基于ARM的嵌入式网络化远程测控系统的设计-浏览网订杂志杂志

基于ARM的嵌入式网络化远程测控系统的设计贺苗苗贺苗苗：男，1983.6.出生，汉族，籍贯：陕西汉中，西安科技大学在读硕士研究生，通讯地址：西安科技大学机械工程学院，邮编：710054电话胜利贺苗苗：男，1983.6.出生，汉族，籍贯：陕西汉中，西安科技大学在读硕士研究生，通讯地址：西安科技大学机械工程学院，邮编：710054电话胜利：男,1962.10出生，副教授，回族，籍贯：西安市，通讯地址：西安科技大学机械工程学院，邮编：710054（西安科技大学机械工程学院，西安710054）摘要：主要介绍嵌入式系统在工业控制领域的设计开发以及μC/OS-II实时操作系统在工业测控中的应用。以三星ARM芯片（S3C44B0X）为例，实现TCP/IP模式的网络化远程测控系统。关键词：嵌入式；远程测控；μC/OS-II；TCP/IPDesignofEmbeddedLongDistanceNetworkTesting&ControlingSystemBasedonARMHEMiaomiaoMAShengli(SchoolofMechanicalEngineering,Xianuniversityofscience&technology,Xian710054,China)Abstract:ThedesignanddevelopmentofEmbeddedsysteminindustrialcontrolfieldandtheconcreteapplicationofEmbeddedμC/OS-IIOSinTesting&Controlingsystemareintroducedprimarilyinthepresentpaper,withtheexampleofARMchipofSamsung(S3C44B0X),thelongdistancetesting&controlingsystemofTCP/IPpatternisrealizedthere.Keywords:Embeddedsystem;LongDistanceTesting&Controlingsystem;μC/OS-IIOS;TCP/IP引言 嵌入式系统是指嵌入到各种产品或工程应用中的、以微处理器或微控制器为核心的软硬件系统。随着工业以太网技术的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术。利用嵌入式软、硬件可以实现单片机系统上的以太网技术，即嵌入式以太网。嵌入式以太网实现了对现场的网络化远程测控，改变了传统的测控模式，在工业控制领域已经得到广泛的应用。嵌入式网络服务器离不开操作系统，嵌入式操作系统具有结构小巧、实时性强、稳定性高等特点。其中源代码开放的嵌入式μC/OS-II实时操作系统在工业测控领域得到普遍应用。TCP/IP(通常它是指传输控制协议/网际协议，TransmissionControlProtocol/Internetprotocol)是发展至今最成功的通信协议，它被用于当今所构筑的最大的开放式网络系统Internet之上就是其成功的证明。采用TCP/IP以太网协议实现网络化测控技术是一种先进、节约、极方便的面向现场级控制设备的新技术。S3C44B0X微处理器是三星公司一款低端ARM处理器,采用ARM7TDMI内核,工作主频在66MHz。集成有丰富的外围单元：8KBCache、外部存储器控制器、2通道UART、4通道DMA、LCD控制器、I2C总线接口、IIS音频接口、SIO接口、5通道PWM输出和一个内部定时器、71个通用I/O口、8个外部中断源、实时时钟RTC、8通道12位ADC等。系统的总体架构 本系统采用S3C44B0X+μC/OS-II来实现网络化远程测控系统。如图1所示，远程测控的实质就是把现场传感器采集到的数据信号（如温度，湿度等）转换为符合TCP/IP以太网协议的信号，使用户可以通过局域网或者Internet终端就可以访问嵌入式系统，并对其进行远程检测和控制。根据具体的需要选择满足要求的A/D、D/A以及传感器，与嵌入式WebServer和Internet来组成一个远程网络化测控系统。