摘 要: 現(xiàn)場智能監(jiān)控裝置是構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，采用高端嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)現(xiàn)場智能裝置開發(fā)是其重要發(fā)展趨勢。本文提出基于嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控裝置的硬件和軟件的設(shè)計(jì)過程，包括32位微處理器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、以太網(wǎng)接口單元模塊的實(shí)現(xiàn)、uCLinux嵌入式操作系統(tǒng)分析和移植，uCLinux下驅(qū)動程序的分析和實(shí)現(xiàn)、Socket套接字分析、HTTP協(xié)議分析、嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)等。 關(guān)鍵字: 監(jiān)控系統(tǒng); 工業(yè)以太網(wǎng); 嵌入式; 微處理器 1 引言 　　自上世紀(jì)70年代以來，以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)為代表的TI產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，信息技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的深刻變革，以多層次、網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)逐步形成。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于以太網(wǎng)正逐步走入工業(yè)控制領(lǐng)域。本文提出了一種高性能、低成本的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。 2 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 　　網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體方案的構(gòu)思和設(shè)計(jì)關(guān)系全局，其地位非常重要。對于工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)主要需要考慮的問題包括以下幾方面: 　　1） 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治? 2） 數(shù)據(jù)傳輸分析; 　　3） 性能和布線需求分析; 4） 發(fā)展需求分析。 　　根據(jù)對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要求的基本考慮，結(jié)合目前以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)場總線的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種以以太網(wǎng)為主體的雙環(huán)冗余高速工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 3 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺的實(shí)現(xiàn) 　　嵌入式系統(tǒng)硬件包括微處理器、外圍控制電路、只讀存儲器、可讀寫存儲器和外圍設(shè)備。本文將介紹和分析自主研制的嵌入式以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)裝置，該裝置以53C4510B嵌入式微處理器為核心，采用MAX1422作為12位高速AD轉(zhuǎn)換器，連接RTL82OIBL以太網(wǎng)物理層接口電路，外加SST39VF160和HY57V641620作FlashROM和SDRAM單元，構(gòu)成基本硬件平臺。 [align=center] 圖1 雙環(huán)冗余高速以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 　　3.1 接口電路 　　本系統(tǒng)的PHY接口采用Realtek公司生產(chǎn)的RTL8201BL芯片構(gòu)成。RTL8201BL完全遵循IEEE802.3的物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用+3.3V工作電源，支持10/100Mbps傳輸速度和半雙工/全雙工操作。該芯片內(nèi)部除包括物理編碼子層、物理媒體附件、雙絞線物理媒體子層、l0BASE-TX編碼/解碼器和雙絞線媒體訪問單元外，還集成濾波器電路。RTL8201BL使用MII接口與S3C4510B的MAC控制器直接相連，同時(shí)通過H1102網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器與RJ45雙絞線接口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的安全隔離。 　　3.2 嵌入式處理器單元電路 　　S3C4510B為系統(tǒng)所采用的嵌入式處理器，這是一款的面向以太網(wǎng)應(yīng)用、以ARM7TDMI為內(nèi)核的16/32位RISC體系結(jié)構(gòu)的微處理器。ARM7TDMI是目前ARM7系列中應(yīng)用最為廣泛的高性能內(nèi)核，ARM7TDMI名字的基本含義為:ARM7表示ARM6的32位整型核的3V兼容的版本、T表示16位壓縮指令集Thumb, D表示支持片上Debug, M表示內(nèi)嵌硬件乘法器、I表示嵌入式ICE硬件提供片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持。ARM7TDMI基本特性包括: 3級指令流水線;Von Neumann體系結(jié)構(gòu);嵌入式ICE-RT;對輸入、輸出的外部設(shè)備是作為內(nèi)存映象形式處理;兩種指令集。 　　3.3 RS-232串行通信接口 　　RS-232串行接口電路用于嵌入式微處理器串行模塊與外部串行資源的對等連接，實(shí)現(xiàn)LUTTL電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換，本文設(shè)計(jì)使用一路RS-232串口電路。圖2為RS-232串行接口電路圖，UART0的數(shù)據(jù)發(fā)送信號UATXD0接MAX3232E的T11，轉(zhuǎn)換成RS-232-C電平后，由T10接到9芯插頭的RXD引腳。9芯插頭的TXD信號連接到MAX3232E的R11，轉(zhuǎn)換成LVTTL電平后，由R10連接到UARTO的數(shù)據(jù)接收引腳UARXD0。 [align=center] 圖2 RS-232串行接口電路圖[/align] 　　3.4 存儲單元設(shè)計(jì) 　　存儲單元電路由大容量的F1ashROM和SDRAM組成。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的工作方式，系統(tǒng)啟動時(shí)首先使用Boot Loader代碼將FlashROM中的操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序拷貝進(jìn)SDRAM，并進(jìn)行存儲器的重定位，然后跳轉(zhuǎn)到SDRAM對應(yīng)的地址執(zhí)行程序。S3C4510B支持8位/16位/32位的存儲器組，對應(yīng)的可以構(gòu)建8位/16位/32位的F1ashROM存儲器系統(tǒng)。存儲器數(shù)據(jù)總線越寬，系統(tǒng)的性能就越高。