[硕士论文精品]基于arm平台的嵌入式网络控制器的设计与实现

摘要摘要随着计算机技术、通信技术、集成电路技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。本文即从未来工业控制网络发展的需要出发，设计并实现了以S3C2410微处理器为核心的嵌入式网络控制器。本文以S3C241032位微处理为核心，设计并实现了具有1路以太网接口、1路USBHOST接口、1路USBDEVICE接口、3路RS232串口、1个CAN总线扩展卡、1个RS485扩展卡、1个RS422扩展卡使用、8路A/D,1路D/A,4路PWM、一个240X32OTFTLCD显示触摸屏的功能强大的嵌入式网络控制器。并在此基础上，结合嵌入式操作系统WINDOWSCE建立了一个嵌入式软件开发平台。在深入研究和分析CANOPEN协议的基础上，实现了基于WINDOWSCE的嵌入式CANOPEN协议栈，大大提高了嵌入式网络控制器在现场总线上的通信和控制能力，为新型的网络控制算法研究提供了实验平台。在探讨了TCP/IP协议的基础上研究了基于WINDOWSCE的嵌入式TCP/IP协议栈，掌握了WINDOWSCE平台的网络SOCKET通信编程，使控制器能够通过以太网接到INTRANEL或INTERNET上。在完成嵌入式网络控制器硬件与软件设计的基础上，将控制器应用到了网络化的嵌入式数控系统的中央数控单元中，实现数控系统等数控设备小型化、网络化和集成化的需要。并以此为基础，结合计算机控制实验室建设，构建了三层信息层、控制层和设备层工业网络实验平台，实现了实验室设备真正的网络互连，为网络控制研究提供了一个高性能的平台。关键词嵌入式网络控制器嵌入式TCP/IP协议CANOPEN协议嵌入式数控系统三层工业网络ABSTRACTABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTER,ASWELLASCOMMUNICATION,INTEGRATECIRCUITANDCONTROLTECHNOLOGY,THETRADITIONALINDUSTRYCONTROLFIELDISGOINGTHROUGHANUNPRECEDENTEDCHANGE,DEVELOPINGTOWARDSNETWORKINGINORDERTOMEETTHEINDUSTRYCONTROLNEEDSINFUTURETHISPAPERHASDESIGNEDANDREALIZEDANEMBEDDEDNETWORKCONTROLLERINTHISPAPER,AUTHORHASDESIGNEDANDREALIZEDONEPOWERFULEMBEDDEDNETWORKCONTROLLERWITHS3C2410WHICHISA32BITSMICROPROCESSORWITHONEETHERNETINTERFACE,ONEUSBHOSTINTERFACE,ONEUSBDEVICEINTERFACE,THREERS232UART,ONECANEXTENDEDCARD,ONERS485SERIALEXTENDEDCARD,ONERS422SERIALEXTENDCARD,8CHANNELS10BITSAD,1CHANNELS12BITSDA,4CHANNELSPWMOUTPUT,ONE240X320TFTLCDDISPLAYTOUCHSCREENINTERFACEANDBASEDONITALONGWITHTHEEMOSWINDOWSCE,THEPAPERTHOROUGHLYDISCUSSESHOWTOESTABLISHADEVELOPMENTPLATFORMOFEMBEDDEDSOFTWAREAFTERINVESTIGATINGANDANALYZINGCANOPENPROTOCOLTHOROUGHLY,AUTHORHASREALIZEDEMBEDDEDCANOPENPROTOCOLINCONTROLLER,WHICHMAKESTHECONTROLLERSTRONGERINCOMMUNICATIONABILITYANDNETWORKCONTROLABILITY,ANDOFFERSTHEEXPERIMENTPLATFORMFORSTUDIESOFNEW勿PENETWORKCONTROLSALGORITHMSBASEDONTHEDISCUSSIONOFTHESTANDARDTCP/IPPROTOCOL,SOMEEMBEDDEDTCP/IPPROTOCOLTECHNOLOGYOFWINDOWSCEANDSOCKETCOMMUNICATEPROGRAMISREALIZEDIN俪CONTROLLERAND,WHICHMAKESTHECONTROLLERCANCONNECTTOINTRRNETORINTERNETONTHEBASISOFFINISHINGTHEEMBEDDEDNETWORKCONTROLLERHARDWAREANDSOFTWAREDESIGN,AUTHORHADAPPLIEDTHECONTROLLERTOCENTRALCOMPUTERIZEDNUMERICALCONTROLUNITINNETWORKINGCNCSYSTEM,MAKINGCNCSYSTEMANDEQUIPMENTABLETOMEETTHENEEDOFMINIATURIZATION,NETWORKINGANDINTEGRATIONFINALLY,COMBININGWITHTHECOMPUTERCONTROLLABORATORYCONSTRUCTION,THESTRUCTUREOFNETWORKEXPERIMENTPLATFORMOFTHREELAYERSOFINDUSTRIALNETWORKSINFORMATIONLAYER,THECONTROLLAYERANDEQUIPMENTLAYERHADBEENFINISHEDITHASREALIZEDTHEREALNETWORKINTERCONNECTIONOFTHELABORATORY,ANDOFFEREDAHIGHPERFORMANCEPLATFORMFORSTUDIESOFNETWORKCONTROLKEYWORDSEMBEDDEDNETWORKCONTROLLEREMBEDDEDTCP/IPPROTOCOLCANOPENPROTOCOLEMBEDDEDCNCSYSTEMTHREELAYERINDUSTRY学位论文独创性声明学位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及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得南昌大李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谢意。学位论文作者签名手写J番签字日期D刃年子月砂日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名手写J雷导师签名、手写P14YL签字日期2呵年6月ZS日签字日期。夕年6月犷日学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址电话邮编第1章绪论第一章绪论11课题的研究背景随着计算机技术、通信技术、集成电路技术、控制技术及智能传感技术的迅速发展及相互渗透和结合，在工业控制领域出现了一种新兴的控制技术现场总线。现场总线技术的出现带来了工业控制领域的第三次革命，即现场总线系统将传感器测量、补偿计算、数据处理和控制分散到现场设备，实现了控制分散化和智能化现场总线是对DCS集散控制系统的扩展，突破了DCS相对封闭的限制，将测控任务分散到现场设备中，上位机只负责监控以及一些复杂的优化和先进控制的功能。目前应用比较广泛的现场总线协议有CAN,PROFIBUS,FF和LONWORKS等。但现有的各类现场总线标准互不通用，给各个厂商设备的一致性和互操作性造成了很大的障碍ILL同时自动化领域对自动控制系统化的需求，使得现场总线与工厂信息系统纵向连接的呼声越来越高。根据工厂管理、生产过程及功能需求，简化的CMIS体系结构可分为3层，即工厂级，车间级和现场级。企业现在发展的方向是提供一个一体化的解决方案，把三部分集成到一起进行综合应用。可现场总线是为了实现PLC设备的互连而出现的，在现场总线上传输的数据量还是比较小的。这样，人们在继续发展现场总线的同时，逐渐把目光转向了以太网ETHERNET和TCP/IP协议。当前的做法是希望工业控制设备能够支持TCP/IP以及其他INTERNET协议，从而能够通过用户熟悉的浏览器查看设备状态、设置设备参数、或者各设备采集到的数据通过网络传送到WINDOWS或UNIX/LINUX服务器上的数据库中进行管理。目前，支持TCP/IP协议的工业以太网正渗透到了工业领域的信息层，既然现场总线有非开放性的局限，而且面临着与企业信息层的直接整合，那么开发基于以太网的现场总线产品就能解决这个问题。但是，从实际的应用来讲，以太网完全取代现场总线也是不可能的。现场总线是工业控制领域催生的，它自出现就带着工业控制领域的特征本质安全以及极强的抗电磁干扰特性，以太网设备还不具备这些特征。从通信的角度看，第I章绪论12课题的研究意义和研究内容121课题的研究意义可以看出在工业控制领域正进行一场网络化信息化的革命，国际上各大工业自动化公司也正在推出新一代的工业控制系统，我国在工业控制系统方面落后于西方发达国家，要想赶上世界先进水平就必须发展自己的工业控制网络并开发相应的高层协议和应用软件。而嵌入式网络控制器正是构成此网络的核心，因此开发一个既有专用性又有一定通用性，并兼具以太网和现场总线网络的多功能嵌入式网络控制器，在此基础上研究高层协议和应用软件，并搭建新型的工业网络平台，对建立我国自己的工业控制体系将具有巨大的意义。122课题的研究内容针对目前工业控制系统的问题和需要，本课题主要设计与实现一款兼有以太网和CAN总线并具有多种控制接口的嵌入式网络控制器，并以此为基础实现网络化的嵌入式数控系统，搭建三层工业网络平台。课题研究主要内容如下1对现有的嵌入式网络控制器的方案进行了比较。选择了三星公司的S3C2410ARM920T内核高性能嵌入式处理器为核心，针对嵌入式网络控制器需要的各个功能进行方案分析与器件选型，并完成了嵌入式网络控制器的原理图设计与硬件实现。2对现有的嵌入式操作系统进行了分析，并选择WINDOWSCE做为嵌入式网络控制器的操作系统，对它进行了深入的研究，并成功将其移植到了该控制器上，完成了嵌入式软件开发平台的搭建。3编写代码完成嵌入式网络控制器CAN,RS485,RS422,RS232，以太网等模块的驱动程序开发，满足了后续应用层开发的需要。