李鵬，廖曉波

(西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621010)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及應(yīng)用，給網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來很大的發(fā)展空間，使得基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為可能。然后實(shí)驗(yàn)設(shè)備的通信接口千差萬別，如何將設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)共享，成為一個(gè)亟待解決的重要問題。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本框圖如圖1 所示。其總體結(jié)構(gòu)分為3 層:上層是用戶層，用戶通過上位機(jī)軟件對(duì)下位機(jī)的設(shè)備進(jìn)行操作;中間是網(wǎng)絡(luò)層，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換傳送;下層是設(shè)備層，接收上層用戶的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。其中處于通信層的通信網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)接受實(shí)驗(yàn)者的控制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)以各種近距離的通信方式發(fā)送給相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

圖1 遠(yuǎn)程過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

將嵌入式系統(tǒng)和Internet 連接起來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交換和控制的本質(zhì)是嵌入式系統(tǒng)本身能夠?qū)崿F(xiàn)TCP/IP 通信協(xié)議。實(shí)現(xiàn)該方案總體上有兩種方法［1－2］:第一種方法是直接在嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP，使之直接連接上Internet，這種方法通過軟件來構(gòu)建TCP/IP 等以太網(wǎng)協(xié)議，軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，工作量大，且該方案需要耗費(fèi)很多的系統(tǒng)內(nèi)存和系統(tǒng)MCU 的計(jì)算時(shí)間。第二類方案是直接由硬件來實(shí)現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議，MCU 只需要通過一定的通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給該以太網(wǎng)硬件設(shè)備，由該硬件設(shè)備完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，該方案結(jié)構(gòu)簡單，需要存儲(chǔ)內(nèi)存和占用CPU的時(shí)間少。

文中采用STM32 32 位ARM 處理器［3］來設(shè)計(jì)該通信網(wǎng)關(guān)，該處理器具有速度快、容量大、性能穩(wěn)定、在線調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，W5100 是WIZNETT 公司推出的最先的固件網(wǎng)絡(luò)芯片［4］，該芯片集成了10/100 Mb/s 以太網(wǎng)控制器，最高傳輸速度為25 Mb/s，硬件化了TCP/IP 協(xié)議、以太網(wǎng)MAC 和PHY三種功能于一體。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 通信網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)框圖

以太網(wǎng)通信網(wǎng)關(guān)主要功能是完成數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，它將以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過工業(yè)485 總線或者短距離無線通信方式發(fā)送給設(shè)備控制端［5］。其中485 通信模塊是通過UART 連接485 芯片轉(zhuǎn)換成485 總線數(shù)據(jù)，無線傳輸模塊是通過藍(lán)牙串口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其主要的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，主要由以太網(wǎng)模塊、485 總線接口、短距離無線通信接口幾部分組成。

圖2 嵌入式網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 W5100 的接口原理圖

W5100 芯片是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，其內(nèi)部集成了10/100 Mb/s 以太網(wǎng)控制器，可支持自動(dòng)應(yīng)帶(全雙工/半雙工模式)，主要用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)。它支持以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)，其硬件TCP/IP 協(xié)議可以支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、IPV4、ARP、PPPoE 和IGMP。支持4 個(gè)獨(dú)立的端口通信，其內(nèi)部具有16 kB 字節(jié)的發(fā)送和接收緩沖區(qū)。其和MCU 的接口有SPI 接口和總線接口［6］。圖3 為W5100 和STM32103 采用SPI 接口的接口電路圖。

圖3 W5100 電路接口原理圖

1.3 多串口模塊和MCU 的接口

由于當(dāng)前很多設(shè)備都配置有 UART 串口，STM32103 自身共有3 個(gè)串口，一個(gè)作為485 總線的擴(kuò)展，一個(gè)作為串口藍(lán)牙模塊的接口。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對(duì)更多的串口設(shè)備數(shù)據(jù)收發(fā)控制，利用SMT32 的串口0 對(duì)串口進(jìn)行了擴(kuò)展，設(shè)計(jì)中采用串口擴(kuò)展芯片GM8123。GM8123 可以將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過外部引腳控制串口，擴(kuò)展模式為單通道工作模式和多通道工作模式，即可以指定一個(gè)子串口和母串口以相同的波特率單一地工作，也可以讓所有子串口在母串口波特率基礎(chǔ)上分頻同時(shí)工作［7］。網(wǎng)關(guān)串口擴(kuò)展接口圖見圖4。

