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1 引言 在儀器儀表迅速發展的同時，計算機和網絡技術也在迅速發展，PC機已經從高速增長進入到平穩發展時期，單純由PC機帶領電子產業蒸蒸日上的時代己經成為歷史，嵌入式系統的出現和廣泛應用，使計算機和網絡進入了后PC時代。基于嵌入式智能儀表遠程監控系統作為工業控制網絡重要發展方向之一，是工業數據通訊與控制網絡技術、互聯網技術等多種技術共同發展的結果。該項技術的發展與成熟將會給人們的生產生活帶來深遠的影響。 2 嵌入式控制器硬件設計 控制器的定義：嵌入式控制器以高速處理器為核心，由高速處理器和其他芯片協同工作來控制的電子設備或裝置，能夠完成監視、控制等各種自動化處理任務。嵌入式控制器是系統的核心部分。 2.1 系統硬件結構圖 圖1 嵌入式控制器系統硬件結構圖 嵌入式控制器的系統硬件結構圖見圖1所示。由5V、3.3V和1.8V二種直流電源供電。系統主要由DSP芯片TMS320C5402、256K FLASH存儲器、以太網接口芯片RTL8019AS、 A/D轉換芯片、串口芯片等組成。 從嵌入式控制器的系統硬件結構圖以看出嵌入式控制器是嵌入式遠程監控系統的關鍵部分。現場智能儀器儀表可以通過嵌入式控制器的模擬量和數字量接口輸入信號，由控制器內嵌的服務程序，通過以太網或Modem，在遠程由客戶端程序對現場智能儀表進行信號的查看和控制，從而實現智能儀表的遠程監控。 2.2 處理器DSP 5402最小系統設計 （1）復位電路。同時設計上電復位電路和人工復位電路，當系統運行中出現故障時可方便地人工復位。復位電路一方面應確保復位低電平時間足夠長，保證DSP可靠復位；另一方面應保證穩定性良好，防止DSP誤復位。復位電路采用MAX706R芯片組成自動復位電路。MAX706R是一種能與具有3.3V工作電壓的DSP芯片相匹配的自動復位芯片。該芯片的具體接法如圖2所示。 （2）時鐘電路。一般DSP系統中經常使用外部時鐘輸入，因為使用外部時鐘時，時鐘的精度高，穩定性好，使用方便。由于DSP工作是以時鐘為基準，如果時鐘質量不高，那么系統的可靠性、穩定性就很難保證。因此，本系統擬采用外部時鐘源提供時鐘，如圖3所示。將外部的時鐘信號直接加到DSP芯片的X2/CLKIN引腳，X1引腳懸空。設置CLKMEI=1，CLKMD2=1，CLKMD3=1。復位后使DSP芯片的時鐘為外部晶振頻率的1/2，即2分頻。 圖2 系統自動復位電路 圖3 時鐘電路 （3）系統電源設計。TMS320VC5402芯片采用雙電源供電，DSP的核內電壓和I/O接口電壓分別為1.8V和3.3V， 本系統需要三種電源，電壓為5V、3.3V和1.8V。其中，RTL8019AS網卡芯片和模數轉換電路均采用5V電源供電。DSP的雙電源解決方案采用TPS73HD318實現，輸入的電源電壓為5V，輸出電壓分別為3.3V和1.8V，每路電源的最大輸出電流為750mA。 2.3 程序存儲器的擴展 FLASH存儲器與EPROM相比，具有更高的性能價格比，而且體積小、功耗低、可電擦寫、使用方便，并且3.3V的FLASH可以直接與DSP芯片連接。因此，采用FLASH作為程序存儲器存儲程序和一些固定數據是一種比較好的選擇。本系統的程序存儲器選用了一片AT29LV020 FLASH存儲器。此芯片有256K×8的存儲空間，最快讀取速度為100ns。所以在讀取程序時，要使主頻低于10MHz。 2.4 接口電路設計 （1）模擬量輸入接口。模擬量輸入通道采用了TI公司生產的TLV2544芯片，當與DSP芯片連接時，可用一個幀同步信號FS來控制一個串行數據幀的開始。采用TMS320VC5402提供高速、雙向、多通道帶緩沖串行端口MCBSP，可用來與串行A/D轉換器直接連接。 （2）以太網擴展接口。實現嵌入式智能儀表的遠程監控系統，首要的問題就是要讓智能儀表具有以太網接口。臺灣Realtek公司生產的RTL8019AS以太網接口芯片可以讓嵌入式控制器具有通用計算機的網絡接口。 （3）RS-232串行接口設計。RS-232-C并未定義連接器的物理特性，因此存在DB-25， DB-15和DB-9等多種類型的連接器。DSP為了同現場智能儀表的串口相連，我們用MAXIM公司的MAX3111來完成EIA到TTL電路之間的電平和邏輯關系的轉換。 （4）RS-485串行通信接口。RS-485是為了適應遠距離、分布式控制系統的需要而制定的一種串行通信總線標準。它支持多節點、遠距離傳輸。RS-485標準采有用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線。為了擴展終端連接設備的數量，本設計增加了RS-485接口。