段慧婷

（河北省電子信息技術(shù)研究院，河北石家莊 050051）

基于ARM和μC／OS－П以太網(wǎng)接口系統(tǒng)設(shè)計

段慧婷

（河北省電子信息技術(shù)研究院，河北石家莊 050051）

TCP／IP及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而大量工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備尚不具備網(wǎng)絡(luò)接口，主要通過串行口進(jìn)行通訊，因而無法直接連接到Internet。筆者設(shè)計了一種基于ARM處理器的嵌入式以太網(wǎng)接口系統(tǒng)，用來解決這些傳統(tǒng)設(shè)備與現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互聯(lián)問題。

嵌入式系統(tǒng)；以太網(wǎng)；SPI串行通信；μC／OS－П；ZLG／IP

在工業(yè)控制等領(lǐng)域，傳統(tǒng)SPI串行口設(shè)備仍然被廣泛地應(yīng)用，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上廣泛應(yīng)用，SPI串行通信固有的傳輸速率低、傳輸距離有限、布線繁雜等缺點逐漸顯現(xiàn)出來。以太網(wǎng)技術(shù)克服了上述缺點，采用以太網(wǎng)可以方便地接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸率高，由于采用了通用的通信協(xié)議，兼容性較好。

基于TCP／IP的以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為IT產(chǎn)業(yè)的主要通訊手段，在工業(yè)生產(chǎn)中，為了能跟上網(wǎng)絡(luò)自動化的潮流，而不至于失去競爭優(yōu)勢，必須建立高效的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、即時成本管理的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。對于這些領(lǐng)域的SPI串口設(shè)備來說，讓這些設(shè)備連上以太網(wǎng)將是一種趨勢。

筆者所設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為核心，利用其串口與底層I／O節(jié)點相連，上層則直接聯(lián)入以太網(wǎng)，允許被授權(quán)的用戶在以太網(wǎng)任意一點應(yīng)用瀏覽器訪問該系統(tǒng)，并實現(xiàn)對下層設(shè)備的監(jiān)控。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計一個嵌入式以太網(wǎng)接口，主要完成一個SPI串行通信和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)存儲控制，系統(tǒng)對多種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接收來自SPI串行口設(shè)備的串口數(shù)據(jù)流，并對其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀。

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的一般設(shè)計方法，可以將系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，硬件部分主要完成微處理器與SPI口、以太網(wǎng)等模塊間的接口電路設(shè)計，以及控制信號的處理；軟件部分主要完成SPI口與網(wǎng)口間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。這其中包括硬件系統(tǒng)的啟動實現(xiàn)，由于系統(tǒng)需要運行多任務(wù)，一個嵌入式操作系統(tǒng)必不可少，TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的收發(fā)，SPI串口驅(qū)動程序完成串行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 擴展以太網(wǎng)接口

在嵌入式系統(tǒng)中，擴展以太網(wǎng)接口，通常有如下兩種方法實現(xiàn)：

（1）嵌入式處理器加上以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019AS。這種方法對嵌入式處理器沒有特殊要求，只要把以太網(wǎng)芯片連接到嵌入式處理器的總線上即可。此方法通用性強，不受處理器的限制；但是，處理器和網(wǎng)絡(luò)通過外部總線交換數(shù)據(jù)，速度慢，可靠性不高，電路走線復(fù)雜。

（2）選擇帶有以太網(wǎng)接口的嵌入式處理器。這種方法要求嵌入式處理器有通用的網(wǎng)絡(luò)接口控制器。處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換通過內(nèi)部總線，速度快［1］。

本研究選用的嵌入式處理器芯片是帶有以太網(wǎng)接口控制器LM3S8962。硬件簡單，傳輸速率快。

2.2 硬件平臺

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由3部分組成：數(shù)據(jù)接收部分、ARM芯片數(shù)據(jù)處理部分、遠(yuǎn)端主機（見圖1）。

數(shù)據(jù)接收部分，通過傳感器對室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采樣、保持，射頻收發(fā)模塊n RF24E1作為主機通過SPI接口傳送給LM3S8962微處理器芯片，LM3S8962作為從機接收數(shù)據(jù)，放入緩存區(qū)，并利用μC／OS－П操作系統(tǒng)，在user文件夾下的main.C進(jìn)行程序的編寫，把接收過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換使之成為適合在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，最終通過網(wǎng)絡(luò)接口RJ45傳送到遠(yuǎn)端的主機，最終實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

LM3S8962具備SPI數(shù)據(jù)總線，1個10M／100M全雙工和半雙工以太網(wǎng)接口。其中以太網(wǎng)接口與上位機通訊，將采集的數(shù)據(jù)上傳到PC機中，并且接收上位機的命令對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中SPI接口是中央處理器與射頻收發(fā)模塊n RF24E1通信的接口，因為n RF24E1只能作為主機發(fā)送，所以嵌入式微處理器作為從機接收所采集的各種數(shù)據(jù)并實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制。嵌入式ARM微處理器中的μC／OS－П的功能就是實時的將采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口上傳給上位機進(jìn)行處理。