多路传感器把采集到的数据通过变换送给WEB（WorldWideWeb文档）服务器，结合当前比较先进的数据融合技术进行数据处理，提高测试精度，最终形成可以识别的有用信息，然后由Internet传给远方的监控中心，监控中心根据现场情况做出判断，发出控制指令，由现场的执行机构来执行指令。通过嵌入式系统，将底层的测控设备与Internet连接起来，真正做到网络化远程测控。这样构建的测控系统可以在工业中得到广泛采用，其中局域网（LAN）实现对设备的本地访问和控制，Internet实现对设备的远程控制。3.ARM与网卡接口芯片的设计系统实现网络直接接入功能的关键是在系统内直接驱动网络控制芯片，本系统采用10MB/s速度的RTL8019AS网络控制芯片，它具有以下优点：10MB/s的数据传输速率对没有大量实时数据的测控场合已经具有很优秀的通信质量；芯片的标准工作电平是DC-5V，与单片机系统完全兼容；芯片遵循ISA总线标准，有8位和16位数据传输2种工作模式，有利于与MCU配合使用，MCU利用部分控制总线、地址总线和数据总线就可直接操作RTL8019AS的内部寄存器，最大限度地简化了驱动电路和驱动程序结构。ARM处理器ARM处理器S3C44B0XDC/DC变压模块放大驱动模块及接口信号反馈通信及接口电源监控模块复位模块网卡接口RJ45交流220V电源转换成支流5V多路传感器执行机构LANInternet监控中心网卡测控现场图1网络化远程测控系统在嵌入式系统中，可以使用RTL8019AS的默认配置和一些管脚作为网卡的初始化方法。这样可以节省配置存储器，减小嵌入式硬件平台的体积。RTL8019支持即插即用和非即插即用模式。在嵌入式系统中，网卡的外设通常是不经常插拔的，所以，为了系统的精简，配置RTL8019为非即插即用模式。有固定的中断，有固定的端口地址，假设端口是0x300（这里的端口是相对于ISA总线来说的端口，对于ARM的总线，需要重新计算地址）。这些配置可以通过RTL8019的外部管脚，在系统上电复位的时候，自动配置起来。RJ45接口网卡隔离变压器10MRJ45接口网卡隔离变压器10M网络控制芯片（RTL8019AS）嵌入式处理器（S3C44B0X）图2S3C44B0X处理器和RTL8019AS的连接结构图S3C44B0X嵌入式处理器和RTL8019AS的连接结构如图2所示。RTL8019AS通过总线和S3C44B0X处理器相连。中断也通过S3C44B0X的外部中断接管。在网络测控系统中，只需要配置发送数据的物理层地址的源地址、目的地址、数据包类型以及发送的数据就可以了。RTL8019AS的初始化程序中已经设置好了接收缓冲区的位置，并且配置好了中断的模式。当由正确的数据包到达时，RTL8019AS产生一个中断信号，在ARM中断处理程序中接收数据。数据的接收是通过远端的DMA把数据从RTL8019AS的RAM空间读回ARM中处理。4.多任务操作系统的移植和嵌入式WEB服务器μC/OS-Ⅱ的大部分源代码是用C语言写成的,仍需要C语言和汇编语言完成一些与处理器相关的代码。μC/OS-Ⅱ的结构以及它与硬件的关系如图3所示。移植工作包括以下几个内容：用#define设置一些常量的值（OS_CPU.h）；声明10个数据类型(OS_CPU.H)；用#define声明三个宏(OS_CPU.H)；用C语言编写六个简单的函数(OS_CPU_C.H)；编写四个汇编语言函数(OS_CPU_A.ASM)。嵌入式WEB服务器（EmbeddedWebServer，EWS）是指将Web服务器引入到现场测试和控制设备中，在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的测试和控制设备转变为具备了以TCP/IP为底层通信协议，Web技术为核心的基于Internet的网络化测控设备。EWS系统与传统的Web应用相比，简化了系统的结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的测控设备中，由于有了标准的接口形式和通信协议，内嵌于设备的Web服务器可以向任何接入它所在网络的合法用户提供统一的基于浏览器方式的操作和控制界面，浏览器成了设备的前端控制板。