置LIF数据写完标志位置1|IIRET一眦1图522I2吐PLLT0子函数流程图FIG522THESUBFIMCTIONI2C_PUTOFLOWCHART北京交通大学硕士论文5242主12C程序实现LPC2212对4片LPC213L的读写是通过循环操作来实现的。在LPC2212的主函数中将12C通讯设置为主站模式；数据传输的速率设置为400KBS；使能启动总线中断，并定义V1C通道号为912C0的中断源使能为优先级0，将RCOIRQ服务程序的起始地址定义在子函数INT32岫I2C处。LPC2212主函数进入PC通讯后，首先对从地址为02号的LPC2131依次执行I2CWRITE0写子函数其程序流程图如图523所示，启动总线，并在主站中断函数IRQ_I2CO中完成写操作和I2C_READ0读子函数其程序流程图如图524所示，启动总线，并在主站中断函数IRQJ2CO中完成读操作；然后依次对地址为04、06、08的LPC2131从站执行同样操作。图523主I2WDTE0流程图FIG，523THEFUN以ONI2CWDTE0FLOWCHART图524主I2CREAD0“流程图FIG524THEFUNCTIONI2CRDNAWCHART525串口与以太网口之间数据协议帧转化的软件实现在对通信协议进行编程时，首先必须知道其报文格式，即数据是如何封装的。系统从串口接收采集的数据，在转发至主机前，要将数据逐层进行封装，如图525所示【删【451。匝圃应用层臣亘亘亟夏匝困传输层臣垂匣工童亟习网络层巨亘亚巫亘夔卫匦团夏亘以太网帧图525TCPIP协议数据封装FIG525TCP1PPROTOCOLENCAPSULATION基于FSDCS系统IO通讯模块的总体设计首先，根据需要确定应用层待发送的数据在传输层的TCP协议，然后将数据传送给相应的TCP层，数据在这里进行传输数据封装，即数据前加上TCP首部，然后发送给疋层，口层通过ARP协议将上层数据包中的口地址转换成网络物理地址，即MAC地址，同时将口首部置于数据包头部，接下来的工作就由驱动程序和硬件电路完成相应的以太网帧封装，并发送到网络。当从以太网接收数据时，必须对数据报文进行解析，动作过程与数据封装相反，对接收来的以太网帧进行去头去尾工作，判断网络层协议类型，交与上层协议处理；然后逐层解析，得到最终想要的数据，最后通过串口发送出去L舳J4“110F8DCS系统要求每个下位控制器最大可以支持16个IO站，即16个IO通讯模块每个IO站有唯一的拨码地址。下位控制器与I，0站之间的通讯采用以太网通讯，并且下位控制器采用主动式进行访问，即下位控制器轮流的访问各FO站，IO站在没有收到下位控制器的读指令，是不可以往以太网上发送数据，同样，在IO站没有收到下位控制器对其写数据命令，其是不可以从以太网上读数据。这一准则极大的避免了以太网通讯中载波监听和通讯碰撞处理。5251多路串口帧封装为以太网帧以太网通信模块的微处理器LPC2212通过12C总线对多路串口通信模块中的4个LPC2131的数据帧读操作，完成了多路串口数据的存储。接下来，完成串口数据帧的封装并放入以太网的发送缓冲区。当系统规定的TCPIP打包时问到或已经有4个LPC2131数据帧时，TCPIP打包，并逐层下送，直到把数据送上物理介质，完成比特流的传输。为了能一次传输尽量多的数据，系统对数据长度作了严格定义网口发送帧的数据段允许8个串口数据帧，即4个LPC2131数据帧。同时，还要满足具体应用对实时性的要求对每一个LPC2131规定一个最长响应时间，时间到时，不管是否已接收，都要对串口数据进行封装，并放人以太网发送缓冲区。这样，系统对数据容量和时间的双重规定，能保证具体应用对实时性的要求，并能一次传输尽量多的数据，降低了由于时间上的“空等”造成系统实时性差的可能性。图526是以太网打包的简单流程。5252以太网帧解析为多路串口帧网口数据到多串口的数据流向，是对以太网链路层的数据帧向上逐层解包的过程。如图527所示，将收到的以太网帧，依次去掉每层的协议头分解出应用层数据，再以0X24和0XOA为分界分离，根据串13号和LPC2131字段的值，将信息57北京交通大学硕士论文通过12C总线发送到相应的设备，完成预定的控制。图526串口帧封装为以太网帧FIG526SERIALDATAFRAMSAREENCAPSULATEDTOTCPIPTIARA图527以太网帧解析为串口帧流程图FIG527TCPIPFRAMI8PARSEDTOSERIALDATAFRAME基于FSDCS系统IO通讯模块的总体设计本章小结本章从系统的硬件和软件两个方面详细的介绍了整个系统的设计，是前几章技术研究的应用验证。硬件部分，首先，介绍了基于CPLD和CAN驱动器的多路串口总线的设计。其次，介绍了以太网通信的硬件设计，这部分采用了以LPC2212为核心芯片，通过它控制以太网控制芯片RTLS019AS，进而完成接入网络的工作。