圖1 硬件平臺

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，在硬件系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及控制信號處理等主要功能基礎(chǔ)上，軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)遵循一個標(biāo)準(zhǔn)的接口，在這個接口之上來傳遞數(shù)據(jù)信號和控制信號。軟件設(shè)計主要有：

（1）硬件系統(tǒng)啟動代碼的實現(xiàn)。啟動代碼是系統(tǒng)上電復(fù)位后最先執(zhí)行的部分，完成對于系統(tǒng)的初始化工作，在μC／OS－П操作系統(tǒng)中采用基于ARM核的匯編語言來編寫。它主要實現(xiàn)向量表定義、堆棧初始化、系統(tǒng)變量的初始化、中斷系統(tǒng)初始化、I／O、外圍初始化、地址重映射等操作。

（2）μC／OS－П嵌入式操作系統(tǒng)的移植。μC／OS－П的移植主要任務(wù)是重新編寫與處理器和編譯器相關(guān)的代碼，這些代碼包括：與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的重定義、開關(guān)中斷的代碼、堆棧的增長方向、任務(wù)堆棧初始化函數(shù)、任務(wù)切換函數(shù)等等。

（3）以太網(wǎng)口驅(qū)動和TCP／IP協(xié)議棧的實現(xiàn)。主要完成的功能有：實現(xiàn)以太網(wǎng)模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動、在目標(biāo)系統(tǒng)中運行TCP／IP，從而實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。由于TCP／IP協(xié)議體系龐大，考慮到目標(biāo)系統(tǒng)的資源有限，有必要對TCP／IP協(xié)議進(jìn)行精簡。僅實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中所用到的協(xié)議，包括：IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議，同時，采用與類似BSD標(biāo)準(zhǔn)的Socket接口實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議的API。

（4）SPI口驅(qū)動實現(xiàn)。SPI對從外設(shè)器件接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行串行到并行的轉(zhuǎn)換。

（5）系統(tǒng)功能應(yīng)用的實現(xiàn)。主程序部分通過創(chuàng)建兩個μC／OS－П任務(wù)，來實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)傳送至以太網(wǎng)。當(dāng)從串口接收數(shù)據(jù)并發(fā)送至以太網(wǎng)時，允許建立多個連接，同時向多個客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)從以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)時，也允許建立多個連接以接收多個主機的數(shù)據(jù)，但必須滿足數(shù)據(jù)包的延時和丟包率在給定的范圍之內(nèi)。

3.2 軟件實現(xiàn)

3.2.1 μC／OS－П移植

本移植在如下環(huán)境中完成：編譯工具采用IAR FOR ARM，目標(biāo)板采用Easy ARM8962開發(fā)板。主機通過LMLINK JTAG連接目標(biāo)板以建立交叉開發(fā)調(diào)試環(huán)境。移植過后的模版如圖2。

（1）移植過程中，μC／OS－П的核心源代碼不用修改，可以直接放在μC／OS－ПSource文件夾中。

（2）μC／OSП＼Ports目錄存放μC／OS－П基于LM3S單片機的移植代碼，包括OS＿CPU＿C.C、OS＿CPU＿A.ASM、OS＿CPU.H三個必要的文件。

（3）Target目錄中的Startup.S文件是單片機的啟動代碼和中斷向量表，Target.C和Target.H提供單片機初始化函數(shù)Target Init（）和其他簡單的外設(shè)控制API函數(shù)，包括LED控制、蜂鳴器控制、按鍵檢測和定時器0中斷服務(wù)等，方便用戶調(diào)試程序。

（4）將μC／OS－П移植到ARM處理器LM3S8962上需要修改3個與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件：OS＿CPU.H、OS＿CPU＿A.ASM、OS＿CPU＿C.C。

完成上述工作后，只要再根據(jù)目標(biāo)板的實際情況編寫Target目錄中的3個文件，μC／OS－П就可以運行在LM3S8962單片機上了［2］。

3.2.2 ZLG／IP精簡協(xié)議棧

為使轉(zhuǎn)接口具有以太網(wǎng)接入功能，必須在ARM處理器中嵌入TCP／IP協(xié)議，ZLG／IP精簡協(xié)議棧完全符合嵌入式TCP／IP協(xié)議棧的特殊性要求，是面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基于μC／OS－П的小型TCP／IP協(xié)議棧。ZLG／IP提供實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)上IP接點的功能，是個高性能的嵌入式TCP／IP協(xié)議軟件［3］。它使用μC／OS－П實時操作系統(tǒng)的信號機制來實現(xiàn)一個多任務(wù)并行可重入的協(xié)議棧，完全使用ANSI C進(jìn)行編寫，可以像μC／OS－П那樣支持多種CPU。

