基于DS80C400的嵌入式智能網(wǎng)橋的設計-設計應用

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網(wǎng)橋將兩個相似的網(wǎng)絡連接起來，并對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的流通進行管理。它工作于數(shù)據(jù)鏈路層，不但能擴展網(wǎng)絡的距離或范圍，而且可提高網(wǎng)絡的性能、可靠性和安全性。網(wǎng)絡1和網(wǎng)絡2通過網(wǎng)橋連接后，網(wǎng)橋接收網(wǎng)絡1發(fā)送的數(shù)據(jù)包，檢查數(shù)據(jù)包中的地址，如果地址屬于網(wǎng)絡1,它就將其放棄，相反，如果是網(wǎng)絡2的地址，它就繼續(xù)發(fā)送給網(wǎng)絡2.這樣可利用網(wǎng)橋隔離信息，將同一個網(wǎng)絡號劃分成多個網(wǎng)段（屬于同一個網(wǎng)絡號），隔離出安全網(wǎng)段，防止其他網(wǎng)段內的用戶非法訪問。由于網(wǎng)絡的分段，各網(wǎng)段相對獨立（屬于同一個網(wǎng)絡號），一個網(wǎng)段的故障不會影響到另一個網(wǎng)段的運行。

目前，各類智能網(wǎng)橋設計方案基本都是CPU+MAC+PHY+RTOS+TCP/IPSTACK的方式，如：PCGateway+專用網(wǎng)、32位MCU+RTOS、8位或16位單片機+網(wǎng)絡協(xié)議包，它們在實時性、可靠性、開發(fā)周期、實現(xiàn)難度、價格、開放性和通信效率等方面各有千秋。

PCGateway+專用網(wǎng)：該方案采用專用網(wǎng)絡（如RS232、RS485、CANBUS等）可以連接多種單片機系統(tǒng)。網(wǎng)關（Gateway）又稱網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉換器。網(wǎng)關在傳輸層上以實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，是復雜的網(wǎng)絡互連設備，僅用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡互連。網(wǎng)關的結構也和路由器類似，不同的是互連層。網(wǎng)關既可以用于廣域網(wǎng)互連，也可以用于局域網(wǎng)互連。網(wǎng)關是一種充當轉換重任的計算機系統(tǒng)或設備。在使用不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網(wǎng)關是一個翻譯器。與網(wǎng)橋只是簡單地傳達信息不同，網(wǎng)關對收到的信息要重新打包，以適應目的系統(tǒng)的需求。同時，網(wǎng)關也可以提供過濾和安全功能。大多數(shù)網(wǎng)關運行在OSI7層協(xié)議的頂層--應用層。

32位MCU+RTOS:采用32位的高性能嵌入式處理器，在RTOS（實時多任務操作系統(tǒng)）平臺上進行軟件開發(fā)，該方案可以完成很多復雜的功能。但這種方案存在如下缺點：高性能嵌入式處理器價格較貴，開發(fā)周期長；需要購買昂貴的RTOS軟件，對開發(fā)人員的開發(fā)能力要求較高。

8位或16位單片機+網(wǎng)絡協(xié)議包：該方案有如下優(yōu)點：不依賴PC機或高性能嵌入式處理器，真正實現(xiàn)8位或16位單片機系統(tǒng)直接接入網(wǎng)絡，整個系統(tǒng)完全自給自足；使用外圍器件少，系統(tǒng)成本低。但是這種方法在實現(xiàn)過程中也存在一些問題，如8位或16位單片機的資源相對較少，提供的功能有限。隨著科技的發(fā)展，一些高速度的單片機（如DS80C400）己能基本滿足通常的嵌入式產(chǎn)品對處理性能的要求，采用軟件來實現(xiàn)各種協(xié)議處理，便于將來在不改變硬件的情況下，只需改變內置程序即可升級整個嵌入式系統(tǒng)的功能。本文提出以

DS80C400為處理器的CAN總線網(wǎng)絡與以太網(wǎng)網(wǎng)互連的一種方案，實現(xiàn)了多路CAN總線網(wǎng)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)互聯(lián)。

1總體設計

智能（CAN-ETHERNET）網(wǎng)橋作為以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸交換的樞紐，完成從CAN到以太網(wǎng)或是從以太網(wǎng)到CAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的轉發(fā)功能。同時，智能網(wǎng)橋還是一個Web服務器，WebServer將參數(shù)顯示和監(jiān)控等功能均通過網(wǎng)頁的統(tǒng)一界面呈現(xiàn)給用戶。客戶機不需運行專用的監(jiān)控軟件，只需運行通用的瀏覽器來調用分散在各個受控設備中的嵌入式WebServer上的監(jiān)控參數(shù)顯示頁面，就能達到監(jiān)控設備的目的。