然后，设计了串口与以太网口之间数据传输的物理通道，即系统I2C总线配置设计，采用LPC2212主，LPC2131从，LPC2212循环访问LPC2131的通讯模式。最后，对系统电源设计进行了详细的论述，并完成了整个硬件系统的设计。电路板设计如图530和图531所示。软件设计方面，首先介绍了微处理器LP2000系列芯片复位后代码启动过程。其次，研究了在数据量大、实时性高的通讯中数据缓存区的考虑重点，并设计出一种新的办法，避免了CPU对数据搬运占用过多系统资源的弊端。然后，研究了系统程序进入MAIN主函数执行的一些设计要点，从MAIN主函数的功能和各个子函数的功能来分析应用程序的设计。最后，设计了多路串口与以太网口之间数据协议帧转化的软件实现，并完成了整个系统的软件设计。图528多路串行通讯硬件FIG528HARDWAREOFMULTISERIALPORTSCOMMUNICATION北京交通大学硕士论文图529以太网通讯硬件FIG529HARDWAREOFETHEMETCOMMUNICATION60系统浏试61联机仿真调试6系统测试在联机调试之前，首先应做好以下的工作1用万用表直接检查线路板各处是否有明显短路、断路的地方，尤其电源是否断路。另外，测量一下各个电源模块输出的电压是否正确，注意33V和5V的电源不要混接。2管脚、元件焊接完毕，要仔细检查元件面各元件之间裸露部分有无相互接触现场，焊接面的各焊接点、焊点和近邻线有无连接。3上电后，注意各元器件是否有短路发热现象，并用万用表测量个元器件电源及地管脚是否异常。4在系统上电运行无异常情况下，检查LPC2131、LPC2212的晶振是否正常工作，同时要密切注意芯片是否有电源短路或发热现象。5系统程序要先在EASYARM2000教学实验平台上。利用ADS集成开发环境和EASYJTAG仿真器进行仿真调试，运行程序，通过查看各个寄存器和变量的状态变化和数值变化，保证程序设计的无误。经过上述检查，确定整个电路板上电运行正常后，我们开始对CML01卡进行调试。通过PRLITIPSFLASH下载软件和自开发的下载工具，把串口_UTILITYISPARM与上位机PC连通，将程序下载到ARM的内部FLASH存储区中。系统上电复位后。利用ADS集成开发环境和EASYJTAG仿真器进行仿真调试运行【4SL；CPLD部分可以通过软件QUARTUSII71在线调试对于数据总线调试，我们通过示波器进行逐级检测，看总线上的数据波形是否完好。经过整体的测试，找到并解决了一些程序中的小问题，为进一步的与系统搭建测试做好了准备。62通讯速度指标系统设计中，CML01模块单向数据通讯占用时间计算；多路串121通讯波特率选择为115200BPS，4个LPC2131并行进行。多路串口一次传输数据的大概时间为10MSI2C口通讯波特率选择为400KBPS，I2CEL数据包括8个串12数据，12C口一次传输数据的大概时间为4MS。CML01模块与下位控制器以太网通讯时间平均每个数据包的时间为2MS，6L北京交通大学硕士论文F8DCS最大规模下以太网通讯时间为32MSF8DCS最多可配置16个IO站。因此，单向数据通讯占用时间多路串口一次传输数据BENI2C口一次传输数据时间以太网通讯时间10MS4MS32MS46MS75MS。CML01模块通讯占用时间完全满足F8DCS控制系统的通讯速度指标要求。63F8DCS系统搭建测试FSDCS下位控制系统，可带16个FO站，每个瑚L站下根据CML01的设计，可以接8块不同的IO卡。这个环节主要是测试IO站即CML01卡与下位控制器之间的以太网通讯接口，IDO站IO卡之间的多路串口能否实现正常、准确、不丢包的传输数据。首先，将整个F8DCS控制系统包括上位机、下位机、IO网络装配起来。上位机使用WINDOWS操作系统的工控机，程序组态软件使用CONDUCTOR软件包。如图61所示为F8DCS下位控制系统部分。该部分的测试主要有两部分图6LFGDCS下位控制系统FIG61FSDCSLOWERENDSYSTEM系统测试与上位机的以太网通讯测试首先，打开程序组态CONDUCTOR软件，并且根据系统IO站及所带IO卡的物理分配配置系统IOMAP，即整个系统有几个IO站以及下面具体带的是什么IO卡其次，将CONDUCTOR编程环境连接到目标系统下位控制器，进行在线编辑或监视。联机应注意满足如下条件1与下位控制器是否已建立网络连接；2下位控制器是否已上电；3下位控制器地址和当前使用的计算机通讯端口是否在同一个M网段上；达到上述条件，只需在“目标系统地址”框内填入目标系统的口地址，如图62所示，点击“联机”即完成与下位控制器的联机。图62连接下位控制器FIG62CONNECTTOLOWERENDCONTROLLER然后，在CONDUCTOR命令栏中输入命令字“STATION“，查看联机状态下的IO信息，如图63所示。