但考慮成本和功耗等因素后，設(shè)計(jì)采用一片SST39VF160構(gòu)成16位的F1ashROM存儲器系統(tǒng)，內(nèi)存700kB左右大小的uClinux內(nèi)核和其他應(yīng)用程序。參照S3C4510B的工作特性，設(shè)計(jì)選用2片HY57 V 641620并聯(lián)構(gòu)建32位的SDRAM存儲器電路，充分發(fā)揮32位CPU的數(shù)據(jù)處理能力，滿足嵌入式操作系統(tǒng)及各種復(fù)雜應(yīng)用的要求。 　　AD采集單元電路 　　本系統(tǒng)使用12位高速AD轉(zhuǎn)換器MAX 1422構(gòu)成AD數(shù)據(jù)采集單元。MAX 1422是MAXIM公司設(shè)計(jì)的逐次逼近型并行高速AD轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包含多種頻率的跟蹤保持（T/H）全微分輸入放大電路，具有良好的動態(tài)性能。MAX1422采樣速率為20Msps，工作電壓為+3.3V，使用+2.048V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，封裝為48Pin-TQFP。MAX 1422設(shè)計(jì)用于低功耗應(yīng)用，輸入5MHz信號時(shí)的信噪比SNR和功耗分別是67dB和137mW，在低功耗模式、低基準(zhǔn)電壓模式和關(guān)閉模式下則有著更低的功率消耗。 4 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺的實(shí)現(xiàn) 　　本文設(shè)計(jì)的嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括uCLinux嵌入式操作系統(tǒng)基本內(nèi)核、硬件設(shè)備驅(qū)動程序、TCP/IP通信協(xié)議程序、用戶應(yīng)用程序幾大部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。用戶應(yīng)用程序主要是實(shí)現(xiàn)微型Web服務(wù)器，系統(tǒng)其他的軟件部分包含在經(jīng)裁減和修改的uCLinux操作系統(tǒng)內(nèi)。 [align=center] 圖3 嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　1、uCLinux操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議。如圖4所示，參照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系自身結(jié)構(gòu)，uCLinux中的TCP/IP簇組成若干相連的軟件層。圖中BSD套接字由通用的套接字軟件所支持。INET套接字層，用來管理基于IP的TCP與UDP的端到端互聯(lián)。TCP是面向連接協(xié)議，而UDP則是非面向連接協(xié)議。當(dāng)UDP報(bào)文發(fā)送后，uCLinux不知道也不關(guān)心它是否成功到達(dá)目的主機(jī)。而對于TCP傳輸，傳輸接點(diǎn)間先要建立連接，然后通過該連接傳輸己排好順序的報(bào)文，保證了傳輸?shù)恼_性。 [align=center] 圖4 uCLinux操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)[/align] 　　2、uCLinux下的Socket套接字。Socket套接字建立在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)之上，它由主機(jī)的IP地址和端口共同確定。uCLinux系統(tǒng)通過Socket將底層的各種形式的協(xié)議封裝起來提供給用戶的通用網(wǎng)絡(luò)通信編程接口。Socket對各種網(wǎng)絡(luò)通信操作進(jìn)行抽象定義，使調(diào)用Socket如同操作普通文件一般，返回一個(gè)對應(yīng)的Socket描述符整數(shù)，它指向一個(gè)與該Socket有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過Socket調(diào)用一旦建立了Socket描述符，應(yīng)用程序可以使用其它特定的調(diào)用來為它添加其他詳細(xì)信息，以完成建立通信的過程。 　　3、uCLinux下微型Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器主要通過移植并修改uCLinux下的Boa Web服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)。Boa是一個(gè)源碼開放、性能優(yōu)秀的單任務(wù)HTTP服務(wù)器，它支持用戶密碼驗(yàn)證和CGI功能，能提供理想的同時(shí)登陸用戶數(shù)目，而且所需存儲空間大小合適，非常適合于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。本系統(tǒng)使用Boa實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器程序主要通過對boa. conf和mime. types文件進(jìn)行修改來實(shí)現(xiàn)。boa.conf位于user/boa/examples/目錄下，在文件中完成的工作包括指定端口、服務(wù)器運(yùn)行的用戶和組屬性、服務(wù)器名稱、HTML文檔的根目錄、最大用戶連接數(shù)、網(wǎng)頁的字符編碼以及支持的文件類型等。mine. types位于user/boa/examples/目錄下，該文件定義了Boa支持的文件類型及此種文件的類屬。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn) 　　在基于建立無縫的企業(yè)信息集成的發(fā)展趨勢、32位嵌入式處理器系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合的先進(jìn)控制理念下，本文提出的高性能嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、重點(diǎn)分析并實(shí)現(xiàn)了新型嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控裝置的硬件架構(gòu)和嵌入式軟件體系。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 熊育悅，趙哲身等，工業(yè)以太網(wǎng)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，儀表技術(shù)，2002.3:37-39 　　[2] 宰守剛，王智，孫優(yōu)賢等，交換機(jī)在工業(yè)以太網(wǎng)中的應(yīng)用探討，化工自動化及儀表，2003, 30（1）: 48-51 　　[3] 王學(xué)龍編著，嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，北京:清華大學(xué)出版社，2002 　　[4] 任海兵，陳照章. 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)及改進(jìn)方案，微計(jì)算機(jī)信息，2007.2-3：130-132 作者簡介: 　　李 蔚（1958-）, 男, 漢族, 籍貫: 河南駐馬店, 副教授, 碩士生導(dǎo)師, 主要研究方向: 數(shù)據(jù)庫與信息集成, 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫, 嵌入式技術(shù)。 　　郭一帆（1972-）, 男, 漢族, 籍貫: 河南濮陽市, 碩士研究生, 主要研究方向: 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫, 嵌入式技術(shù)。