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        基于USB接口的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

        2014-07-01 23:28:36趙建華韓智慧
        關(guān)鍵詞:嵌入式設(shè)計(jì)

        趙建華,韓智慧

        (1.長(zhǎng)春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心,吉林長(zhǎng)春 130032;2.長(zhǎng)春科技學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130600)

        基于USB接口的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

        趙建華1,韓智慧2

        (1.長(zhǎng)春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心,吉林長(zhǎng)春 130032;2.長(zhǎng)春科技學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130600)

        目前物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展。為了解決計(jì)算機(jī)串行接口和并行接口嚴(yán)重不足的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)各種儀器設(shè)備之間的方便連接,本文提出USB接口模塊和無(wú)線傳輸技術(shù)相結(jié)合的方案。以Cortex-M3為內(nèi)核,根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸協(xié)議IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),將TCP/IP協(xié)議棧中的協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化分離,設(shè)計(jì)出頻率穩(wěn)定、功耗低、傳輸協(xié)議及傳輸模式可控、快速的傳輸協(xié)議,最終完成針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系中數(shù)據(jù)傳輸功能模塊的USB接口的設(shè)計(jì)。

        物聯(lián)網(wǎng);Cortex-M3;USB接口;簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議

        在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,嵌入式技術(shù)顯得尤為重要。目前,嵌入式處理器大致分為嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器、嵌入式片上系統(tǒng)。在日常生活中,嵌入式系統(tǒng)作為后PC時(shí)代的計(jì)算機(jī)平臺(tái)被廣泛使用,如家用電器、醫(yī)療器械、手機(jī)、汽車等。嵌入式系統(tǒng)以其軟硬件的可裁剪性、可靠性、成本低、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)廣受歡迎。我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)面臨的問(wèn)題有產(chǎn)品批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)性、產(chǎn)品監(jiān)督和管理的統(tǒng)一規(guī)范性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)自主性以及網(wǎng)絡(luò)的帶寬等[1]。本文主要設(shè)計(jì)適合產(chǎn)業(yè)化的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊的USB接口。為了使傳輸速度達(dá)到最佳,以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)中的一層物理層、二層數(shù)據(jù)鏈路層為基礎(chǔ),為第三層網(wǎng)絡(luò)傳輸層提供終端,并利用LTC4055芯片實(shí)現(xiàn)USB接口為設(shè)備供電。

        1 無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)以USB接口為標(biāo)準(zhǔn)的在物聯(lián)網(wǎng)下進(jìn)行接收與發(fā)送的傳輸模塊,系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分為三大部分,即USB接口芯片電路、MCU微控制器芯片電路、物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊芯片電路(圖1)。

        圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

        物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊電路的主要功能:首先將微控制器送來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫姶挪òl(fā)射器,然后通過(guò)解調(diào)天線接收到的調(diào)制信號(hào)得到基帶信號(hào),再送給微控制器。

        1.2 無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)方案

        (1)無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)運(yùn)用了基于ARM Cortex-M3芯片內(nèi)核和以太網(wǎng)卡ENC28J60芯片。無(wú)線網(wǎng)關(guān)的無(wú)線通信模塊由最新芯片CC2538制作,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無(wú)線接收模塊負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù),然后交由Cortex-M3微處理器處理,并通過(guò)以太網(wǎng)卡ENC28J60傳到網(wǎng)絡(luò)中的上位機(jī),由上位機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件完成接收并顯示。

        圖2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        (2)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是建立在應(yīng)用層上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器,連接無(wú)線協(xié)調(diào)器和以太網(wǎng)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),圖3為協(xié)議轉(zhuǎn)換模型。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)按照無(wú)線協(xié)調(diào)器協(xié)議傳送到網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)上的無(wú)線協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)解析出數(shù)據(jù)的有效載荷,交由Cortex-M3處理器控制,由以太網(wǎng)卡芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。

        圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

        (3)無(wú)線協(xié)調(diào)器模塊選用CC2538片上系統(tǒng)芯片來(lái)設(shè)計(jì)[2]。CC2538 內(nèi)部集成了強(qiáng)大的安全加速器,能快速和有效地進(jìn)行身份驗(yàn)證和加密,其內(nèi)部具有強(qiáng)大的調(diào)試系統(tǒng)和綜合驅(qū)動(dòng)庫(kù)。為了減少應(yīng)用程序的運(yùn)行留存痕跡,CC2538xfnn ROM包括一個(gè)函數(shù)庫(kù)和一個(gè)串行引導(dǎo)加載程序。

        1.3 USB口的設(shè)備供電設(shè)計(jì)

        USB接口電路主要功能是提供總線的硬件收發(fā)接口,即系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)或系統(tǒng)和設(shè)備端的物理連接,并實(shí)現(xiàn)電氣和底層的邏輯功能,完成上層協(xié)議處理、數(shù)據(jù)收發(fā)控制以及電壓調(diào)節(jié)。