图63联机状态下的IO信息FIG63IOINFORMATIONONLINE北京交通大学硕士论文其中，NUM为FO站号，RDWRT为读写IO站操作，OK为通讯传输成功的数据包，FAIL通讯传输失败的数据包，PCT为通讯传输效率；从图63中，我们看出，读数据与写数据的PCT指数都为100，表示IO站与上位机的以太网通讯正常，且无数据丢失。串口与的卡通讯测试串口与IO卡通讯是F8控制系统和物理世界进行信息交换的重要通道，F8的FO卡通讯系统支持多种TO设备，根据配置好的系统IOMAP，在相应地址的卡件插槽中插入类型与FOMAP中配置类型一致的IO卡。在程序组态CONDUCTOR的IOMAP程序部分，给与物理输出IO卡相对应的FO程序块的每个通道上加载数据，同时根据不同信号，采用不同的测量手段对FO卡相应通道进行测量，看信号是否正确，以此检验串口发送通路是好的；然后，在输入IO卡各个通道上加载相应的物理信号，同时查看与物理IO卡相对应的FO程序块的每个通道，分析通讯上来的信号是否正确，以此检验串口接收通路是好的。在以上的钡4试过程中，曾碰到了IO卡信号接收不到的情况，在排除了F8DCS下位控制系统接线问题后，根据地址，用万用表对CML01卡的相应的LPC2131的串口输出通道进行检查，发现输出通道中光耦隔离器件的电源虚焊。64F8DCS系统现场试验F8一DCS系统目前已经完成在江西新余电厂301老机组DCS系统改造工程现场试验，成功通过了现场带负荷运行测试和电厂技术验证。本人参与了现场安装、上电待机的初步测试工作。图64、图65、图66为F8DCS系统在新余电厂测试现场照片。系统测试图6_4CML01卡正常工作中FIG64CML01LLOIMAWORKING图65现场测试1FIG65FIELDTESTING1图66现场测试2FIG66FIELDTESTING2北京交通大学硕士论文71结论7结论与展望基于ARM嵌入式的多路串口通讯技术和以太网通讯技术的IO通讯模块是集成了计算机数字控制、ARM、串行通讯、总线控制、数字可编程CPLD、以太网通讯等为一体的技术含量高的系统。它在DCS集散控制系统中起着实现分散控制器与下位IO卡通讯的作用。通过实验室系统测试和在江西新余电厂试验调试，本课题所研究设计的IO通讯模块CML00在整个F8一DCS系统中工作稳定，通讯响应时间满足现场要求。本论文围绕所进行的研究工作，主要取得了以下几个方面的成果开发了基于ARM的多路串行通信与以太网通讯系统。经测试，该系统满足F8DCS系统中的IO控制网络的各项技术指标要求，并成功应用到F8DCS系统中，负责分散控制器与下位IO网络的通讯连接。在总线技术的应用上有一定的突破和创新采用CPLD和CAN总线接口技术相结合构成了一种新型串口通道。在软件开发方面，认真研究了嵌入式系统中串口通讯程序的设计理念，结合F8一DCS系统特点，在对串口通信帧的同步协议的研究基础上，设计了一种新型同步协议，同时定义了高速缓存区，提高了通讯的实时性。72展望受时间的影响，设计过程中没有对嵌入式操作系统进行研究和实践。今后如果时间允许，我们还需对嵌入式实时操作系统作认真的研究，了解并掌握它的移植、任务管理、中断处理等。这将使系统处理多任务时效率更高、实时性更好。另外，本论文研究开发的基于ARM嵌入式的多路串口通讯和以太网通讯技术不仅可以用在F8一DCS系统中的IO通讯模块，而且可以推广到其他工业现场，具有一定的市场前景。在研究过程中，学习了许多相关芯片的原理和结构，基本掌握了嵌入式硬件和软件开发的方法，并在实际项目中得到锻炼，为以后走向工作岗位进行更高的技术开发积累了不少经验。参考文献参考文献【11上海新华公司国产DCS首次在国内600MW机组控制系统招标中中标，中国自动化网，2003I甜2】耿金波分散控制系统在火电厂的应用与发展们，电力自动化，2006093】北京爱信特测控技术有限公司FSDCS手册，2007，P2P3F4】张明基于ARM嵌入式微处理器的以太网应用FJJ，现代电子技术，200703，P20F5】CSDN技术中心ARM应用系统开发详解，200605，P4P5【6】杜春雷ARM体系结构与编程【ML，清华大学出版社，2003，P5【7】7ENET硅谷动力电信名词数据通信，WWWETTETCOM【8】阎慧娟，张金烈微型计算机接I1技术【M】，中国人事出版社，1994，P50P59F9】李广军，王厚军实用接口技术M】，电子科技大学出版社，1998，P190P191【101丁继东串行通信与以太网协议的研究与应用【D】，华东师范大学，200505。13F4，P7P8【LI】沈美莉，陈蒙建，田文雅网络应用基础M】，电子工业出版社，2002，P126P144【12】谭浩强等CH程序设计第二版【M】，清华大学出版社，2006F13】KIRKZM卸CVR