4在深入研究CANOPEN协议的基础上在嵌入式网络控制器上编程实现，完成控制器基于CAN总线的通信并分析了MICROCANOPEN协议使其满足低成本设备层控制器通信的需要。5深入研究TCP/IP协议的基础上掌握WINCE平台下的WINDOWSSOCKETS编第1章绪论程基础，完成了嵌入式网络控制器基于以太网的通信。6结合计算机数控实验室建设的需要，在该嵌入式网络控制器的基础上组建网络化的嵌入式数控系统，并完成三层工业网络实验平台的搭建。整个网络实验平台以嵌入式网络控制器为核心。底层的实物伺服控制单元，DSP单元，I/O逻辑控制单元构成了实验平台的设备层。在设备层上采用了CAN总线和485422总线，嵌入式网络控制器通过MICROCANOPEN等协议和设备层的设备进行通信。嵌入式控制器、监视设备及无线报警设备一起构成了系统的控制层，他们之间通过CANOPEN协议进行通信，完成实验平台的控制、监视与报警。实验平台的控制层和设备层通过嵌入式网络控制器的以太网接口与平台信息层的服务器、数据库管理设备和网络监视设备相连接，并通过实验室的网关接入到INTERNET，以实现实验室平台的网络监控。第2章嵌入式网络控制器总体设计第二章嵌入式网络控制器总体设计21嵌入式网络控制器实现方案比较及选择为了满足未来工业网络控制层控制系统的需要及兼容现有的控制网络，嵌入式网络控制器需要同时具备现场总线接口和以太网接口，并需要一定的控制能力和可扩展性。211现场总线现场总线技术是将微控制器植入现场测量，控制仪表中，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力。现场总线是继DCS之后的又一种新型的工业控制系统，它的出现带来了工业控制领域的一场深刻的革命。现场总线代表了一种突破意义的控制思想，改变了原有的控制体系结构，使模拟与数字混合的分散型控制系统DCS更新换代为数字的现场总线控制系统。真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。到目前为止，现场总线技术己经有二十多年的历史，现在已经形成了多种总线标准，如CANCONTROLAREANETWORK控制局域网络、FFFOUNDATIONFIELDBUS现场基金会、HARTHIGHWAYADDRESSREMOTETRANSDUCER，可寻址远程传感器数据通路、PROFIBUSPROCESSFIELDBUS和LONWORKLOCALOPERATINGNETWORK，局部操作网等。要发展我国自主知识产权的现场总线产品并能够与国际接轨，采用CAN总线技术显然是比较适合的。首先，CAN总线协议是免费开放的，这使得在技术开发的过程中没有屏障，具有了更大的灵活性。其次，国际上众多的知名半导体芯片制造商如MICROCHIP,PHILIPS,ATMEL,TI等均推出了支持CAN协议的芯片，这对系统的开发提供了更多的选择。另外，基于CAN的应用层协议CANOPEN也为基于CAN的现场总线应用开发带来了极大的方便U71第2章嵌入式网络控制器总体设计212信息层接入方案控制系统要实现控制层和信息层的连接，需要支持TCP/IP协议即实现嵌入式INTEMET。实现的方法主要有以下几种1采用嵌入式操作系统的高性能32位处理器软件实现TCP/IP协议如三星公司的S3C2410X嵌入式处理器，是一款功能齐全性能优异基于ARM920T内核的RISC型处理器。CIRRUSLOGIC公司生产的以太网控制芯片CS8900A同样是一款低功耗、性能优越的16位以太网控制器，功能强大，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。CS8900A内部功能模块主要是8023介质访问控制块MAC8023介质访问控制块支持全双工操作，完全依照IEEE8023以太网标准ISO/IEC88023,1993，它负责处理有关以太网数据帧的发送和接收，包括冲突检测、帧头的产生和检测，CRC校验码的生成和验证。通过对发送控制寄存器TXCMD的初始化配置，MAC能自动完成帧的冲突后重传。如果帧的数据部分少于46个字节，它能生成填充字段使数据帧达到8023所要求的最短长度。它的主要特点如下S1符合IEEE8023以太网标准，并带有ISA接口片内4K字节RAM适用于UO操作模式，存储器操作模式和DMA操作模式带有传送、接收低通滤波的1OBASE一连接站口支持1OBASE2,IOBASE5和1OBASEF的AUI自动重发最大电流消耗为55MA5V电源全双工操作支持外部EEPROM另外，要实现CS8900A与主机之间的数据通讯，在电路设计时可根据具体情况灵活选择合适的数据传输模式。CS8900A支持的传输模式有I/O模式和MEMORY模式，另外还有DMA模式。其中，UO模式访问CS8900A存储区的缺省模式，比较简单易用。使用如S3C2410X一类高档处理器配上CS8900A实现INTERNET接入的系统结构一般如图21所示。软件一般为嵌入式操作系统如WINCELINUX及第2章嵌入式网络控制器总体设计TCP/IP协议栈。由于处理器的性能强大，系统可以实现复杂的功能，应用灵活，软件编程比较简单，成本相应的也较低。同时这个方案将工业控制和信息层通信在硬件上有机的分离开，便于处理器和以太网控制芯片的升级，具有一定的扩展性。