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      基于SEP3203的嵌入式以太網口的設計

      2022-01-08 09:57:50

      基于SEP3203的嵌入式以太網口的設計


      摘要 在自動化控制及其他民用設備、工業控制如電力設備系統等領域,眾多設備的對外通訊接口仍然是低速串口。但低速串口有其固有的缺點:無法集中、全面、準確而實時地監控數據。本文介紹基于微處理器SEP3203串口以太網轉換器的以太網接口的軟硬件設計方法,它可以變傳統的串口通訊為網絡通訊,實現串口設備的快速聯網。

      關鍵詞 串口;以太網口;SEP3203;Nucleus

      1引言

      在自動化控制及其他民用設備、工業控制如電力設備系統等領域,眾多設備的對外通訊接口仍然是低速串口。因此現有系統的缺點是:無法集中、全面、準確而實時地監控數據。隨著以太網在工業、商業領域的大規模使用以及網絡自動化強勁勢頭的到來,用戶與供應商迫切需要在任何時間和任何地點都可以實時訪問數據和進行控制,做到遠程快速故障分析與處理、設備的遠程維護,以便提高質量,提高工作效率并降低整體成本。完全換掉這些串口通訊的設備是既不經濟也不可行的。針對一些實際需求,采用串口以太網轉換器就是解決這些問題的解決方案。本課題串口以太網轉換器正是在這一要求下設計出來的產品, 本文就是本課題下的子課題部分。


      2 基于ARM7TDMI的SEP3203微處理器簡介

      ARM7TDMI處理器是ARM7處理器系列成員之一,是目前應用較廣的32位高性能嵌入式RISC處理器,SEP3203[1]是東南大學國家專用集成電路系統工程技術研究中心基于ARM7TDMI處理器內核設計的16/32位RISC微處理器芯片。它面向低成本手持設備和其它通用嵌入式設備,為用戶提供了豐富的外設、低功耗管理和低成本的外存配置。

      3串口以太網轉換器中與以太網接口相關的電路結構


      為了實現該轉換模塊的研究,首先要選擇一個硬件平臺即嵌入式處理器。由于ARM是

      基于精簡指令系統(RISC)的32位內核,代碼效率高,運行速度快,綜合性能強,在基于ARM體系結構的嵌入式CPU中,基于ARM7TDMI體系結構的SEP3203嵌入式微處理器擁有較好的技術支持,因此本轉換器選擇SEP3203作為硬件平臺;轉換系統必須要有電源,供整個系統用;系統工作時需要有工作時鐘,因此本系統需要有時鐘電路;由于用戶需要的轉換器要有串口、USB和以太網口下載等功能,由于本文只針對以太網口,其它兩個接口本文不作介紹。以太網口與嵌入式芯片之間要有一個網絡模塊,現把與以太網口相關電路結構的部分設計顯示如圖1所示。


      4 網絡接口電路的硬件設計

      SEP3203芯片內部沒有集成網絡模塊,但SEP3203芯片設計的接口豐富,可以方便地擴展??紤]使用中可能對網速的要求比較高,因此本系統選用了10M的以太網接口。本系統的網絡接口采用REALTEK公司的RTL8019芯片。RTL8019AS 是一種高度集成的以太網芯片,能簡單的實現Plug and Play 并兼容NE2000。由于它擁有三種等級的掉電模式,所以它是綠色電腦的網絡設備的理想選擇。在全雙工模式下,如果是連接到一個同樣是全雙工的交換機或集線器,就可實現同時接收和發送[2]。

      RTL8019AS支持16KByte、32KByte、64KByte的BROM,另外還支持FLASH MENORY和頁訪問方式,最大支持4MByte(16K×256),此外還支持在運行完BROM 后釋放內存以供系統其他程序的運行。網絡接口模塊的系統連接示意圖如圖2所示。


      5 軟件平臺Nucleus

      綜合考慮各個因素,我們選擇了嵌入式實時操作系統Nucleus。Nucleus PLUS是美國著名RTOS廠商(ATI)(Accelerated  Technology Inc)公司為實時嵌入式應用而設計的一個搶先式多任務操作系統內核,其95%的代碼是用ANSI C寫成的,非常便于移植并支持大多數類型的處理器。Nucleus PLUS是一組C函數庫,下載到目標板的RAM中或直接燒錄到到目標板的ROM中執行。在典型的目標環境中,Nucleus PLUS核心代碼一般不超過20K字節大小,內核規模非常小。Nucleus PLUS除提供功能強大的內核操作系統外,還提供種類豐富的功能模塊。例如用于通訊系統的局域和廣域網絡模塊,支持圖形應用的實時化Windows模塊,支持nternet網的WEB產品模塊,工控機實時BIOS模塊,圖形化用戶接口,以及應用軟件性能分析模塊等,用戶可以根據自己的應用來選擇不同的應用模塊。


      6  網絡接口通信的設計

      網絡接口的硬件將網絡上傳送來的數據送入系統內存中,并通知操作系統有網絡數據到達。通常,網絡接口使用中斷機制來完成這一任務,一個中斷時處理器將正常的處理掛起,跳轉到設備驅動程序的代碼段執行。此時,由設備驅動程序管理所有細節。設備驅動軟件通知協議棧已經有一個分組到達,并要求進行相應的處理。當設備驅動軟件完成這些繁瑣的處理工作后,他將從中斷返回,處理器繼續從中斷發生處往下執行。在本協議棧中,設備驅動程序對上層應用屏蔽了接收和發送的細節。用戶只需要調用相應的套接字即可以完成數據的接收和發送。比如用戶要使用非阻塞方式接收和發送數據,可以使用Select(),在Select 的timeout 參數選擇NO_PREEMPT,即可以非阻塞方式接收發送。在本TCP/IP 實現中,協議棧初始化是依靠調用NETI_Init()完成的。NETI_Init()完成兩個工作,首先是對網絡協議棧的初始化[5], 然后就對系統所使用的網絡設備進行初始化。

      網絡接口通信模塊的流程圖如圖4[1]所示。

      流程說明:①程序由Main()函數開始,調用taskmain()。②taskmain()調用sys_ini()對系統初始化,調hardware_ini()對硬件初始化;調用vcre_tsk()創建了6個任務,調用stak_tske()將部分任務放入就緒隊列,調用sys_sta()啟動系統。③通過系統調度開啟任


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