应用程序软件应用程序软件μC/OS-Ⅱ（与处理器无关代码）OS_CORE.CuCOSⅡ.COS_MBOX.CuCOSⅡ.COS_MEM.COS_Q.COS_SEM.COS_TASK.COS_TIME.CμC/OS-Ⅱ设置（与应用相关代码）OS_CFG.HINCLUDE.HμC/OS-Ⅱ移植（与处理器相关代码）OS_CPU.HOS_CPU_A.ASMOS_CPU_C.C软件硬件CUPCLOCK图3μ//OS-Ⅱ的结构与硬件的关系图5.TCP/IP协议的实现嵌入式系统与Internet通讯的关键技术是如何实现TCP/IP协议,但TCP/IP协议族中的协议数量庞大,而嵌入式系统的资源有限。因此,合理对TCP/IP协议族进行裁减更具意义。这样,在嵌入式系统中就不要求实现所有的TCP/IP协议,而只需实现TCP/IP族的一个子集即可。TCP/IP协议是一个四层协议系统,每一层都有相应的协议集合来实现不同的功能,其层次结构和主要的网络协议与嵌入式TCP/IP协议的对应关系如图4所示。TCP/IP协议嵌入式TCP/IP协议应用层简单实现传输层根据MCU的特点，选者合适的协议实现网络层网络接口层控制芯片和驱动电路完成图4TCP/IP协议与嵌入式TCP/IP协议的对应关系图应用层协议是TCP/IP协议族中最大的一个子集，其种类非常繁多。最常用的有Telnet(远程登录协议)、FTP(文件传输协议)、SMTP(简单邮件传送协议)、SNMP(简单网络管理协议)、HTTP(超文本传输协议)等。由于嵌入式系统没有一个多任务的操作系统，而且又是直接面对硬件，所以，嵌入式TCP/IP协议在应用层上的要求十分简单。传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层有两种不相同的传输协议：TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。TCP为两台主机提供面向连接的、可靠的、无重复的双向数据流传输服务，TCP协议设计了严格的握手过程以及应答过程。这些过程的实现对系统资源的耗费非常大。为了减少系统资源的消耗，设计时可采用两种方法，一种是不采用TCP协议，而采用基于ICMP（Internet控制消息协议）协议扩展的专用控制协议。另一种方法是对TCP协议进行一定的简化处理。TCP协议的简化应该遵循两个原则，一是不能改变其面向连接的特性，二是其简化必须能配合其应用层所采用协议。网络层最重要的协议是IP（网际协议），IP的工作是将一个以上的报文处理网络联成一个网际网。IP的基本任务是通过网际网传送数据包，各个IP数据包之间是相互独立的。主机上的IP层主要通过数据链路层的服务向传输层提供服务。IP从源运输实体取得数据，通过它的数据链路层服务传给目的主机的IP层。网关通过下一网络数据包传到目的主机或下一网关。所以,在本嵌入式系统中，Internet需要在不同的网络上进行通信,就必须要实现IP协议。嵌入式Internet要通过以太网络接入Internet，就必须实现以太网协议的要求。以太网是采用MAC（媒体访问控制子层）地址来识别传输的数据的，所以需要实现IP地址到MAC地址的转换，即地址解析。由于嵌入式系统资源有限，可使用以太网广播帧发送数据分组，这样就可以不用实现ARP（地址解析协议）请求协议和IP地址到MAC地址的映射对。软件部分要能实现应用层上负责Web页面请求和应答的HTTP协议；并在传输层上实现数据可靠传输的TCP协议，以有效保证数据的传输；在网络层上实现数据传输的IP协议，对收到的IP数据包进行分组，并交给上层协议处理；同时对来自传输层的报文进行IP封装，然后交给网络接口层装帧发送，同时实现32位IP地址到48位网卡地址转换的地址解析协议，以满足网络上主机对嵌入式MCU的IP地址解析需求。6.结语嵌入式系统接入Internet互连网是嵌入式技术发展的必然趋势。本文阐述了基于ARM的嵌入式远程网络化测控的实现方案，同时针对目前情况，结合流行的ARM微处理器，采用S3C44B0X+μC/OS-II来实现网络化远程测控，提出了嵌入式TCP/IP协议设计的具体