S3C2410XARM920TEMOS嵌入式操作系统TCP/IP协议栈8023MACPHYSICALMEDIUMINTERFACELAYERMIIPHYSICALMEDIUMDEPENDANTLAYERPHY图21高性能处理器接入方案2EMWARE公司的EMITEMBEDDEDMICROINTEMETWORKINGTECHNOLOGY技术1911101EMIT利用EMGATEWAY先通过轻量级总线与多个嵌入式设备连接起来，形成轻型网络，然后再把这个嵌入式系统轻型网络与大型高性能TCP/IP网络如INTRANET,INTERNET连接。如图22,EMGATEWAY类似于大型网络中的网关，提供TCP/IP到微型局域网RS422/485,CAN,12C等到大网的连接功能。EMIT网关式的方案，在系统小的时候不失为一种好】NTEMET接入方案，但是当总线设备数量增加到一定时，EMIT方案中的EMGATEWAY会成为一个通信的瓶颈，而且一旦EMGATEWAY出现故障，网关内所有设备都将失去与网络的通信，因此这种方法不适合用于对可靠性要求较高的场合，也不适合系统的拓展。第2章嵌入式网络控制器总体设计图22网关式接入图3单片机控制网络接口芯片实现111普通16位或者8位单片机和通用网络接口芯片相结合网络接口芯片主要用的是RTL8019ASRTL8019AS是由台湾REALTEK公司生产的网络接口芯片，此芯片支持ETHEMET11,IEEE8023,1OBASE2,IOBASE5,IOBASET等支持8位/16位数据总线的SRAM用于收发缓存，降低了对主处理器的要求。这种方案类似于第一种方案，但是采用了通用的器件，成本更小，没有功能强大的操作系统的支持，所以受处理器速度的限制，它并不能完成全部的网络功能，传输速度也有限，可扩展性不强。4高速MCU加虚拟软件包方案11213141如DALLAS公司推出的基于51内核的DS80C400网络处理器，它内嵌了IOM/100MBPS的以太网控制器，支持MII接口，通过物理层接口芯片可以方便的接入以太网。处理器内部ROM事先存有TINIOS以及IPV4/IPV6双协议栈，DALLAS公司提供适用于它的免费软件开发包，使开发周期大为缩短。但因为使用的是51内核，处理速度有限，仅适合于低成本控制性能要求不太高的场Z峨7U综上所述，在现场总线中选择CAN总线，在INTERNET接入上选择S3C2410XCS8900A来完成嵌入式网络控制器的设计与实现，既能很好的满足第2章嵌入式网络控制器总体设计性能要求也保持了一定的扩展性。22ARM体系结构和S3C2410概述221ARM体系结构ARM是ADVANCEDRISCMACHINE的缩写。ARM体系结构目前被公认为是业界领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。所有ARM处理器共享这一体系结构。ARM处理器具有小体积、低功耗、低成本、高性能等特点本身是32位设计，但也配备了16位THUMB指令集，以允许软件编码为更短的16位指令集。与等价的32位代码相比，占用的内存空间节省高达35，然而却保留了32位系统所有的优势。在一些ARM版本中还提供了JAZELLE及DSP技术，提高了ARM的性能和灵活性。ARM还提供了两个前沿特性嵌入式ICERT逻辑和嵌入式跟踪宏核，用以辅助带深嵌入式处理器核的、高集成的SOC器件的调试。允许在代码的任何部分甚至在ROM中设置断点。ARM所提供的16/32位嵌入式RISC内核有以下几个系列ARM7,ARM9,ARM9E,ARM10,SECURCORE,STRONGARM和INTELXSCALE。每个系列的产品的设计都尽量遵循高性能、低功耗的原则以满足用户日益复杂的应用需求1S1222S3C2410概述S3C2410芯片是三星公司推出的基于ARM920T内核的一款性能强大的嵌入式处理器。该处理器采用五级流水线和哈佛结构，提供11MIPS/MHZ的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。ARM920T具有全性能的MMU、指令和数据CACHE以及高速AMBA总线接口161。内核结构如图23所示。第2章嵌入式网络控制器总体设计图23ARK920T内核结构LCDDMABUSCC冲汀NANDCONTNANDFLASH日ILO翻山甘A如MO丫COT打CB比C油UR苗时MIPLLI口C口PL0民TG粉勃褂片树抖图24S3C410内部结构功能模块S3C2410提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备的麻烦。其内部结构如图24所示。片上集成的功能主要包括以下几个方面第2章嵌入式网络控制器总体设计18VARM内核，33V存储器，33V外部I/0，具有16KB指令缓存，L6KB数据缓存和MMU的微处理器外部存储控制器SDRAM控制和片选逻辑LCD控制器支持上到4K色的STN和256K色的TF劝，1通道LCD专用DMA具有外部请求引脚的4通道DMA3通道UARTIRDA10,16BYTETXFIFO和16BYTERXFIFO,2通道SPI1通道IIC总线控制器，1通道IIS总线控制器10版本的SD主机接口和兼容的211版本的MULTIMEDIA卡协议2个USB主机，1个USB设备USB114通道PWM计时器，1通道内部计时器看门狗电路117个通用V0口，24通道外部中断源电源控制常规、缓慢、空闲和断电模式8通道10位ADC和触摸屏接口具有日历功能的实时时钟RTC具有锁相环的片上时钟发生器。