摘 要: 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)智能裝置開(kāi)發(fā)是其重要發(fā)展趨勢(shì)。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(guò)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(dòng)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(lái)，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(dòng)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(dòng)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(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)主要需要考慮的問(wèn)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(duì)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(chǎng)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(tái)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(chǔ)器、可讀寫(xiě)存儲(chǔ)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(tái)。 [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(wèn)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(guò)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(jí)指令流水線;Von Neumann體系結(jié)構(gòu);嵌入式ICE-RT;對(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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(chǔ)單元設(shè)計(jì) 　　存儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)器的重定位，然后跳轉(zhuǎn)到SDRAM對(duì)應(yīng)的地址執(zhí)行程序。S3C4510B支持8位/16位/32位的存儲(chǔ)器組，對(duì)應(yīng)的可以構(gòu)建8位/16位/32位的F1ashROM存儲(chǔ)器系統(tǒng)。存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(hào)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(tái)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(dòng)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(lái)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(duì)于TCP傳輸，傳輸接點(diǎn)間先要建立連接，然后通過(guò)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(guò)Socket將底層的各種形式的協(xié)議封裝起來(lái)提供給用戶的通用網(wǎng)絡(luò)通信編程接口。Socket對(duì)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(duì)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(guò)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(lái)為它添加其他詳細(xì)信息，以完成建立通信的過(guò)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(guò)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(kāi)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(chǔ)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(guò)對(duì)boa. conf和mime. types文件進(jìn)行修改來(lái)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(yè)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(wú)縫的企業(yè)信息集成的發(fā)展趨勢(shì)、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(dòng)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(jiǎn)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(kù)與信息集成, 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù), 嵌入式技術(shù)。 　　郭一帆（1972-）, 男, 漢族, 籍貫: 河南濮陽(yáng)市, 碩士研究生, 主要研究方向: 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù), 嵌入式技術(shù)。