摘要　在自動化控制及其他民用設備、工業(yè)控制如電力設備系統(tǒng)等領域，眾多設備的對外通訊接口仍然是低速串口。但低速串口有其固有的缺點：無法集中、全面、準確而實時地監(jiān)控數(shù)據(jù)。本文介紹基于微處理器SEP3203串口以太網(wǎng)轉換器的以太網(wǎng)接口的軟硬件設計方法，它可以變傳統(tǒng)的串口通訊為網(wǎng)絡通訊，實現(xiàn)串口設備的快速聯(lián)網(wǎng)。
關鍵詞　串口；以太網(wǎng)口；SEP3203；Nucleus

1         引言

在自動化控制及其他民用設備、工業(yè)控制如電力設備系統(tǒng)等領域，眾多設備的對外通訊接口仍然是低速串口。因此現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點是：無法集中、全面、準確而實時地監(jiān)控數(shù)據(jù)。隨著以太網(wǎng)在工業(yè)、商業(yè)領域的大規(guī)模使用以及網(wǎng)絡自動化強勁勢頭的到來，用戶與供應商迫切需要在任何時間和任何地點都可以實時訪問數(shù)據(jù)和進行控制，做到遠程快速故障分析與處理、設備的遠程維護，以便提高質(zhì)量，提高工作效率并降低整體成本。完全換掉這些串口通訊的設備是既不經(jīng)濟也不可行的。針對一些實際需求，采用串口以太網(wǎng)轉換器就是解決這些問題的最佳解決方案。本課題串口以太網(wǎng)轉換器正是在這一要求下設計出來的產(chǎn)品, 本文就是本課題下的子課題部分。

2         基于ARM7TDMI的SEP3203微處理器簡介

ARM7TDMI處理器是ARM7處理器系列成員之一，是目前應用較廣的32位高性能嵌入式RISC處理器，SEP3203^[1]是東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術研究中心基于ARM7TDMI處理器內(nèi)核設計的16/32位RISC微處理器芯片。它面向低成本手持設備和其它通用嵌入式設備，為用戶提供了豐富的外設、低功耗管理和低成本的外存配置。

３　串口以太網(wǎng)轉換器中與以太網(wǎng)接口相關的電路結構

為了實現(xiàn)該轉換模塊的研究，首先要選擇一個硬件平臺即嵌入式處理器。由于ARM是

基于精簡指令系統(tǒng)（RISC）的32位內(nèi)核，代碼效率高，運行速度快，綜合性能強，在基于ARM體系結構的嵌入式CPU中，基于ARM7TDMI體系結構的SEP3203嵌入式微處理器擁有較好的技術支持，因此本轉換器選擇SEP3203作為硬件平臺；轉換系統(tǒng)必須要有電源，供整個系統(tǒng)用；系統(tǒng)工作時需要有工作時鐘，因此本系統(tǒng)需要有時鐘電路；由于用戶需要的轉換器要有串口、USB和以太網(wǎng)口下載等功能，由于本文只針對以太網(wǎng)口，其它兩個接口本文不作介紹。以太網(wǎng)口與嵌入式芯片之間要有一個網(wǎng)絡模塊，現(xiàn)把與以太網(wǎng)口相關電路結構的部分設計顯示如圖1所示。

圖1  以太網(wǎng)接口部分的相關電路結構

4　網(wǎng)絡接口電路的硬件設計

SEP3203芯片內(nèi)部沒有集成網(wǎng)絡模塊，但SEP3203芯片設計的接口豐富，可以方便地擴展?？紤]使用中可能對網(wǎng)速的要求比較高，因此本系統(tǒng)選用了10M的以太網(wǎng)接口。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口采用REALTEK公司的RTL8019芯片。RTL8019AS 是一種高度集成的以太網(wǎng)芯片，能簡單的實現(xiàn)Plug and Play 并兼容NE2000。由于它擁有三種等級的掉電模式，所以它是綠色電腦的網(wǎng)絡設備的理想選擇。在全雙工模式下，如果是連接到一個同樣是全雙工的交換機或集線器，就可實現(xiàn)同時接收和發(fā)送^[2]。