综上所述，S3C2410是一款性能卓越的嵌入式处理器，能够满足嵌入式网络控制器的需要18123嵌入式操作系统与WINDOWSCE嵌入式系统EMBEDDEDSYSTEM是指有特定功能或用途的计算机硬、软件的集合体，分为嵌入式软件系统和嵌入式硬件系统。嵌入式系统开始于20世纪80年代单片机的使用。单片机技术己经渗透到各个领域，且与人们的日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极大方便。单片机的功能强大，从信号采集、处理到传输都能由单片机来完成。但是，随着网络时代的来临，许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算能力，比如音频、视频的数据采集、处理和传输丰富的图形界面等。单片机越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越复杂、庞大。随着微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，16位和32位的嵌入式微处理器逐渐成为第2章嵌入式网络控制器总体设计嵌入式系统设计的主流。但是，只有嵌入式微处理器是不够的，OEM原始设备制造商还需要有一个运行于嵌入式微处理器上的操作系统。嵌入式操作系统是对通用操作系统的继承与发展，具有操作系统的基本功能，包括指令执行、任务调度、存储管理、设备管理和中断处理等。但是，由于嵌入式系统的硬件环境和程序运行需要有很大限制，所以嵌入式操作系统要模块化及可延展性、实时性能好，通信能力强大，有良好的可移植性，能够用在根据应用要求选择的微处理器中。很多软件厂商迎合嵌入式系统发展的需要，推出了多种不同特点的嵌入式操作系统。例如MICROSOFT公司的WINDOWSCE,3COM公司的PALMOS,SYMBIAN公司的EPOC、中科院凯思集团的HOPE。以及LINUX等。WINDOWSCE操作系统是微软为实现”信息随手可得11的设想而努力开发的成果。通过WINDOWSCE，微软提供了标准的开放式平台，极大地减少了硬件制造商IHV、软件开发商SHV以及最终将采纳新一代非PC技术解决方案的客户多方之间的矛盾。WINDOWSCE是一个功能强大的开放的，抢先式多任务并具有强大通信能力的32位实时嵌入式操作系统。它也是一个全新的、可移植的、实时的、模块化的操作系统，具有流行的微软程序开发界面，提供许多快速开发嵌入式系统的工具。适用于快速构建新一代内存少、体积小的智能设备例如工业控制器、手持式设备、智能电话、机顶盒和零售点设备等。目前的掌上电脑PDA、全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、车载PCAUTOPC，有很多采用WINDOWSCE操作系统。WINDOWSCE的主要特点如下1新内核WINDOWSCE看上去和WINDOWS9X/NT很像，但它不是这些操作系统的简化版，也不是从这些系统移植过来的。WINDOWSCE具有全新的内核和任务调度、内存管理策略。2可移植性由于WINDOWSCE操作系统几乎完全是用C语言编写的，所以可移植到众多的32位微处理器上支持各种处理器家族，包括X86,POWERPCARM,MIPS和SH等系列。微软为每个支持的处理器家族提供完整的系统库。WINDOWSCE可以通过OEM适配层OALOEMADAPTATIONLAYER适配到任何硬件平台OAL是驻留在CE内核和硬件之间的代码层。原始设备制造商使用这第2章嵌入式网络控制器总体设计些代码把CE适配到自己的硬件上。OAL链接CE的内核和定制的硬件。3实时性WINDOWSCE21及其以前的版本实时性能不强，但WINDOWSCE30及以后的版本实时性能得到明显改善。现在WINDOWSCE的实时性能主要通过以下技术实现支持嵌套中断，高优先级的中断并不需要等待低优先级的中断服务例程ISR完成256个线程优先级，可以灵活调度嵌入式系统的任务通过固定高优先级中断服务线程IST的最大调度延迟改善线程响应时间使用API函数CESETTHREADQUANTUM和CEGETTHREADQUANTUM修改操作系统中线程的线程量中断服务子程序的响应时间非常短支持信号量。在基于WINDOWSCE的参考平台上，使用ARM9微处理器，系统可以在25GS内启动一个中断服务例程ISR，在90170GS内启动相应的中断服务线程。如果考虑其它因素，如CPU类型、时钟频率、总线速度等的影响，许多实际的基于WINDOWSCE平台的响应时间更短。4模块化由于存储器资源在移动和嵌入式设备中非常有限，WINDOWSCE设计成一个模块化操作系统，设计者只需选择那些需要的模块以满足指定平台的存储器要求。WINDOWSCE的结构如图25所示，主要包括4个模块内核KERNEL图形窗口事件子系统GWES、文件系统FILESYS和通信模块COMMUNICATIONSKERNEL负责中断处理、进程和线程管理、虚拟内存管理和其它相关任务GWESGRAPHICSWINDOWINGANDEVENTSSUBSYSTEM相当于桌面WINDOWS的图形设备接口GDI和用户库FILESYS用于永久存储，包括文件系统、注册表和数据库COMMUNICATIONS模块负责与桌面PC、其它CE设备和因特网的互联。