系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示：

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2DS80C400以太網(wǎng)控制模塊

DS80C400網(wǎng)絡微控制器是目前集成度的8051器件。集成外設包括10/100以太網(wǎng)MAC,三個串行端口，一個CAN2.0B控制器，1-Wire?主機和64個I/O引腳。為了便于訪問網(wǎng)絡，在ROM中提供了一個完整的、可被應用訪問的TCPIPv4/6網(wǎng)絡棧和OS.網(wǎng)棧支持多32個并發(fā)的TCP連接，并且能夠通過以太網(wǎng)MAC提供高達5Mbps的吞吐率。達75MHz的系統(tǒng)時鐘頻率使短指令周期僅有54ns.24位尋址方式簡化了對于大容量程序或數(shù)據(jù)存儲器的訪問，支持高達16MB的連續(xù)存儲空間。

緩沖區(qū)控制單元（BCU）：緩沖區(qū)控制單元（BCU）是DS80C400的以太網(wǎng)接口的中心控制單元。BCU通過一系列的SFR調節(jié)CPU,控制以太網(wǎng)模塊的讀/寫活動。

CSR=ControlandStatusRegister常見的有"指令指針寄存器","標志寄存器","機器狀態(tài)字","程序計數(shù)器"等等，各種處理器/微機上的叫法有點差別，而且控制的功能也不一定相同，但都是用于控制處理器的操作。大多數(shù)這類寄存器對用戶是不可見的。

命令狀態(tài)寄存器（CSR）：CSR寄存器本質上是定義以太網(wǎng)控制器的操作特性。CSR寄存器包括下面幾項：

MAC物理地址：發(fā)送，接受和流控制設置；地址檢查模塊使用的組播哈希表；地址檢查模塊需要的過濾模式和好/壞幀控制；VLAN標簽標識符；喚醒幀過濾器；串行的MII物理設備管理總線的寄存器界面。

MediumAccessControl介質訪問控制層，屬于OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層下層子層--物理層。它定義了數(shù)據(jù)幀怎樣在介質上進行傳輸。在共享同一個帶寬的鏈路中，對連接介質的訪問是"先來先服務"的。物理尋址在此處被定義，邏輯拓撲（信號通過物理拓撲的路徑）也在此處被定義。線路控制、出錯通知（不糾正）、幀的傳遞順序和可選擇的流量控制也在這一子層實現(xiàn)。

MII管理模塊：MII管理模塊允許主機從32個寄存器中的任意一個讀取狀態(tài)信息。MII管理模塊通過2線的串行接口和外部物理設備進行通信。

MIII/O模塊：MII1/0模塊支持所有的在DS80C400的MAC和外部物理設備之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，同時監(jiān)控由PHY提供的網(wǎng)絡狀態(tài)信號。

地址檢查模塊：以太網(wǎng)控制器的地址檢查模塊監(jiān)控所有到來包的目的地址，然后決定是地址是否能夠通過由CPU設置的過濾標準。決定幀是廣播還是組播的地址過濾的結果和位由BCU通過包的接收狀態(tài)給CPU.

接收/發(fā)送緩沖存儲：DS80C400以太網(wǎng)控制器使用8KB的內部SRAM作為發(fā)送/接收包緩沖區(qū)。CPU可以使用MO指令對這個SRAM進行讀/寫訪問。

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電源管理模塊：DS80C400以太網(wǎng)控制器包含了一個電源管理模塊，它可以使以太網(wǎng)控制器通過CPU進入休眠模式，這樣當沒有以太網(wǎng)通信要處理時以便節(jié)約能源。

以太網(wǎng)是Xerox公司發(fā)明的基帶LAN標準。它采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD），速率為10Mbps,傳輸介質為同軸電纜。以太網(wǎng)是在20世紀70年代為解決網(wǎng)絡中零散的和偶然的堵塞而開發(fā)的，而IEEE802.3標準是在初的以太網(wǎng)技術基礎上于1980年開發(fā)成功的?，F(xiàn)在，以太網(wǎng)一詞泛指所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)2.0版由數(shù)字設備公司、Intel公司和Xerox公司聯(lián)合開發(fā)，它與IEEE802.3兼容。