精簡TCP／IP協(xié)議中各層采用的協(xié)議如下（主要是嵌入式系統(tǒng)硬件平臺上運行的協(xié)議）：

1）鏈路層：由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，主要包括：Ethernet Driver協(xié)議。

圖2 ARM Cortex移植模版層次結(jié)構(gòu)

2）網(wǎng)絡(luò)層：IP／ARP／ICMP協(xié)議。

3）傳輸層：采用TCP或UDP協(xié)議，TCP協(xié)議提供了一種可靠的面向連接的字節(jié)流運輸層服務(wù)，而UDP協(xié)議是一個簡單的面向非連接的數(shù)據(jù)包的運輸層協(xié)議，考慮到所設(shè)計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕O(shè)計中選用UDP協(xié)議。

因為系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于互聯(lián)網(wǎng)的要求，所以要設(shè)計TCP／IP協(xié)議簇中那些基本的、系統(tǒng)所要求的那一部分。將ZLG／IP協(xié)議嵌入到操作系統(tǒng)μC／OS－П中，并提供API接口函數(shù)供應(yīng)用程序調(diào)用，使得ARM可以快速無沖突地收發(fā)網(wǎng)絡(luò)UDP數(shù)據(jù)包，符合遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對實時性和可靠性的要求。

4 系統(tǒng)功能測試

測試中使用PC機同時作為SPI口設(shè)備和上位機。使用SPI串行接口與上端n RF24E1相連接；使用交叉網(wǎng)線分別連接PC機和目標(biāo)系統(tǒng)的RJ45接口，同時設(shè)置IP地址、子網(wǎng)掩碼，以使它們在同一網(wǎng)絡(luò)中通訊。

在PC機上運行TCP＆UDP測試軟件和UDP通訊程序作為上位機軟件進(jìn)行測試。在UDP通訊程序中設(shè)置遠(yuǎn)程主機（即目標(biāo)系統(tǒng)）地址為192.168.0.5，遠(yuǎn)程端口號為1025，輸入一組數(shù)據(jù)，在TCP＆UDP測試軟件創(chuàng)建連接的情況下，在TCP＆UDP測試軟件的接收區(qū)中接收到消息。同樣發(fā)送其他信息，在接受區(qū)中收到的消息和鍵盤輸入的信息一樣。表明雙方通信的成功。運行結(jié)果如圖3。

圖3 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

系統(tǒng)經(jīng)測試能夠同時對多臺監(jiān)控模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)分析顯示以及在線控制，而且實時性能滿足要求，能滿足大多數(shù)小型系統(tǒng)的使用。

根據(jù)本文所論述的解決方案和設(shè)計的系統(tǒng)，可以在SPI串行數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)傳送的TCP／IP數(shù)據(jù)包之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，使帶有SPI串行數(shù)據(jù)通信設(shè)備的信息可以通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送或共享。可將現(xiàn)有SPI串行設(shè)備轉(zhuǎn)換成具有網(wǎng)絡(luò)接口的外設(shè)，從而保證了SPI串行口設(shè)備的兼容性。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于：門禁、安防、考勤系統(tǒng)；工業(yè)現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控；倉儲自動控制系統(tǒng)；醫(yī)療、實驗儀器聯(lián)網(wǎng)自動化；大型零售（OPS）系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)自動化。具有一定的市場前景，能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。

［1］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2005.

［2］謝希仁.計算機網(wǎng)絡(luò)（第四版）［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2005.

［3］頓雁兵，張海南.基于LPC2210的嵌入式以太網(wǎng)接口芯片設(shè)計［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007，（6）：1077－1080.

［4］龐海濤，陳昕，程高峰.μC／OS－Ⅱ在Cortex－M3系列單片機上的移植［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008，（11）：31－33.

Design of ethernet conversion interface system based on ARM andμC／OS－П

DUAN Hui－ting

（HebeiElectronicandInformationTechnologyAcademy，ShijiazhuangHebei050051，China）

TCP／IP and Internet are widely used in industrial field，yet plenty of industrial equipments do not have network interfaces and can not be connected to the Internet directly.In order to seek a new kind of method to solve the interconnection problem between these tradition equipments and the current network equipments，Internet Conversion Interface Based on ARM andμC／OS－Пis desiged in this paper.

Embedded system；Ethernet；SPI Serial Communication；S－П；ZLG／IP

TP393

：A

1001－9383（2011）04－0045－04

2011－06－30

段慧婷（1982－），女，河北石家莊人，碩士，主要從事信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與交換技術(shù)研究.