每个模块又分成许多小组件。裁减WINDOWSCE时，可以只选择那些需要的组件。第2章嵌入式网络控制器总体设计WIN32入PISCOREDLL,WINSOCK,OLE,COMMCTRL,COMMDLG,WININET图25WINDOWSCE的基本结构5WIN32兼容性WINDOWSCE采用与WINDOWS95/NT相同的编程模型，它的”I是WIN32API的一个子集，大约有600个API函数，可以实现所有的嵌入式应用。CE只支持UNICODE码，CEAPI删除了WIN32API中包含ANSI字符串参数的函数。CE还支持当前流行的软件技术和运行库，如MFCMICROSOFTFOUNDATIONCLASS、ATLACTIVETEMPLATELIBRARYEVCEMBEDDEDVISUALC,EVBEMBEDDEDVISUALBASICWIN32的兼容性可以容易地把现成的WINDOWS应用程序移植到WINDOWSCE中。目前有许多开发人员精通WINDOWS编程技术，他们只需学习很少的知识就可以开发WINDOWSCE应用程序。到目前为止，工业控制系统中的自动化设备仍然受专用硬件或工业化PC平台的限制。专用硬件通常十分耐用，并能抗恶劣环境，但是只能用于单一的、特定的用途。虽然工业化PC比专用硬件更具有灵活性，但是由于振动、灰尘、潮湿、高温以及其它环境问题的影响，工业化PC平台经常会出现故障和数据丢失。WINDOWSCE操作系统是一个适合互连工业自动化设备的理想的小体积嵌入式平台。由于采用MSMQMICROSOFTMESSAGEQUEUING这样的先进应用服务，使WINDOWSCE实现与生产现场IT设施的全面集成成为可能。它还具有很强的实时性能，支持确定性的响应时间控制。WINDOWSCE能从闪存启动，从而避免了暴露在灰尘、高温和震动环境下，使它可以适应恶劣的生产环境。基于WINDOWSCE的嵌入式控制系统提供统一的、可伸缩的解决方案，将专用第2章嵌入式网络控制器总体设计硬件的耐用性与PC的灵活性结合在一起。因此WINDOWSCE在工业控制领域有着很好的应用前景，在嵌入式网络控制器中采用WINDOWSCE作为核心操作系统是比较合适的09124嵌入式控制系统的总体设计综合各方面，嵌入式网络控制器采用S3C2410为核心处理器，选用合适的芯片设计完成控制器的内部存储系统包括64MB的NANDFLASH,64MB的SDRAM和2KB的I2CEEPROM，再配上1路SD/MMC接口和I路IDE接口用以提供大容量的外部设备存储通信系统包括1路以太网接口、1路USBHOST接口、I路USBDEVICE接口、3路RS232串口和3个PCI插槽，这3个PCI插槽分别给1个CAN总线扩展卡、1个RS485扩展卡和1个RS422扩展卡使用，以此提供1路CAN,1路RS485和I路RS422接口输入输出系统包括8路A/D,1路D/A和4路PWM人机交互接口包括一个240X320的TFTLCD显示触摸屏，USB鼠标和USB键盘。并以此为基础结合嵌入式操作系统WINDOWSCE搭建嵌入式软件开发平台，编写底层驱动程序，在上层研究TCP/IP协议及CANOPEN协议并实现控制器基于WINDOWSCE的CANOPEN协议栈及TCP/IP通信的开发。并开发应用软件使控制器满足计算机控制实验室三层工业网络实验平台搭建的需要。25小结本章针对第一章提出的嵌入式网络控制器的需求，对现有的现场总线及信息网络接入技术做了比较，现场总线方面选择了国内应用广泛、短帧传输、无破坏仲裁技术、可靠性高、抗干扰性强的CAN总线，在信息网接入方面选择了应用灵活功能强大的高性能嵌入式处理器加以太网控制器配备操作系统和TCP/IP协议栈的方案。并对选择的嵌入式处理器S3C2410和嵌入式操作系统WINDOWSCE做了分析和介绍。最后提出了本文开发的嵌入式网络控制器的软硬件设计整体方案。第3章嵌入式网络控制器硬件设计与实现第三章嵌入式网络控制器硬件设计与实现31嵌入式网络控制器的硬件整体设计嵌入式网络控制器的硬件整体设计如图31所示。控制系统以S3C2410为核心设计了存储系统，通信系统，输入输出系统，人机接口系统等。存储系统中设计了64MB的NANDFLASH,64MB的SDRAM,2KB的I2CEEPROM。另外还有1个SD/MMC接口和1个IDE接口。通信系统中设计了JTAG仿真接口、1路以太网接口、1路USBDEVICE接口、1路USBHOST接口、3路RS232接口、3个PCI插槽、1个RS485扩展卡、1个RS422扩展卡和1个CAN扩展卡。三块扩展卡RS422RS485和CAN分别插在3个PCI插槽里。输入输出系统中设计了1路8位的D/A,8路10位的A/D和4路PWM输出接口。人机接口系统中设计了一个LCD接口，选购了一块240X320大小的TFTLCD显示触摸屏与该接口连接同时市场上一般型号的USB键盘或USB鼠标可以插在USBDEVICE接口上，在该控制器上的WINDOWSCE操作系统中使用。另外在电源模块中除了提供系统需要的5V,36V,18V，还提供了实时时钟掉电保护电路以增强系统的可靠性。第3章嵌入式网络控制器硬件设计与实现卡和1个CAN扩展卡。三块扩展卡RS422,RS485和CAN分别插在3个PCI插槽里。硬件连接示意图如图34所示口图34通信系统结构示意图S3C2410本身没有集成以太网控制器，以太网接口由网卡芯片CS8900A来控制。