3系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)以DS80C400為處理器，采用PCA82C250為CAN總線收發(fā)器，用SJA1000作總線控制器，以太網(wǎng)交換電路主要是采用五口交換芯片RTL8305SB來實現(xiàn)，用100BASE_FX光纖收發(fā)器完成以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)傳輸。以下著重介紹DS80C400MII模塊與外部物理設備之間的連接。

DS80C400MII管理模塊通過2線串行接口與外部物理設備相連，MDC提供串行時鐘信號，MDIO則作為I/O口與外設進行通信。MIII/O模塊支持DS80C400MAC與外部物理設備之間的發(fā)送與接收數(shù)據(jù)傳輸，并且通過外設提供的信號監(jiān)控網(wǎng)絡的狀態(tài)。發(fā)送接口由TXCLK,TX_EN,TXD[3:0]組成，其中，TXCLK是由外設提供的發(fā)送時鐘，對于10MBPS操作，TXCLK應當運行在2.5MHZ,而100MBPS,TXCLK應至少運行在25MHZ.TXD[3:0]四位數(shù)據(jù)總線發(fā)送幘到外設。接收接口由RXCLK、RX_DV、RX_ER、RXD[3:0]組成，其中，RXCLK是由外設提供的接收時鐘，其時鐘要求與發(fā)送接口類同。RXD[3:0]四位數(shù)據(jù)總線接收從外設發(fā)送來的幀。RX_DV=1表示接收有效，RX_ER指出接收錯誤。MII也能通過外設提供的CRS、COL信號監(jiān)控網(wǎng)絡狀態(tài)。

DS80C400MII與外部物理設備連接如圖3所示：

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4系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計是整個設計中為重要部分之一，利用DS80C400進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)并不像標準8051單片機開發(fā)那樣簡單，在除了KEILC軟件環(huán)境外，它還需要特定的軟件開發(fā)平臺，DS80C400內部強大的ROM功能，使得系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期短，系統(tǒng)功能強大。

4.1DS80C400軟件開發(fā)平臺

DALLAS公司為DS80C400提供了兩種串行加載工具，MTK和JAVAKIT.其中MTK簡潔好用，但是目前MTK僅僅支持WINDOWS平臺。JAVAKIT是一款基于JAVA的圖形界面程序。JAVAKIT的運行需要以下幾個附加軟件同時運行：JAVADevelopmentEnvironment;JavaCommunicationsAPI;TINISoftwareDevelopmentKitAVAKIT可以應用于WINDOWS,LINUX以及MACOSX平臺，但是JAVAKIT的配置雖然比較煩鎖。

在PC機的命令行界面正確配置JAVAKIT需注意如下命令配置：

（1）setpath=%path%;X:jdkbin;

（2）setclasspath=X:jdklibcomm.jar;

（3）setclasspath=X:tinibintini.jar;%classpath%

4.2系統(tǒng)實現(xiàn)

DS80C400內部ROM嵌入的TINIOS使各個任務相互獨立且具有不同的優(yōu)先級來保證緊急任務及時響應，從而有效地實現(xiàn)任務調度。內部嵌入的工業(yè)標準SOCKET套接字方便了網(wǎng)絡系統(tǒng)的開發(fā)。

系統(tǒng)軟件框架如圖4所示：

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（1）任務劃分

本系統(tǒng)根據(jù)各個任務的重要性，把整個模塊分成以下幾個不同優(yōu)先級的應用任務，即系統(tǒng)監(jiān)控、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送、協(xié)議轉換、LED顯示、系統(tǒng)配置。

（2）任務實現(xiàn)

任務劃分以后，各任務便具有獨立的堆?？臻g，彼此爭奪CPU的使用權。一旦獲得CPU使用權，就會獨立運行。完成特定的功能。

（3）任務的同步與調度

DS80C400內嵌的任務調度程序有其獨到之處，用戶可以直接利用系統(tǒng)的接口函數(shù)編寫應用程序，不需要另行開發(fā)?；贒S80C400的CAN-ETHERNET智能網(wǎng)橋在實驗調試過程中，運行狀況良好，工作穩(wěn)定。

5結束語

利用DS80C400微控制器作嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，可以方便地開發(fā)網(wǎng)絡應用系統(tǒng)，大大提高開發(fā)效率，這是其它8051單片機所不能比擬的。將DS80C400用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有十分廣闊的前景，對推動嵌入式系統(tǒng)在國內的應用有十分重要的意義。

參考文獻:

[1].RS232datasheet/datasheet/RS232_585128.html.[2].RS485datasheet/datasheet/RS485_585289.html.[3].DS80C400datasheet/datasheet/DS80C40