RTL8019AS支持16KByte、32KByte、64KByte的BROM，另外還支持FLASH MENORY和頁訪問方式，最大支持4MByte（16K×256），此外還支持在運行完BROM 后釋放內(nèi)存以供系統(tǒng)其他程序的運行。網(wǎng)絡接口模塊的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。

圖2　以太網(wǎng)接口系統(tǒng)連接圖           　　　

圖3  RJ45網(wǎng)絡接口電路圖 

由圖2可知，以太網(wǎng)接口通過系統(tǒng)總線外擴而成。RTL8019AS的地址使用方式有5位、8位、11位三種。使用5位地址就可以訪問RTL8019AS所有的寄存器，實現(xiàn)最簡單的網(wǎng)絡功能。本系統(tǒng)使用8位地址滿足了操作系統(tǒng)對遠程DMA端口的需求。

網(wǎng)絡接口模塊和SEP3203微處理器的連接線比較簡單，在PCB板上布線比較規(guī)則。網(wǎng)絡接口芯片RTL8019的實際電路連接圖見參考文獻[3]。網(wǎng)口選用了內(nèi)置變壓及指示燈的RJ45網(wǎng)絡接口，實際電路圖如圖3^[4]所示， 對比SEP3203微處理器的SRAM接口協(xié)議，由于總線沒有等待信號，所以沒有使用IOCHRDY信號。由于SEP3203微處理器總線的最低數(shù)據(jù)位寬是16位，所以IOCS16B固定置于16位方式。

5　軟件平臺Nucleus

綜合考慮各個因素，我們選擇了嵌入式實時操作系統(tǒng)Nucleus。Nucleus PLUS是美國著名RTOS廠商(ATI)(Accelerated  Technology Inc)公司為實時嵌入式應用而設計的一個搶先式多任務操作系統(tǒng)內(nèi)核，其95％的代碼是用ANSI C寫成的，非常便于移植并支持大多數(shù)類型的處理器。Nucleus PLUS是一組C函數(shù)庫，下載到目標板的RAM中或直接燒錄到到目標板的ROM中執(zhí)行。在典型的目標環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼一般不超過20K字節(jié)大小，內(nèi)核規(guī)模非常小。Nucleus PLUS除提供功能強大的內(nèi)核操作系統(tǒng)外，還提供種類豐富的功能模塊。例如用于通訊系統(tǒng)的局域和廣域網(wǎng)絡模塊，支持圖形應用的實時化Windows模塊，支持nternet網(wǎng)的WEB產(chǎn)品模塊，工控機實時BIOS模塊，圖形化用戶接口，以及應用軟件性能分析模塊等，用戶可以根據(jù)自己的應用來選擇不同的應用模塊。

6  網(wǎng)絡接口通信的設計

網(wǎng)絡接口的硬件將網(wǎng)絡上傳送來的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)內(nèi)存中，并通知操作系統(tǒng)有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到達。通常，網(wǎng)絡接口使用中斷機制來完成這一任務，一個中斷時處理器將正常的處理掛起，跳轉到設備驅動程序的代碼段執(zhí)行。此時，由設備驅動程序管理所有細節(jié)。設備驅動軟件通知協(xié)議棧已經(jīng)有一個分組到達，并要求進行相應的處理。當設備驅動軟件完成這些繁瑣的處理工作后，他將從中斷返回，處理器繼續(xù)從中斷發(fā)生處往下執(zhí)行。在本協(xié)議棧中，設備驅動程序對上層應用屏蔽了接收和發(fā)送的細節(jié)。用戶只需要調(diào)用相應的套接字即可以完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。比如用戶要使用非阻塞方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，可以使用Select()，在Select 的timeout 參數(shù)選擇NO_PREEMPT，即可以非阻塞方式接收發(fā)送。在本TCP/IP 實現(xiàn)中，協(xié)議棧初始化是依靠調(diào)用NETI_Init（）完成的。NETI_Init()完成兩個工作，首先是對網(wǎng)絡協(xié)議棧的初始化^[5]， 然后就對系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡設備進行初始化。

