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    基于SEP3203的嵌入式以太網口的設計

    2022-01-08 09:57:50

    基于SEP3203的嵌入式以太網口的設計


    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串口以太網轉換器的以太網接口的軟硬件設計方法,它可以變傳統(tǒng)的串口通訊為網絡通訊,實現(xiàn)串口設備的快速聯(lián)網。

    關鍵詞 串口;以太網口;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)。隨著以太網在工業(yè)、商業(yè)領域的大規(guī)模使用以及網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濟也不可行的。針對一些實際需求,采用串口以太網轉換器就是解決這些問題的解決方案。本課題串口以太網轉換器正是在這一要求下設計出來的產品, 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串口以太網轉換器中與以太網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和以太網口下載等功能,由于本文只針對以太網口,其它兩個接口本文不作介紹。以太網口與嵌入式芯片之間要有一個網絡模塊,現(xiàn)把與以太網口相關電路結構的部分設計顯示如圖1所示。


    4 網絡接口電路的硬件設計

    SEP3203芯片內部沒有集成網絡模塊,但SEP3203芯片設計的接口豐富,可以方便地擴展??紤]使用中可能對網速的要求比較高,因此本系統(tǒng)選用了10M的以太網接口。本系統(tǒng)的網絡接口采用REALTEK公司的RTL8019芯片。RTL8019AS 是一種高度集成的以太網芯片,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 后釋放內存以供系統(tǒng)其他程序的運行。網絡接口模塊的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。


    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,內核規(guī)模非常小。Nucleus PLUS除提供功能強大的內核操作系統(tǒng)外,還提供種類豐富的功能模塊。例如用于通訊系統(tǒng)的局域和廣域網絡模塊,支持圖形應用的實時化Windows模塊,支持nternet網的WEB產品模塊,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  網絡接口通信的設計

    網絡接口的硬件將網絡上傳送來的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)內存中,并通知操作系統(tǒng)有網絡數(shù)據(jù)到達。通常,網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用NETI_Init()完成的。NETI_Init()完成兩個工作,首先是對網絡協(xié)議棧的初始化[5], 然后就對系統(tǒng)所使用的網絡設備進行初始化。

    網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,調用taskmain()。②taskmain()調用sys_ini()對系統(tǒng)初始化,調hardware_ini()對硬件初始化;調用vcre_tsk()創(chuàng)建了6個任務,調用stak_tske()將部分任務放入就緒隊列,調用sys_sta()啟動系統(tǒng)。③通過系統(tǒng)調度開啟任


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