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【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轉(zhuǎn)化成所需信號，使設(shè)備和工業(yè)以太網(wǎng)之間能進行快速、透明的通信。通過加入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)化器，簡化了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的集成度，取得了經(jīng)濟效益。

【關(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、TCP/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，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)的不斷發(fā)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)中的獨立設(shè)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)幕A(chǔ)上，數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)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)，用戶還能夠完全訪問計量數(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)勢就是傳輸距離遠，抗干擾能力強，能節(jié)省大量的勞動力和材料成本等。

以太網(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(zhuǎn)化成以太網(wǎng)能識別的協(xié)議格式提供給終端計算機，同時系統(tǒng)還需要把以太網(wǎng)信息轉(zhuǎn)換成各種設(shè)備所能識別的信息格式。為簡化系統(tǒng)連接，實現(xiàn)系統(tǒng)中各部分的獨立性，我們可以通過設(shè)計協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成此項工作，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)傳送給遠程計算機，同時，遠程計算機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。市場上現(xiàn)有的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊很少，而且大部分基于單片機系統(tǒng)，處理能力有限，速度慢。在唐山華強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S3C4510B的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將現(xiàn)場的3路RS485信號，1路RS232信號，1路IIC信號，9路I/O信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成現(xiàn)場設(shè)備所需的信號，控制現(xiàn)場設(shè)備。這樣就在終端計算機和現(xiàn)場設(shè)備之間建立起了直接的、透明的、簡單的聯(lián)系。

考慮到轉(zhuǎn)換速度，信息流量、設(shè)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(zhuǎn)換模塊。主處理器選用三星公司的S3C4510B，S3C4510B是一款優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)控制器，內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計16/32位ARM7TDMI?RISC處理器核，主頻可達50MHz。ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最適合用于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合。S3C4510B內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器，可在半雙工或全雙工模式下提供10M/100Mbps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GDMA通道，18個可編程I/O口，IIC接口，片內(nèi)帶有SDRAM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S3C4510B的基本系統(tǒng)，保證微處理器可靠的工作。在系統(tǒng)的電源電路中，S3C4510B及部分外圍器件需3.3V電源，另外一部分器件需要5V電源，為簡化系統(tǒng)電源電路的設(shè)計，整個系統(tǒng)的輸入電壓為5V直流穩(wěn)壓電源。選用LinearTechnology公司生產(chǎn)的LT1085CT－3.3型DC－DC變換器，得到3.3V輸出電壓。在系統(tǒng)中使用了有源晶體振蕩器，根據(jù)S3C4510B的最高工作頻率及PLL電路的工作方式，選擇10MHz的有源晶體振蕩器，其頻率經(jīng)過S3C4510B內(nèi)部PLL電路倍頻后，達到50MHz。選用IMP公司生產(chǎn)的IMP708TCSA型復(fù)位電路，它具有1個手動復(fù)位輸入引腳和2個復(fù)位輸出引腳（高電平有效引腳和低電平有效引腳各1個），能實現(xiàn)電路的有效復(fù)位。采用14針的JTAG接口用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調(diào)試。

作為程序存儲器的Flash芯片中要保存Bootloader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)合成本因素和升級考慮，采用16MB的Flash存儲芯片（K9F2816UOC，16MB，16位，Samsung公司）。數(shù)據(jù)存儲器采用2片8M、16位的SDRAM芯片（HY57V641620）并聯(lián)成32位SDRAM芯片，用以提高系統(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(jīng)過Max232連接到S3C4510B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S3C4510B內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器，所以在該設(shè)計中，使用DP9161作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS芯片，支持10M和100M的以太網(wǎng)傳輸，它主要起編碼、譯碼輸入和輸出數(shù)據(jù)的作用。外部的IIC信號和I/O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uClinux操作系統(tǒng)，uClinux從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，是專門針對沒有MMU的CPU的一個高度優(yōu)化的，代碼緊湊的嵌入式Linux，保留了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(luò)功能、標準豐富的API等。Bootloader由Mizi公司的VIVI編譯生成，采用JEFFS2文件系統(tǒng)。

在uClinux操作系統(tǒng)中，通過vfork()函數(shù)創(chuàng)建多個進程，主要為TCP/IP格式數(shù)據(jù)與其他格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進程，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀寫進程，UART0和UART1讀寫進程，IIC數(shù)據(jù)讀寫進程，I/O數(shù)據(jù)讀寫進程等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，在通過相應(yīng)的讀寫進程將數(shù)據(jù)傳輸出去。

在對各種協(xié)議格式深入了解的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換進程的編寫相對簡單，但代碼比較長。除網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動編寫較為復(fù)雜外，其余各個接口的驅(qū)動編寫也很簡單，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S3C4510B的一大亮點，也是嵌入式系統(tǒng)未來的應(yīng)用方向之一。在嵌入式uClinux操作系統(tǒng)中，提供了Socket（套接字）的API調(diào)用，所以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——TCP/IP在uClinux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TCP協(xié)議。在IP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socket實現(xiàn)TCP服務(wù)，socket是一種文件描述符，具有一個類似文件的函數(shù)調(diào)用socket（）。該函數(shù)返回一個整型的socket描述符，隨后的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞫际峭ㄟ^該socket函數(shù)實現(xiàn)的。uCLinux中socket編程中用到的函數(shù)有：（1）socket函數(shù)：指定期望的通信協(xié)議類型；（2）connect函數(shù)：TCP客戶用connect函數(shù)來建立一個與TCP服務(wù)器的連接；（3）bind函數(shù)：函數(shù)bind給套接口分配一個本地協(xié)議地址；（4）listen函數(shù)：偵聽套接字，偵聽客戶機連接請求；（5）accept函數(shù)：完成實際的連接，如果連接成功，返回一個新套接字的描述符。（6）close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)換器套接字和遠程計算機套接字建立連接，雙方就可以通過send()和recv()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)場后，簡化了設(shè)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(diào)試與維護。由于整個生產(chǎn)線數(shù)據(jù)量不是很大，系統(tǒng)地響應(yīng)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)中加入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換器，優(yōu)化了整個系統(tǒng)地運行，取得了一定的經(jīng)濟效益。

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