網(wǎng)絡接口通信模塊的流程圖如圖4^[1]所示。

流程說明：①程序由Main()函數(shù)開始，調(diào)用taskmain()。②taskmain()調(diào)用sys_ini()對系統(tǒng)初始化，調(diào)hardware_ini()對硬件初始化；調(diào)用vcre_tsk()創(chuàng)建了6個任務,調(diào)用stak_tske()將部分任務放入就緒隊列，調(diào)用sys_sta()啟動系統(tǒng)。③通過系統(tǒng)調(diào)度開啟任

   　　　　　　　　　　　　　

圖4　網(wǎng)絡接口通信流程圖

務demo_main。④函數(shù)demo_main()調(diào)用ne2000_task()開始測試過程。⑤ne2000_task()的

主要功能是：調(diào)用Neti_Init()對網(wǎng)絡設備進行初始化；調(diào)用Nu_add_Route()將缺省網(wǎng)關、

子網(wǎng)掩碼、目標ip添加進路由表；調(diào)用Nu_socket()創(chuàng)建一個sockets；建立sever端的地址信息數(shù)據(jù)結構；調(diào)用 Nu_connect()向sever發(fā)送建立連接的請求，若sever返回確認則連接成功；調(diào)用Nu_send()/Nu_receive()發(fā)送/接收數(shù)據(jù)；傳輸完畢調(diào)用Nu_close_socket關閉socket連接，并調(diào)用Nu_sleep()掛起n個周期。

7　系統(tǒng)測試

　　在PC端運行串口調(diào)試助手，該軟件可從網(wǎng)上免費獲得，軟件運行后根據(jù)實際運行環(huán)境進行設置。經(jīng)測試，模塊轉發(fā)數(shù)據(jù)正常。

8  結論與展望

串口由于其易用性、可靠性及相對于工控設備而言足夠高的通信能力而長盛不衰，而串口設備實現(xiàn)遠程控制及數(shù)據(jù)共享也是大勢所趨。因此，串口以太網(wǎng)轉換器的開發(fā)是有現(xiàn)實意義和社會經(jīng)濟價值的。本課題的目的是實現(xiàn)串行接口的儀器接入網(wǎng)絡使得儀器的使用網(wǎng)絡化。為此本課題介紹了該轉換器以太網(wǎng)口的硬件設計和軟件編程實現(xiàn)，并且設計了整機。

因為微處理器對于各種電器設備有良好的接入和控制能力，所以我們實現(xiàn)了微處理器的網(wǎng)絡接入功能后，就在電器的硬件設備和網(wǎng)絡之間建起了一道橋梁，通過它可以實現(xiàn)對各種實時信號儀器儀表家用設施等目標的遠程監(jiān)視。在宏觀上，對各種設備統(tǒng)一管理實現(xiàn)人與系統(tǒng)的和諧的交互，這必將大大提高工作效率，改善工作環(huán)境提升人們的生產(chǎn)生活水平。

本文作者創(chuàng)新點：①本系統(tǒng)采用ARM作為該系統(tǒng)的核心處理器，替代過去低檔CPU,嵌入式實時操作系統(tǒng)可移植到該系統(tǒng)硬件平臺。②本轉換器提供RS232/RS485口到TCP/IP以太網(wǎng)口協(xié)議雙向轉換傳輸，變傳統(tǒng)的串口通訊為網(wǎng)絡通訊，實現(xiàn)串口設備的快速聯(lián)網(wǎng)。采用透明傳輸方式，用戶不用了解復雜的TCP/IP 協(xié)議，甚至不用更改程序即可實現(xiàn)原有串口設備的網(wǎng)絡連接。

參　考　文　獻

[1]時龍興,凌明,王學香,鐘銳.嵌入式系統(tǒng)――基于SEP3203微處理器的應用開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]徐金波.基于SEP3203微處理器的信息終端的應用研究.[碩士學位論文].東南大學.2006.

[3]REALTEK SEMI-CONDUCTOR CO, LTD.. Full-Duplex Ethernet Controller RTL8019AS Publication release date: August 20,2000

[4] http://www.prochip.com.cn/manage/file/GD01DataSheet .pdf

[5]呂昌泰,羅永剛.嵌入式以太網(wǎng)接口的研究與設計.微計算機信息[J].2006(8-2):68-70.