该芯片使用ISA总线接口，集成了8023MAC10/100BASET，内置4KB的缓存用于数据的收发，并且芯片的配置信息可以选择通过一个串行EEPROM接口保存在外部EEPROM中。8023MAC支持全双工操作，完全依照IEEE8023以太网标准ISO/IEC88023,1993，它负责处理有关以太网数据帧的发送和接收，并有LED输出指示，还包括冲突检测、帧头的产生和检测，CRC校验码的生成和验证。通过对发送控制寄存器TXCMD的初始化配置，MAC能自动完成帧的冲突后重传。如果帧的数据部分少于46个字节，它能生成填充字段使数据帧达到8023所要求的最短长度。S3C2410对CS8900A采用片选NCS3和外部中断EINT9进行控制，数据线16根，地址线20根S3C2410片上集成了3个通用异步收发器UART,串口，支持59位的单工异步串行通信。为了不影响其它功能的实现，串口0用于一般的串口输入第3章嵌入式网络控制器硬件设计与实现输出，支持RS232通信然后使用跳线和很少的外围器件，通过PCI总线让RS485扩展卡使用串口1,RS422扩展卡使用串口20S3C2410片上集成T2个串行外围器件接口SPISERIALPERIPHERALINTERFACE，可以连接2个具有SPI接口的外围器件。S3C2410通过SPI接口和PCI总线访问CAN总线扩展卡。CAN总线扩展卡采用MICROCHIP公司的MCP2515CAN总线驱动器和MCP2551CAN总线收发器。MCP2515是一款带有SPI总线接口的独立CAN控制器，完全支持CAN2OA和CAN20B技术规范，通信速率最高可达LOMB/SOMCP2515的SPI总线接口在45V下最高可达L0MHZ，同时兼容33V供电2311241MCP2551是一个可容错的高速CAN器件，可作为CAN协议控制器和物理总线接口。MCP2551可为CAN协议控制器提供差分收发能力，它完全符合ISO11898标准，包括能满足24V电压要求。它的工作速率高达1MB/S。典型情况下，CAN系统上的每个节点都必须有一个器件，把CAN控制器MCP2515生成的数字信号转化成为适合总线传输差分输出的信号2511261。它也为CAN控制器MCP2515和CAN总线上的高压尖峰信号之间加入了缓冲器，这些高压尖峰信号可能是由外部器件产生EMI,ESD和电气瞬态等。最后嵌入式控制系统利用S3C2410片上集成的符合USB20全速协议的DEVICE和HOST控制器，加上很少的外围器件便可完成USS的主接口和从接口。34嵌入式网络控制器的输入输出系统输入输出系统中设计了1路8位的D/A,8路10位的A/D和4路PWM输出接口。硬件连接示意图如图35所示第3章嵌入式网络控制器硬件设计与实现图35输入输出系统结构示意图S3C2410芯片自带A/D转换控制部分8路通道10位转换结果的模拟信号到数字信号的转换。在A/D转换时钟为25MHZ的条件下，转换速率最高可达到500KSPSL6O嵌入式网络控制器的D/A部分采用了DAC0832ODAC0832是一款8位电流输出型数模转换芯片。设计中使用了一片DAC0832，电流输出后先转换成电压进行输出，另外还设计了通过把电压转换成420MA标准工业电流输出的电路，从而使控制器既能有电压型输出又有电流型输出。S3C2410片上集成T五个16位定时器。定时器0,1,2,3均有PWM脉冲输出功能，定时器4是一个内部定时器没有输出脚161。嵌入式网络控制器利用了这四个定时器，设计了四路的PWM三相输出，以便将来能够适应控制电机等场合的使用。35嵌入式网络控制器的人机接口系统作为嵌入式控制系统，显示系统状态，输入系统参数等等都需要一个人机交互方式。因此，控制系统设计了一个50PIN彩色LCD接口，带有触摸屏控制器重复上面的工作就可以完成发送多个字节的工作。COMWRITE模块的流程图如图415所示。第4章嵌入式网络控制器软件设计与实现读收发状态寄存器UTRSTATI将新的8位数据写入发送缓冲寄存器，并将GPIOGII拉高允许数据发送，截止数据接收将GPIOGLL拉低允许数据接收，截止数据发送，并返回图415COMESWRITE函数的流程图2COMREAD模块的实现在COMINIT函数中建立了一个串口中断服务线程，该线程一建立就被挂起，等待串口接收到数据后产生中断23才被唤醒，然后把串口1上接收的数据放入串口驱动程序维护的一个接收数据缓冲区BUFFER中。COMREAD函数并不等待来自串口1的接受数据成功中断23，而是读取BUFFER中的数据，并返回读取到数据的实际长度。COMREAD模块的流程图可以参考图413CANREAD函数的流程图所示。3中断服务线程模块的实现如上所述，RS485扩展卡中，数据的接收也是采用中断方式来完成的。在WINDOWSCE调用COMINIT函数初始化串口1时，会创建一个接收中断事件对象HREADEVENT，并将HREADEVENT与串口1中断23绑定在一起，接着创建一个中断服务线程，线程在后台被挂起，通过调用WAITFORSINGLEOBJECT函数等待HREADEVENT事件，也就所谓的接收数据中断产生。一旦串口1接收到数据，马上触发HREADEVENT事件，使得中断服务线程被唤醒，驱动程序从串口1的接收数据缓冲器URXH1取出数据，放到串口驱动程序维护的接收数据缓冲区第4章嵌入式网络控制器软件设计与实现BUFFER中。