基于嵌入式系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器

1、基于嵌入式系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器【摘要】為了將遵循不同協(xié)議的設(shè)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(zhuǎn)換器將不同格式的信號(hào)轉(zhuǎn)化成所需信號(hào)，使設(shè)備和工業(yè)以太網(wǎng)之間能進(jìn)展快速、透明的通信。通過參加協(xié)議轉(zhuǎn)化器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度，進(jìn)步了系統(tǒng)的集成度，獲得了經(jīng)濟(jì)效益?！娟P(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)；協(xié)議轉(zhuǎn)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(fù)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(shè)備，例如遵循rs232、rs485、udp、tp/ip等協(xié)議的設(shè)備共同存在于系統(tǒng)中。多種協(xié)議并存時(shí)，要求系統(tǒng)能識(shí)別不同的協(xié)議信息，通過控制和處理不同格式的信息實(shí)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(fù)雜度，減緩了系統(tǒng)的響應(yīng)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(shù)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(dú)立設(shè)備和獨(dú)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(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咨?，?shù)據(jù)的傳輸，設(shè)備的控制和功能測(cè)試就成為一件非常簡(jiǎn)單的事情。用戶可以通過終端計(jì)算機(jī)上的可視化窗口，通過以太網(wǎng)快速簡(jiǎn)單的控制整個(gè)系統(tǒng)，用戶還可以完全訪問計(jì)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享。它在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工程中還具有的優(yōu)勢(shì)就是傳輸間隔 遠(yuǎn)，抗干擾才能強(qiáng)，能節(jié)省大量的勞動(dòng)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(shí)，必須把其他格式的信息轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)能識(shí)別的協(xié)議格式提供應(yīng)終端計(jì)算機(jī)，同時(shí)系統(tǒng)還需要把以太網(wǎng)信息轉(zhuǎn)換成各種設(shè)備所能識(shí)別的信息格式。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各局部的獨(dú)立性，我們可以通過設(shè)計(jì)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成此項(xiàng)工作，即利用協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將系統(tǒng)中不同設(shè)備或是小系統(tǒng)獲取的信息快速轉(zhuǎn)換為所要求的信號(hào)形式，即遵循相應(yīng)的協(xié)議、格式，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，同時(shí)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的控制信息也可以轉(zhuǎn)化成相應(yīng)格式的信息傳送給設(shè)備。市場(chǎng)上現(xiàn)有的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊很少，而且大局部基于單片機(jī)系統(tǒng)，處理才能有限，速度慢。在唐山華強(qiáng)鋼鐵公司軋鋼車間的設(shè)備改造中，我們通過基于嵌入式處理器s34510b的

4、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將現(xiàn)場(chǎng)的3路rs485信號(hào)，1路rs232信號(hào)，1路ii信號(hào)，9路i/信號(hào)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，同時(shí)，將計(jì)算機(jī)傳來的以太網(wǎng)信息轉(zhuǎn)化成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的信號(hào)，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這樣就在終端計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間建立起了直接的、透明的、簡(jiǎn)單的聯(lián)絡(luò)?？紤]到轉(zhuǎn)換速度，信息流量、設(shè)計(jì)難度等因素，我們采用了嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)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(luò)控制器，內(nèi)含一個(gè)由ar公司設(shè)計(jì)16/32位ar7tdi?ris處理器核，主頻可達(dá)50hz。ar7tdi為低功耗、高性能的16/32核，最合適用于對(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。s34510b內(nèi)嵌一個(gè)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(gè)uart通道，2個(gè)gda通道，18個(gè)可編程i/口，ii接口，片內(nèi)帶有sdra控制器和flash控制器。特別適用于嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用的集成系統(tǒng)。系統(tǒng)中的電源電路、晶體振蕩器電路、復(fù)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(jiǎn)化系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓為5v直流穩(wěn)壓電源。選用lineartehnlgy公司消費(fèi)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(jīng)過s34510b內(nèi)部pll電路倍頻后，到達(dá)50hz。選用ip公司消費(fèi)的ip708tsa型復(fù)位電路，它具有1個(gè)手動(dòng)復(fù)位輸入引腳和2個(gè)復(fù)位輸出引腳高電平有效引腳和低電平有效引腳各1個(gè)，能實(shí)現(xiàn)電路的有效復(fù)位。采用14針的jtag接口用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展仿真、調(diào)試。作為程序存儲(chǔ)器的flash芯片中要保存btlader程序，linux內(nèi)核，文件系統(tǒng)，協(xié)議轉(zhuǎn)換應(yīng)用程序和一定數(shù)量的記錄信息，結(jié)合本錢因素和晉級(jí)考慮，采用16b的flash存儲(chǔ)芯片k9f2816u，16b，