DSP與RS-485串口的連接使用MAXIM公司的MAX3140UART通信芯片來完成。 3 嵌入式TCP/IP協議設計 3.1總體數據流設計 嵌入式TCP/IP的總體數據流圖如圖4所示。 圖4 嵌入式TCP/IP的總體數據流圖 應用程序通過Socket應用編程接口使用TCP/IP協議棧提供的數據通訊功能。發送數據時，如果選擇的是面向連接的TCP協議，則應用程序將用戶數據交給TCP協議模塊處理，TCP模塊將其首部和數據封裝成TCP報文段；如果選擇的是無連接的UDP協議，則將用戶數據交給UDP協議模塊處理，UDP模塊將其首部和數據封裝成UDP數據報。然后將封裝好的TCP報文段或UDP數據報交給IP協議模塊，IP模塊在TCP報文段或UDP數據報上添加IP首部，并封裝成IP數據包，然后根據路由表為IP數據包確定路由;找到了路由則將數據包發送到網絡接口層，網絡接口層判斷發送的數據是從以太網接口還是從異步串口發出，如果是從以太網接口發出，則要利用ARP協議找到目的IP地址對應的物理地址，然后封裝成以太網幀，由網卡驅動程序將以太網幀發送出去。 3.2 總體數據結構 TCP通過一個數據結構為每個TCP連接協調發送、接收和重發動作，該數據結構稱作TCP傳輸控制塊TCB。TCP為每個活躍的連接保留一個TCB，TCB中包含了有關TCP連接的所有信息，包括連接端點的地址和端口號，當前平均往返時間的估計值，發送或接收的數據，是否需要確認或重傳，以及一組有關該連接的使用情況的統計數據，所以TCB較大，本設計對TCB進行了簡化，只保留了用于控制面向連接的數據收發所必需的基本信息。 用于UDP協議的數據收發控制塊UTCB包含了UDP端結點的所有信息：外部和本地IP地址、外部和本地端口號以及其它控制信息。UTCB的使用及分配與TCB完全一樣，只是因為UDP不需要建立連接，所以只要有數據進行發送，則立即分配UTCB，一旦數據發送完成，則釋放該UTCB。 4 嵌入式控制器軟件設計 根據系統的控制要求和編程的需要，將系統軟件的模塊劃分如下部分，共分六個模塊，分別是主控模塊、初始化模塊、協議封裝模塊、協議拆包重組模塊、網絡接口模塊和應用層應用模塊。圖5分別是各模塊之間的邏輯關系。 圖5軟件系統模塊之間的關系 （1）主控模塊設計。主控模塊中通常包含一些變量的定義和函數的調用。另外一些重要的I/O端口定義也放在主控函數中。在主控模塊中定義了延時信號函數、端口設置函數、同步串口設置函數、中斷服務函數等。系統工作時程序從主控模塊的main()函數開始運行，首先是調用DSP及RTL8019AS的初始化程序，完成初始化之后，主程序以一個無條件循環進入工作狀態。 （2）初始化模塊設計。系統軟件在運行的時候首先要調用初始化程序，對系統的各資源進行初始化，然后才能正常工作。初始化模塊包括了四個初始化函數，分別是net_init()、dsp5402_init()、interrupt_init()、nic_atl_init()。 （3）協議封裝模塊設計。協議封裝部分的作用是將數據進行分組，并以不同的協議打包封裝使其成為符合TCP/IP協議規范的分組數據。在設計中，對于不同協議的封裝，分別由不同的函數實現。在本系統中，監控終端系統需要對位于網絡層的IP協議、位于傳輸層的TCP協議進行封裝。封裝順序是先傳輸層協議TCP封裝，后網絡層協議IP封裝。之后傳入網絡接口模塊發送出去。 （4）協議拆包重組模塊設計。本模塊的工作過程是這樣的，數據從以太網上被接收下來之后，首先會放在網卡芯片的片上內存當中，由DSP即網絡接口模塊將其讀入后進行協議分解，根據協議的內容進行相應處理，如果是UDP封裝的數據則將其放入系統的接收緩沖區當中。由DSP根據協議中序列號字段的值對數據包進行重新分組排隊，最后將數據拆包、合并，形成連續的數據流后，傳送到應用層進行進一步處理。 5 小結 本文詳細闡明了嵌入式控制器的硬件和軟件的設計和實現過程，包括微處理器系統硬件設計和實現、和智能儀表的接口模塊實現、TCP/IP協議分析和實現等。嵌入式遠程監控系統的成功實現將有很大的實用價值和很好的應用前景。它不僅僅應用在工業控制方面，而且它還將會在氣象、環境監測、智能家居等領域得到廣泛的應用。在以后的開發過程中，還可以提出比較標準化的應用層通信協議，以實現多家產品的兼容通信。還可以嘗試將多個單系統連接在一塊，來進行協調工作，真正實現監控系統的遠程化和網絡化。 本文作者創新點 本系統采用了16位定點高速DSP微處理器(其程序易于移植到同類32位微處理器芯片上)，其運行速度可達100MIPS性能較早前流行的8位微處理器有明顯的提高。方案設計的本身就也是一種創新，通過采用較優技術和高性能的硬件，組合出了高性能的監控系統。借用了計算機的模塊化(包括軟件和硬件)設計思想，使系統可以根據需要進行重新組合。 |
