蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 張小磊 戈 磊

蘭州鐵路公安局公安處網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)察科 馬亞洲

1.引言

在實際應(yīng)用中，串口通信和以太網(wǎng)通信作為兩個重要的通信手段是嵌入式系統(tǒng)與PC機之間通信的重要橋梁[1]。串行通信是一種可以將來自CPU的并行數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去，同時可將接受的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU的通信方式。串口通信具有點對點通信、通信協(xié)議可由通信雙方統(tǒng)一約定，操作靈活等特點。以太網(wǎng)通信原指基帶局域網(wǎng)通信。1982年以太網(wǎng)通信協(xié)議被IEEE采納成為局域網(wǎng)鏈路層的標準，之后又相繼戰(zhàn)勝了令牌總線、令牌環(huán)等技術(shù)，成為了局域網(wǎng)通信的事實標準。以太網(wǎng)通信接入采用異步工作方式，很適于處理IP突發(fā)數(shù)據(jù)流，同時又具有LAN交換、星形布線、大容量MAC地址存儲以及管理性等重要技術(shù)[2]。因此基于PC104將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到以太網(wǎng)網(wǎng)口進行發(fā)送可以做到兩者優(yōu)勢互補，大大提高數(shù)據(jù)通信的可靠性和靈活度。

2.總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)分析

本文基于PCM-3466嵌入式硬件平臺。其主頻高，內(nèi)置以太網(wǎng)，串口多，功耗低等特點極大地滿足了本系統(tǒng)的硬件需要。

系統(tǒng)軟件設(shè)計是本文的重點，也是難點。由于系統(tǒng)的資源有限，所以系統(tǒng)只是把TCP/IP的核心部分移植到核心處理器中，其它不需要的部分全部舍棄。軟件主要分為四層[3]：

(1)以太網(wǎng)物理層，完成對以太網(wǎng)控制器的驅(qū)動。

(2)以太網(wǎng)接口層，通過ARP協(xié)議完成以太網(wǎng)卡MAC的辯識。

(3)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層，即完成最基本的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，包括IP、ICMP等協(xié)議。其中IP協(xié)議是一個很重要的協(xié)議，它類似于交通工具，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡亍?/p>

(4)網(wǎng)絡(luò)傳輸層，目前主要包括TCP、UDP、DNS協(xié)議。TCP協(xié)議(傳輸控制協(xié)議)是應(yīng)用最廣泛的一種傳輸協(xié)議，它好比是交通指揮系統(tǒng)，讓網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則進行傳輸。TCP為兩臺主機提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。

2.2 上位機與下位機的通信實現(xiàn)

圖1 PCM-3466實時數(shù)據(jù)通信的硬件原理圖

在上位機即計算機上編好程序，生成exe格式的可執(zhí)行文件，通過串口下載到下位機中，修改下位機的配置文件使可執(zhí)行文件在下位機上電時即可自動運行。下位機與上位機之間同時通過以太網(wǎng)連接，下位機將傳感器傳到串口的數(shù)據(jù)信息通過以太網(wǎng)傳給上位機同時將數(shù)據(jù)以二進制形式存儲在外擴存儲器中。

3.實時數(shù)據(jù)通信的硬件實現(xiàn)

在數(shù)據(jù)采集過程中，要實現(xiàn)串口與網(wǎng)口穩(wěn)定的實時通信，選擇一款合適的硬件平臺是十分重要的，本文基于PCM-3466嵌入式硬件平臺。PCM-3466是一款性價比極高，尺寸極其緊湊的嵌入式控制模塊，在通信、工控、電氣及其自動化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[4]。PCM-3466具有16位高性能處理器，該處理器內(nèi)部為32位RISC架構(gòu)主頻高達100MHz，內(nèi)置了10/100M高速以太網(wǎng)接口、四個串口和標準IDE接口。PCM-3466的這些特點為網(wǎng)口與串口的實時通信提供了可靠地保證?；赑CM-3466實時數(shù)據(jù)通信的硬件原理圖如圖1所示。

通過如圖1的硬件設(shè)計即可完成對實時數(shù)據(jù)通信核心硬件部分的設(shè)計，當(dāng)然作為一個完整的系統(tǒng)其他外圍電路也是必要的。

4.實時數(shù)據(jù)通信的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 總體軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計主要分為硬件的初始化、各種參數(shù)的初始化、域名解析、連接服務(wù)器(或監(jiān)聽客戶端)、串口與網(wǎng)口數(shù)據(jù)交換等。圖2為本系統(tǒng)整體軟件框架。

4.2 串口數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)

圖2 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計圖

圖3 數(shù)據(jù)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口實現(xiàn)

由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)包為單位發(fā)送的，而串口數(shù)據(jù)是連續(xù)不斷發(fā)送的[5]，因此設(shè)定一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的串口數(shù)據(jù)打包的長度就是串口數(shù)據(jù)通信的重點問題。通常設(shè)定數(shù)據(jù)包長度有兩種辦法，一種是直接設(shè)定數(shù)據(jù)打包長度，另一種是設(shè)定數(shù)據(jù)包間隔。

通常以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包最長1500多字節(jié)，所以在串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)器收到1500字節(jié)后必須將其打包發(fā)送。除了數(shù)據(jù)包長度作為串口分幀的規(guī)則外，一個更為符合邏輯的方法是通過數(shù)據(jù)包間隔。當(dāng)串口轉(zhuǎn)TCP/IP轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)現(xiàn)的串口數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)了T毫秒的空閑時間時，則認為之前收到的串口數(shù)據(jù)可以作為一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送了。這里的T就是用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)包間隔。

4.3 網(wǎng)口數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信是指網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和串口數(shù)據(jù)之間的透明轉(zhuǎn)換。但是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)是以字節(jié)Byte計算的，每個字節(jié)都是8位[6]，而串口數(shù)據(jù)則有可能出現(xiàn)9位，第9位常常用于區(qū)分是地址幀還是數(shù)據(jù)幀，1表示地址幀0表示數(shù)據(jù)幀。因此在當(dāng)串口轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)之后，如何將第9位也傳送出去就成了一個關(guān)鍵技術(shù)。

在眾多的串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口方案中都是將第9位直接舍棄的，本系統(tǒng)具有快速地適應(yīng)9位的功能，由于增加了第9位，所以串口數(shù)據(jù)不能夠直接透明地轉(zhuǎn)化為TCP IP應(yīng)用層數(shù)據(jù)，其實現(xiàn)方法是將串口數(shù)據(jù)打包之后整個作為TCP IP的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸。這樣可以通信協(xié)議頭部加入該數(shù)據(jù)包的9位是1還是0的信息，從而實現(xiàn)了9位數(shù)據(jù)實時通信。

5.結(jié)果分析

圖3為串口與網(wǎng)口數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)圖，由圖可以看出，本系統(tǒng)在大容量、高速率的串網(wǎng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中運行良好，沒有出現(xiàn)阻塞、丟包等現(xiàn)象，與理論設(shè)計基本一致。

6.結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景。本文介紹的基于PCM-3466的實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已在實際應(yīng)用中取得了成功，實驗表明系統(tǒng)基于PCM-3466的實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有功耗低，體積小，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定，使用方便等特點。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于通信，雷達，制導(dǎo)等電子系統(tǒng)中。

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