7、16位，sasung公司。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)步系統(tǒng)處理速度。同時(shí)較大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)更多的臨時(shí)數(shù)據(jù)，加速程序的運(yùn)行。外部的rs232信號(hào)經(jīng)過ax232連接到s34510b的一個(gè)uart接口，另一個(gè)uart接口通過成都思普科技的uart多串口擴(kuò)展芯片sp2327dp可擴(kuò)展為三個(gè)uart串口，然后通過rs485芯片與3路rs485信號(hào)連接。因?yàn)閟34510b內(nèi)嵌一個(gè)以太網(wǎng)控制器，所以在該設(shè)計(jì)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(hào)和i/信號(hào)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(nèi)核派生而來，是專門針對(duì)沒有u的pu的一個(gè)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(diǎn)：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)功能、標(biāo)準(zhǔn)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(gè)進(jìn)程，主要為tp/ip格式數(shù)據(jù)與其他格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀寫進(jìn)程，uart0和uart1讀寫進(jìn)程，ii數(shù)據(jù)讀寫進(jìn)程，i/數(shù)據(jù)讀寫進(jìn)程等。

9、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)程把不同讀寫進(jìn)程的數(shù)據(jù)讀入，通過自動(dòng)識(shí)別，按要求轉(zhuǎn)換成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，在通過相應(yīng)的讀寫進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳輸出去。在對(duì)各種協(xié)議格式深化理解的根底上，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換進(jìn)程的編寫相對(duì)簡(jiǎn)單，但代碼比擬長。除網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)編寫較為復(fù)雜外，其余各個(gè)接口的驅(qū)動(dòng)編寫也很簡(jiǎn)單，而且網(wǎng)絡(luò)上由很多參考范例。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是處理器s34510b的一大亮點(diǎn)，也是嵌入式系統(tǒng)將來的應(yīng)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(diào)用，所以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議tp/ip在ulinux下變得較為簡(jiǎn)單。我們?cè)趇p層，實(shí)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(gè)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(luò)設(shè)備來支持所有的linux網(wǎng)絡(luò)工作，不需要我們參與。我們選用流式sket實(shí)現(xiàn)tp效勞，sket是一種文件描繪符，具有一個(gè)類似文件的函數(shù)調(diào)用sket。該函數(shù)返回一個(gè)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(shí)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(gè)與tp效勞器的連接；3bind函數(shù)：函數(shù)bind給套接口分配一個(gè)本地協(xié)議地址；4listen函數(shù)：偵聽套接字，偵聽客戶機(jī)連接懇求；5aept函數(shù)：完成實(shí)際的連接，假如連接成功，返回一個(gè)新套接字的描繪符。6lse函數(shù)：釋放和套接字相關(guān)的系統(tǒng)資源；一旦協(xié)議轉(zhuǎn)換器套接字和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)套接字建立連接，雙方就可以通過send()和rev()函數(shù)的調(diào)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(chǎn)品調(diào)試成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)后，簡(jiǎn)化了設(shè)備的安裝，通過一定的屏蔽措施，系統(tǒng)運(yùn)行一直非常穩(wěn)定，連續(xù)8個(gè)月來未出現(xiàn)通信故障，而且也方便了系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)。由于整個(gè)消費(fèi)線數(shù)據(jù)量不是很大，系統(tǒng)地響應(yīng)時(shí)間很短，完全滿足了系統(tǒng)地運(yùn)行要求。軋鋼車間通過在整個(gè)系統(tǒng)中參加協(xié)議轉(zhuǎn)換器，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)地運(yùn)行，獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)1raighl