圖4 網(wǎng)關(guān)串口擴(kuò)展接口原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 操作系統(tǒng)任務(wù)分配

在UCOSII 操作系統(tǒng)下，根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)需求，系統(tǒng)主要建立了8 個(gè)進(jìn)程，其依次為:串口數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程、W5100socket0～socket3 四個(gè)進(jìn)程、鍵盤處理進(jìn)程、LCD 顯示進(jìn)程、空閑進(jìn)程。其中串口接收處理任務(wù)和W5100 接收處理任務(wù)相對(duì)緊急，因此其優(yōu)先級(jí)最高，其次是串口數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)和W5100 發(fā)送任務(wù)優(yōu)先級(jí)高，剩余的任務(wù)優(yōu)先級(jí)相對(duì)較低。

2.2 多串口中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

在UCOSII 操作系統(tǒng)下，由于STM32103 自身共有3 個(gè)串口，再加上擴(kuò)展的串口，一共串口個(gè)數(shù)可以達(dá)到5 個(gè)，然而W5100 一共有4 個(gè)SOCKET，這樣一共可以建立4 個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)到串口的獨(dú)立通道。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，在系統(tǒng)內(nèi)存中分配了4 串口的緩沖區(qū)rcvuartbuf，用來接收串口收到的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4 個(gè)信號(hào)量，Rcvuartsem1-Rcvuartsem4。具體流程如圖5 所示。

圖5 多串口中斷處理流程圖

2.3 串口發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)

在串口數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)中，由于串口是互斥設(shè)備，因此每次請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送前需申請(qǐng)占用，請(qǐng)求UartSem;如果請(qǐng)求到，則申請(qǐng)消息郵箱;如果申請(qǐng)到，說明系統(tǒng)需要利用串口來發(fā)送數(shù)據(jù)，然后打開信箱內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)容判斷要將哪個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)往哪個(gè)子串口;然后根據(jù)GM8123 設(shè)置其地址引腳，將數(shù)據(jù)發(fā)往不同的子串口。其具體流程圖如下:串口接收處理數(shù)據(jù)任務(wù)主要是接收串口設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成SOCKET 發(fā)送出去，其流程圖如圖6 所示。

圖6 串口發(fā)送任務(wù)流程圖

2.4 W5100 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

W5100 共有4 個(gè)SOCKET，內(nèi)部一共有16 kB 的緩沖區(qū)，在其工作之前必須先對(duì)其進(jìn)行地址設(shè)置、內(nèi)存分配等操作;同時(shí)，W5100 每個(gè)SOCKET 可以有兩種模式，TCP 和UDP，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用要求，可以設(shè)置SOCKET 的操作模式;同時(shí)W5100 可以設(shè)置是客戶端模式還是服務(wù)器模式［8］，在此設(shè)計(jì)為服務(wù)器模式。在系統(tǒng)初始化之后，需要進(jìn)行SOCKET 的設(shè)置。其初始化流程圖如圖7 所示。

圖7 W5100 初始化流程圖

其中配置發(fā)送和接收緩沖區(qū)大小可以根據(jù)串口連接設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行配置，以滿足應(yīng)用要求。

2.5 W5100 接收數(shù)據(jù)中斷服務(wù)程序

W5100 的每個(gè)SOCKET 接收數(shù)據(jù)完成之后，將解包后的數(shù)據(jù)放入接收緩沖區(qū)之后，產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)根據(jù)W5100 的狀態(tài)寄存器查看，可以查出是哪個(gè)SOCKET 接收到了數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)的處理流程圖如圖8 所示。

圖8 W5100 中斷處理流程圖

2.6 W5100 接收數(shù)據(jù)處理任務(wù)

W5100 接收數(shù)據(jù)處理任務(wù)流程圖見圖9。

圖9 W5100 接收數(shù)據(jù)處理任務(wù)流程圖

2.7 W5100 發(fā)送數(shù)據(jù)處理任務(wù)

W5100 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖見圖10。

圖10 W5100 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

3 結(jié)論

針對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換的問題，設(shè)計(jì)了一種可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)。從硬件和軟件兩個(gè)方面對(duì)通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了在嵌入式操作系統(tǒng)UCOSII 下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。該設(shè)計(jì)在相關(guān)設(shè)計(jì)中具有一定的借鑒意義。

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