蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 張小磊 戈 磊

蘭州鐵路公安局公安處網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)察科 馬亞洲

1.引言

在實(shí)際應(yīng)用中，串口通信和以太網(wǎng)通信作為兩個(gè)重要的通信手段是嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)之間通信的重要橋梁[1]。串行通信是一種可以將來自CPU的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，同時(shí)可將接受的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU的通信方式。串口通信具有點(diǎn)對點(diǎn)通信、通信協(xié)議可由通信雙方統(tǒng)一約定，操作靈活等特點(diǎn)。以太網(wǎng)通信原指基帶局域網(wǎng)通信。1982年以太網(wǎng)通信協(xié)議被IEEE采納成為局域網(wǎng)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，之后又相繼戰(zhàn)勝了令牌總線、令牌環(huán)等技術(shù)，成為了局域網(wǎng)通信的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)通信接入采用異步工作方式，很適于處理IP突發(fā)數(shù)據(jù)流，同時(shí)又具有LAN交換、星形布線、大容量MAC地址存儲(chǔ)以及管理性等重要技術(shù)[2]。因此基于PC104將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到以太網(wǎng)網(wǎng)口進(jìn)行發(fā)送可以做到兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，大大提高數(shù)據(jù)通信的可靠性和靈活度。

2.總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析

本文基于PCM-3466嵌入式硬件平臺(tái)。其主頻高，內(nèi)置以太網(wǎng)，串口多，功耗低等特點(diǎn)極大地滿足了本系統(tǒng)的硬件需要。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。由于系統(tǒng)的資源有限，所以系統(tǒng)只是把TCP/IP的核心部分移植到核心處理器中，其它不需要的部分全部舍棄。軟件主要分為四層[3]：

(1)以太網(wǎng)物理層，完成對以太網(wǎng)控制器的驅(qū)動(dòng)。

(2)以太網(wǎng)接口層，通過ARP協(xié)議完成以太網(wǎng)卡MAC的辯識(shí)。

(3)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層，即完成最基本的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，包括IP、ICMP等協(xié)議。其中IP協(xié)議是一個(gè)很重要的協(xié)議，它類似于交通工具，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡亍?/p>

(4)網(wǎng)絡(luò)傳輸層，目前主要包括TCP、UDP、DNS協(xié)議。TCP協(xié)議(傳輸控制協(xié)議)是應(yīng)用最廣泛的一種傳輸協(xié)議，它好比是交通指揮系統(tǒng)，讓網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進(jìn)行傳輸。TCP為兩臺(tái)主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。

2.2 上位機(jī)與下位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)

圖1 PCM-3466實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的硬件原理圖

在上位機(jī)即計(jì)算機(jī)上編好程序，生成exe格式的可執(zhí)行文件，通過串口下載到下位機(jī)中，修改下位機(jī)的配置文件使可執(zhí)行文件在下位機(jī)上電時(shí)即可自動(dòng)運(yùn)行。下位機(jī)與上位機(jī)之間同時(shí)通過以太網(wǎng)連接，下位機(jī)將傳感器傳到串口的數(shù)據(jù)信息通過以太網(wǎng)傳給上位機(jī)同時(shí)將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在外擴(kuò)存儲(chǔ)器中。

3.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的硬件實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)采集過程中，要實(shí)現(xiàn)串口與網(wǎng)口穩(wěn)定的實(shí)時(shí)通信，選擇一款合適的硬件平臺(tái)是十分重要的，本文基于PCM-3466嵌入式硬件平臺(tái)。PCM-3466是一款性價(jià)比極高，尺寸極其緊湊的嵌入式控制模塊，在通信、工控、電氣及其自動(dòng)化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[4]。PCM-3466具有16位高性能處理器，該處理器內(nèi)部為32位RISC架構(gòu)主頻高達(dá)100MHz，內(nèi)置了10/100M高速以太網(wǎng)接口、四個(gè)串口和標(biāo)準(zhǔn)IDE接口。PCM-3466的這些特點(diǎn)為網(wǎng)口與串口的實(shí)時(shí)通信提供了可靠地保證?；赑CM-3466實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的硬件原理圖如圖1所示。

通過如圖1的硬件設(shè)計(jì)即可完成對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信核心硬件部分的設(shè)計(jì)，當(dāng)然作為一個(gè)完整的系統(tǒng)其他外圍電路也是必要的。

4.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 總體軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)主要分為硬件的初始化、各種參數(shù)的初始化、域名解析、連接服務(wù)器(或監(jiān)聽客戶端)、串口與網(wǎng)口數(shù)據(jù)交換等。圖2為本系統(tǒng)整體軟件框架。

4.2 串口數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)

圖2 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)圖

圖3 數(shù)據(jù)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)

由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包為單位發(fā)送的，而串口數(shù)據(jù)是連續(xù)不斷發(fā)送的[5]，因此設(shè)定一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的串口數(shù)據(jù)打包的長度就是串口數(shù)據(jù)通信的重點(diǎn)問題。通常設(shè)定數(shù)據(jù)包長度有兩種辦法，一種是直接設(shè)定數(shù)據(jù)打包長度，另一種是設(shè)定數(shù)據(jù)包間隔。

通常以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包最長1500多字節(jié)，所以在串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)器收到1500字節(jié)后必須將其打包發(fā)送。除了數(shù)據(jù)包長度作為串口分幀的規(guī)則外，一個(gè)更為符合邏輯的方法是通過數(shù)據(jù)包間隔。當(dāng)串口轉(zhuǎn)TCP/IP轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)現(xiàn)的串口數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)了T毫秒的空閑時(shí)間時(shí)，則認(rèn)為之前收到的串口數(shù)據(jù)可以作為一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送了。這里的T就是用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)包間隔。

4.3 網(wǎng)口數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信是指網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和串口數(shù)據(jù)之間的透明轉(zhuǎn)換。但是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)是以字節(jié)Byte計(jì)算的，每個(gè)字節(jié)都是8位[6]，而串口數(shù)據(jù)則有可能出現(xiàn)9位，第9位常常用于區(qū)分是地址幀還是數(shù)據(jù)幀，1表示地址幀0表示數(shù)據(jù)幀。因此在當(dāng)串口轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)之后，如何將第9位也傳送出去就成了一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

在眾多的串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口方案中都是將第9位直接舍棄的，本系統(tǒng)具有快速地適應(yīng)9位的功能，由于增加了第9位，所以串口數(shù)據(jù)不能夠直接透明地轉(zhuǎn)化為TCP IP應(yīng)用層數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)方法是將串口數(shù)據(jù)打包之后整個(gè)作為TCP IP的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸。這樣可以通信協(xié)議頭部加入該數(shù)據(jù)包的9位是1還是0的信息，從而實(shí)現(xiàn)了9位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信。

5.結(jié)果分析

圖3為串口與網(wǎng)口數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)圖，由圖可以看出，本系統(tǒng)在大容量、高速率的串網(wǎng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)阻塞、丟包等現(xiàn)象，與理論設(shè)計(jì)基本一致。

6.結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景。本文介紹的基于PCM-3466的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已在實(shí)際應(yīng)用中取得了成功，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)基于PCM-3466的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有功耗低，體積小，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定，使用方便等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于通信，雷達(dá)，制導(dǎo)等電子系統(tǒng)中。

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