基于嵌入式系統(tǒng)的協(xié)議轉換器

1、基于嵌入式系統(tǒng)的協(xié)議轉換器【摘要】為了將遵循不同協(xié)議的設備接入工業(yè)以太網(wǎng)，通過基于嵌入式系統(tǒng)的協(xié)議轉換器將不同格式的信號轉化成所需信號，使設備和工業(yè)以太網(wǎng)之間能進展快速、透明的通信。通過參加協(xié)議轉化器，簡化了系統(tǒng)的硬件復雜度，進步了系統(tǒng)的集成度，獲得了經濟效益?！娟P鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)；協(xié)議轉換在大型工業(yè)控制系統(tǒng)，軍事和航天系統(tǒng)，智能家居管理系統(tǒng)等較為復雜的系統(tǒng)中，許多情況下系統(tǒng)中存在著大量遵循不同協(xié)議的設備，例如遵循rs232、rs485、udp、tp/ip等協(xié)議的設備共同存在于系統(tǒng)中。多種協(xié)議并存時，要求系統(tǒng)能識別不同的協(xié)議信息，通過控制和處理不同格式的信息實現(xiàn)系統(tǒng)正常工作，這樣就

2、加大了系統(tǒng)軟件和硬件上的復雜度，減緩了系統(tǒng)的響應速度。而近幾年隨著以太網(wǎng)的不斷開展，工業(yè)以太網(wǎng)技術日趨成熟。通過以太網(wǎng)，可以用一條單一網(wǎng)線取代眾多的連接線，系統(tǒng)中的獨立設備和獨立小系統(tǒng)都可以通過這條網(wǎng)線聯(lián)網(wǎng)。并且系統(tǒng)中一旦建立了以太網(wǎng)連接，在以太網(wǎng)能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咨希瑪?shù)據(jù)的傳輸，設備的控制和功能測試就成為一件非常簡單的事情。用戶可以通過終端計算機上的可視化窗口，通過以太網(wǎng)快速簡單的控制整個系統(tǒng)，用戶還可以完全訪問計量數(shù)據(jù)、診斷值，配置參數(shù)和查看故障信息等，通過互聯(lián)網(wǎng)，還可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)共享。它在實際現(xiàn)場工程中還具有的優(yōu)勢就是傳輸間隔 遠，抗干擾才能強，能節(jié)省大量的勞動力和材料本錢等。以

3、太網(wǎng)獲取遵循不同協(xié)議的信息時，必須把其他格式的信息轉化成以太網(wǎng)能識別的協(xié)議格式提供應終端計算機，同時系統(tǒng)還需要把以太網(wǎng)信息轉換成各種設備所能識別的信息格式。為簡化系統(tǒng)連接，實現(xiàn)系統(tǒng)中各局部的獨立性，我們可以通過設計協(xié)議轉換模塊完成此項工作，即利用協(xié)議轉換模塊將系統(tǒng)中不同設備或是小系統(tǒng)獲取的信息快速轉換為所要求的信號形式，即遵循相應的協(xié)議、格式，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給遠程計算機，同時，遠程計算機的控制信息也可以轉化成相應格式的信息傳送給設備。市場上現(xiàn)有的協(xié)議轉換模塊很少，而且大局部基于單片機系統(tǒng)，處理才能有限，速度慢。在唐山華強鋼鐵公司軋鋼車間的設備改造中，我們通過基于嵌入式處理器s34510b的

4、協(xié)議轉換模塊將現(xiàn)場的3路rs485信號，1路rs232信號，1路ii信號，9路i/信號轉換成以太網(wǎng)信號傳送給計算機，同時，將計算機傳來的以太網(wǎng)信息轉化成現(xiàn)場設備所需的信號，控制現(xiàn)場設備。這樣就在終端計算機和現(xiàn)場設備之間建立起了直接的、透明的、簡單的聯(lián)絡。考慮到轉換速度，信息流量、設計難度等因素，我們采用了嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)協(xié)議轉換模塊。主處理器選用三星公司的s34510b，s34510b是一款優(yōu)秀的網(wǎng)絡控制器，內含一個由ar公司設計16/32位ar7tdi?ris處理器核，主頻可達50hz。ar7tdi為低功耗、高性能的16/32核，最合適用于對價格及功耗敏感的應用場合。s34510b內嵌一個以

5、太網(wǎng)控制器，可在半雙工或全雙工形式下提供10/100bps的以太網(wǎng)接入。他的外圍功能模塊還包括：2個uart通道，2個gda通道，18個可編程i/口，ii接口，片內帶有sdra控制器和flash控制器。特別適用于嵌入式以太網(wǎng)應用的集成系統(tǒng)。系統(tǒng)中的電源電路、晶體振蕩器電路、復位電路和jtag接口電路組成了s34510b的根本系統(tǒng)，保證微處理器可靠的工作。在系統(tǒng)的電源電路中，s34510b及局部外圍器件需3.3v電源，另外一局部器件需要5v電源，為簡化系統(tǒng)電源電路的設計，整個系統(tǒng)的輸入電壓為5v直流穩(wěn)壓電源。選用lineartehnlgy公司消費的lt1085t3.3型dd變換器，得到3.3v輸