        為方便提供TTL電源、串行口通信、IAP編程及復(fù)位信號(hào)控制,可使用CP2101設(shè)計(jì)的工作電路,這樣能夠減少計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的接口。為將PC的USB口虛擬成COM口,可采用CYGNAL免費(fèi)提供的器件驅(qū)動(dòng)程序CP2101。因此,無(wú)需修改現(xiàn)有的軟件和硬件就可以通過(guò)USB向基于CP-2101的器件傳輸數(shù)據(jù),大量省去了CP2101系列器件二次開(kāi)發(fā)的投入[3]。

        2 TCP/IP的剪裁分析與實(shí)現(xiàn)

        2.1 TCP數(shù)據(jù)包首部及其分析

        TCP首部格式的定義需要遵循 RFC.791的相關(guān)規(guī)定,結(jié)構(gòu)體定義如下:

        Typedef stryct’

        {

        Word srceport; //源端口號(hào)

        Word destport; //目的端口號(hào)

        LWord seqnum; //系列號(hào)

        LWord Acknum; //確認(rèn)號(hào)

        Word lenflags; //首部長(zhǎng)度及標(biāo)識(shí)

        Word wndsize; //窗口大小

        Word urgptr; //緊急指針

        } _TCP_HDR;

        2.2 TCP/IP設(shè)計(jì)

        TCP/IP體系結(jié)構(gòu)4個(gè)層次功能如表1所示。

        表1 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)及功能

        嵌入式TCP/IP協(xié)議一般實(shí)現(xiàn):ARP/RARP、IP、ICMP、TCP、UDP、HTTP、SMTP、FTP、TELNET等協(xié)議,協(xié)議處理的主要流程如圖4所示[4]。

        在協(xié)議處理過(guò)程中,首先將以太網(wǎng)包讀入緩存,判斷其是否為ARP包,若是則檢測(cè)硬件類型、協(xié)議類型以及服務(wù)器操作類型;若不是則判斷該包是否為IP包,若是則查看IP地址是否正確;若正確,再接著判斷其是否為ICMP包,若是則調(diào)用ICMP包協(xié)議處理;若不是則判斷該包是否為TCP包,若是則調(diào)用TCP協(xié)議,最終再將以太網(wǎng)包讀入緩存。

        傳輸控制協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可分為3個(gè)階段。第一階段,建立連接。在建立連接時(shí)有兩種方法,即主動(dòng)和被動(dòng)打開(kāi)。服務(wù)器一直在偵聽(tīng)連接請(qǐng)求是一種被動(dòng)打開(kāi),客戶端發(fā)送連接請(qǐng)求是一種主動(dòng)連接[5];第二階段,傳輸數(shù)據(jù);第三階段,斷開(kāi)連接。和建立連接一樣,斷開(kāi)連接也分為主動(dòng)和被動(dòng)斷開(kāi)連接兩種方式。在上述基礎(chǔ)上,簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)傳輸控制協(xié)議的流程圖如圖5所示。在此簡(jiǎn)化過(guò)程中,直接判斷此連接是否處在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),若是則檢查IP地址、端口號(hào),檢查數(shù)據(jù)包系列號(hào),接著檢查目的端口號(hào),再判斷其是否為TCP協(xié)議,若不是則為正確數(shù)據(jù),接著進(jìn)入不同狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)處理。

        圖5 簡(jiǎn)化的TCP協(xié)議

        3 結(jié)論

        本文根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)的要求,設(shè)計(jì)了低成本、高效率的嵌入式串口模塊化的USB接口[6],使得工業(yè)RS-485串口設(shè)備能夠與基于簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、采集和控制的智能化管理。采用虛擬串口這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸與采集,把串口模塊上的串口通過(guò)虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序映射到上位機(jī)上,這樣上位機(jī)應(yīng)用層軟件就可以像使用標(biāo)準(zhǔn)串口一樣來(lái)與現(xiàn)場(chǎng)串口設(shè)備通訊。該系統(tǒng)以Cortex M3為核心,針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),由此開(kāi)發(fā)出頻率穩(wěn)定、功耗低、傳輸協(xié)議及傳輸模式可控的數(shù)據(jù)傳輸模塊USB接口。

        [1]熊鳴.基于Cortex-M3的數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2013(3):197-198.

        [2]張念淮.USB總線開(kāi)發(fā)指南[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001:56-60.

        [3]李浩.USB供電終極改造[J].大眾硬件,2005(3):101-102.

        [4]吳軍.自定義USB接口電源供電[J].電腦維護(hù)與應(yīng)用,2005(2):15.

        [5]阮利華,王祥.USB2.0接口IP核的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)[J].復(fù)旦大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005(1):173-174.

        [6]劉學(xué)剛.一種基于Cortex-M3核心芯片的物聯(lián)網(wǎng)模塊[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2012(6):5-6.

        2014-09-01

        吉林省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20100512)。

        趙建華(1979- ),男,吉林白城人,長(zhǎng)春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心講師,從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

        韓智慧(1978- ),女,吉林長(zhǎng)春人,講師,從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。

        TP334

        A

        2095-7602(2014)06-0032-04

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