需要注意的一点是在COMINIT函数初始化串口1时，必须将将GPIO一G1L拉低允许数据接收，截止数据发送，RS485扩展卡的默认状态应该是数据接收状态。即使数据发送过程完后也必须将RS485扩展卡转回数据接收状态。中断服务线程模块的流程图可以参考图414CAN扩展卡中断服务线程模块的流程图所示。RS485扩展卡驱动在WINDOWSCE注册表中的信息如下所示HKEYLOCAL_MACHINEDRIVERSBUILTLNSER2410“PREFIX“COMI“D1“RS422D11“ORDER“DWORD0“PORT“COMI“443以太网控制驱动程序的设计与实现S3C2410对CS8900A的寄存器读写控制是通过I/0模式或者存储器模式操作3811/0模式操作是CS8900A的默认操作方式，并且在CS8900A上电复位后一直有效。1/0模式下在S3C2410映射连续的16个地址空间，通过操作这16个地址实现对CS8900A内部RAM的读写操作，在读操作时IOR,AEN管脚必需为低，写操作时IOW,AEN管脚必需为低。通常通过1/0模式操作，使BUSCTL的MEMORYE位置位，便可以进行存储器模式操作了，在这种方式下CS8900A内部4KBYTE的RAM被映射到S3C2410连续的4KBYTE地址空间，一旦选择存储器模式，CS8900A的CHIPSEL,MEMR或MEMW管脚必须拉低39I/O模式读写基地址默认值是0X300I/0模式下读写CS8900A内部RAM任一地址的方法是在1/0读写基地址偏移OXOOOA的地址处写入要访问的CS8900A内部RAM地址，然后在UO基地址偏移OX000C或OXOOOE的地址处进行读写操作401。如果使用存储模式，则是在存储器模式读写基地址默认为0加上要访问的RAM地址处进行读写操作。两种方式的读写基地址都可以更改，但是要注意基地址值更改要在CS8900A和控制CPU的地址允许范围411S3C2410是通过NGCS70来选择地址区间的，当某操作地址落入NGCS70其中之一所“管辖”的地址范围，该管脚将使能。图34中S3C2410第4章嵌入式网络控制器软件设计与实现的NGCS3接CS8900A的AEN、CHIPSEL，这意味着CS8900A的访问地址被分配到S3C2410的0X18000000到OX20000000地址区间。还有就是在设计中使用了地址线ADDR24和一些简单的外围电路来对CS8900A的UO操作模式和存储器操作模式进行选择，ADDR24为“0”时存储器模式读写被允许，故存储器模式读写基地址映射区间为0X18000000到0X19000000ADDR24为“1”时V0模式读写操作被允许，所以V0模式读写基地址映射区间是0X19000000到0X200000000S3C2410对CS8900A产生的网络事件可通过中断方式或是查询方式获得。从提高CPU的效率起见，采用中断方式。S3C2410的UO管脚通常可以配置成输入、输出、中断源或其它方式，EINT9/GPGI管脚作为S3C2410X的以太网中断信号源，这就需要在初始化时，在GPGCON寄存器的GPGCON32两位置为“10”来配置EINT9/GPGI管脚作为中断引入。另外管脚的中断方式又有低电平、高电平、上升沿、下降沿、双沿等方式触发，这由EXTINTI64寄存器来选择。CS8900A提供了4个中断请求信号，中断信号管脚是在内存映射基址偏移地址0X022里指定的，中断允许的情况下，如果有中断产生，对应管脚将会置高。S3C2410的中断方式绝对不允许设成电平或双沿触发方式，否则S3C2410将会响应多遍中断。S3C2410X的外部中断8到23使用的是一个中断源EINT823，当发生了中断，寄存器INTPND的D5位置1，另外还要通过查询EINTPEND来进一步确定是否是中断9，来于网络控制芯片的中断，网络控制芯片如果发生中断，EINTPEND9位会置IO需要注意的是在中断服务程序里需要对SRCPND,INTPND,EINTPEND寄存器的中断发生位通过写“1”来清“O“IFR1NTPNDRINTPNDBITESEINT823IFREINTPEND/CS8900A的中断服务程序第4章嵌入式网络控制器软件设计与实现S3C2410是通过读取CS8900的ISQ寄存器来确定中断类型，当ISQ的低6位分别为0X04OXO8等值时表示发生了接收RXEVENT、发送等事件TXEVENT，中断事件产生值被映射到ISQ的高10位，故在CS8900A的中断服务程序CS8900ASEISR里先判断中断发生原因，再进一步判断该类事件产生的确切事件，并且进行相应的中断事件处理。当CS8900A初始化完毕，即可把中断打开，可以正式接收和发送数据了。在中断服务程序里如果发生了接收事件，通过ISQ高10位确定RXOK是否置位，若非可能出现了接收数据长小于64BYTERUNT,CRC错误CRCERROR、接收数据大于1518BYTEEXTRADATA等错误，为避免CS8900A因为接收数据错误而被挂起，应该在RXCFG的SKIP_LD6写1，并退出接收程序。如果接收RXOK置位，表示可以接收数据了。接收数据的方法是从RXLENGTH读取接收数据长，UO操作方式下根据数据长度反复从I/0读写基址偏移地址为OX00PORTO或OXO2PORTL处把接收数据读出来。另外，