6、出電壓。在系統(tǒng)中使用了有源晶體振蕩器，根據(jù)s34510b的最高工作頻率及pll電路的工作方式，選擇10hz的有源晶體振蕩器，其頻率經過s34510b內部pll電路倍頻后，到達50hz。選用ip公司消費的ip708tsa型復位電路，它具有1個手動復位輸入引腳和2個復位輸出引腳高電平有效引腳和低電平有效引腳各1個，能實現(xiàn)電路的有效復位。采用14針的jtag接口用于芯片內部測試及對系統(tǒng)進展仿真、調試。作為程序存儲器的flash芯片中要保存btlader程序，linux內核，文件系統(tǒng)，協(xié)議轉換應用程序和一定數(shù)量的記錄信息，結合本錢因素和晉級考慮，采用16b的flash存儲芯片k9f2816u，16b，

7、16位，sasung公司。數(shù)據(jù)存儲器采用2片8、16位的sdra芯片hy57v641620并聯(lián)成32位sdra芯片，用以進步系統(tǒng)處理速度。同時較大容量的數(shù)據(jù)存儲器能存儲更多的臨時數(shù)據(jù)，加速程序的運行。外部的rs232信號經過ax232連接到s34510b的一個uart接口，另一個uart接口通過成都思普科技的uart多串口擴展芯片sp2327dp可擴展為三個uart串口，然后通過rs485芯片與3路rs485信號連接。因為s34510b內嵌一個以太網(wǎng)控制器，所以在該設計中，使用dp9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。d9161是一款低功耗、高性能的s芯片，支持10和100的以太網(wǎng)傳輸，它主要起編碼

8、、譯碼輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用。外部的ii信號和i/信號通過光電隔離器件接入處理器芯片。操作系統(tǒng)采用嵌入式ulinux操作系統(tǒng)，ulinux從linux2.0/2.4內核派生而來，是專門針對沒有u的pu的一個高度優(yōu)化的，代碼緊湊的嵌入式linux，保存了linux的大多數(shù)的優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)良的網(wǎng)絡功能、標準豐富的api等。btlader由izi公司的vivi編譯生成，采用jeffs2文件系統(tǒng)。在ulinux操作系統(tǒng)中，通過vfrk()函數(shù)創(chuàng)立多個進程，主要為tp/ip格式數(shù)據(jù)與其他格式數(shù)據(jù)轉換進程，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)讀寫進程，uart0和uart1讀寫進程，ii數(shù)據(jù)讀寫進程，i/數(shù)據(jù)讀寫進程等。

9、數(shù)據(jù)轉換進程把不同讀寫進程的數(shù)據(jù)讀入，通過自動識別，按要求轉換成相應格式的數(shù)據(jù)，在通過相應的讀寫進程將數(shù)據(jù)傳輸出去。在對各種協(xié)議格式深化理解的根底上，數(shù)據(jù)格式轉換進程的編寫相對簡單，但代碼比擬長。除網(wǎng)絡驅動編寫較為復雜外，其余各個接口的驅動編寫也很簡單，而且網(wǎng)絡上由很多參考范例。網(wǎng)絡應用是處理器s34510b的一大亮點，也是嵌入式系統(tǒng)將來的應用方向之一。在嵌入式ulinux操作系統(tǒng)中，提供了sket套接字的api調用，所以實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議tp/ip在ulinux下變得較為簡單。我們在ip層，實現(xiàn)了internet協(xié)議代碼，通過這些代碼給傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加上一個ip頭，并且把傳入的ip包送給tp協(xié)議。在i

10、p層以下是網(wǎng)絡設備來支持所有的linux網(wǎng)絡工作，不需要我們參與。我們選用流式sket實現(xiàn)tp效勞，sket是一種文件描繪符，具有一個類似文件的函數(shù)調用sket。該函數(shù)返回一個整型的sket描繪符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該sket函數(shù)實現(xiàn)的。ulinux中sket編程中用到的函數(shù)有：1sket函數(shù)：指定期望的通信協(xié)議類型；2nnet函數(shù)：tp客戶用nnet函數(shù)來建立一個與tp效勞器的連接；3bind函數(shù)：函數(shù)bind給套接口分配一個本地協(xié)議地址；4listen函數(shù)：偵聽套接字，偵聽客戶機連接懇求；5aept函數(shù)：完成實際的連接，假如連接成功，返回一個新套接字的描繪符。6lse函數(shù)：釋放和套接字相關的系統(tǒng)資源；一旦協(xié)議轉換器套接字和遠程計算機套接字建立連接，雙方就可以通過send()和rev()函數(shù)的調用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。并且我們采用的流式套接字提供了一種可靠的面向連接的數(shù)據(jù)傳輸方法。產品調試成功應用于現(xiàn)場后，簡化了設備的安裝，通過一定的屏蔽措施，系統(tǒng)運行一直非常穩(wěn)定，連續(xù)8個月來未出現(xiàn)通信故障，而且也方便了系統(tǒng)的調試與維護。由于整個消費線數(shù)據(jù)量不是很大，系統(tǒng)地響應時間很短，完全滿足了系統(tǒng)地運行要求。軋鋼車間通過在整個系統(tǒng)中參加協(xié)議轉換器，優(yōu)化了整個系統(tǒng)地運行，獲得了一定的經濟效益。參考文獻1raighl