１前言 　　

以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，在工業(yè)自動化和過程控制領(lǐng)域得到了越來越的應(yīng)用。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。目前，隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層。基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)最典型的應(yīng)用形式是Ｅｔｈｅｒｎｅｔ＋ＩＣＰ／ＩＰ，它的底層是Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層采用國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)ＴＣＰ／ＩＰ．然而大量的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手等設(shè)備，這些設(shè)備最常用的通訊方式為ＲＳ－２３２／４８５／４２２串行接口，不具備網(wǎng)絡(luò)接口，以至無法直接接到以太網(wǎng)。

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，以微控制器／微處理為硬件核心的嵌入式系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，并在無線通訊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文選用基于ＡＲＭ９和ａｒｍｌｉｎｕｘ開發(fā)嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口控制器，實現(xiàn)串行口數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，通過這種方式，可以使傳統(tǒng)串口設(shè)備成為具有網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備，直接接入工業(yè)以太網(wǎng)。

２嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口控制器工作原理 　　

嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口器選用ＤＭ９０００Ｅ芯片作以太網(wǎng)控制器，來完成與上級以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換，采用３２位微處理器ｓ３ｃ２４１０和嵌入式Ｌｉｎｕｘ進(jìn)行協(xié)議實現(xiàn)和數(shù)據(jù)處理，然后將處理過的數(shù)據(jù)下傳給底層設(shè)備終端；把從底層終端設(shè)備接收的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和協(xié)議實現(xiàn)，通過ＤＭ９００Ｅ傳輸?shù)剑桑睿簦澹颍睿澹羯稀９ぷ髟砣纾彼?　　

３　嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口控制器硬件平臺 　　

嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口控制器硬件平臺的整體連接框圖如圖　２　所示。本文選用基于ＡＲＭ９內(nèi)核ＡＲＭ９ＴＤＭＩ的３２位微處理器ｓ３ｃ２４１０作為主控芯片。Ｓ３Ｃ２４１０處理器是Ｓａｍｓｕｎｇ公司基于ＡＲＭ公司的ＡＲＭ９２０Ｔ處理器核，采用０．１８ｕｍ制造工藝的３２位微控制器。該處理器擁有：獨(dú)立的１６ＫＢ指令Ｃａｃｈｅ和１６ＫＢ數(shù)據(jù)Ｃａｃｈｅ，ＭＭＵ，支持ＴＦＴ的ＬＣＤ控制器，ＮＡＮＤ閃存控制器，３路ＵＡＲＴ，４路ＤＭＡ，４路帶ＰＷＭ的Ｔｉｍｅｒ　，Ｉ／Ｏ口，ＲＴＣ，８路１０位ＡＤＣ，Ｔｏｕｃｈ　Ｓｃｒｅｅｎ接口，ＩＩＣ－ＢＵＳ　接口，ＩＩＳ－ＢＵＳ　接口，２個ＵＳＢ主機(jī)，１個ＵＳＢ設(shè)備，ＳＤ主機(jī)和ＭＭＣ接口，２路ＳＰＩ。Ｓ３Ｃ２４１０處理器最高可運(yùn)行在２０３ＭＨｚ。本系統(tǒng)的ＦＬＡＳＨ存儲器選ＩＮＴＥＬ公司的２８Ｆ１２８，ＳＤＲＡＭ芯片選用兩片ＨＹ５７Ｖ５６１６２０構(gòu)成３２位的存儲器系統(tǒng)． 　　以太網(wǎng)控制器芯片選擇ＤＭ９０００，它是完全綜合的、成本較低的單一快速，具有通用的處理器接口，１０／１００Ｍ自適應(yīng)，以及４Ｋ雙字節(jié)靜態(tài)存取存儲器。它被設(shè)計為低功耗、高處理性能，支持３．３Ｖ到５Ｖ的容差。ＤＭ９０００提供一個ＭＩＩ接口來連接ＨＰＮＡ設(shè)備或者其他支持ＭＩＩ接口的收發(fā)器，并支持８位、１６位、３２位的接口來適應(yīng)不同的處理器對內(nèi)部存儲器的訪問，它支持ＩＥＥＥ８０２．３ｕ規(guī)格，還支持ＩＥＥＥ　８０２．３ｘ全雙工流控制。在ＤＭ９０００和ＲＪ４５接口之間需要用漢仁電子有限公司的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器ＨＲ６０１６２７來連接，網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器起信號傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、雜波抑制以及高電壓隔離等作用，以保護(hù)系統(tǒng)的安全。

 　　圖１嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口控制器工作原理

圖　２嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口控制器硬件框 　　

４　嵌入式操作系統(tǒng)的選擇 　　

本系統(tǒng)的設(shè)計，網(wǎng)卡驅(qū)動和ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的實現(xiàn)是重點(diǎn)，選擇嵌入式Ｌｉｎｕｘ，它已經(jīng)嵌入了ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧，使ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議得以實現(xiàn)。嵌入式Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)支持多種類型的網(wǎng)卡如各種ｌＯＭ／ｌＯＯＭ，１０００Ｍ　的Ｅｔｈｅｍｅｔ網(wǎng)卡等。對于　ＤＭ９０００Ｅ以太網(wǎng)控制器，嵌入式Ｌｉｎｕｘ已經(jīng)提供了很好的支持，移植過程中只需要修改源代碼和配置相應(yīng)模塊即可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的支持。

５以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn) 　　

本文開發(fā)的接口控制器主要完成兩個功能，即將串口接收到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡發(fā)送至以太網(wǎng)，將網(wǎng)卡接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至另一串口端。工作模式上可以選擇為服務(wù)器或客戶端模式，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可以選擇為ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，傳輸控制協(xié)議）方式或ＵＤＰ（Ｕｓｅｒ　Ｄａｔａｇｒａｍ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）方式。其中ＴＣＰ和ＵＤＰ是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的兩種傳輸協(xié)議，ＴＣＰ是基于連接的協(xié)議，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對方建立可靠的連接，而ＵＤＰ是面向非連接的數(shù)據(jù)直接傳輸協(xié)議，不需要對方的回答確認(rèn)。

５．１應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)編程 　　

由于嵌人式系統(tǒng)程序的開發(fā)和執(zhí)行是在ＰＣ和ＡＲＭ　兩個不同的平臺上進(jìn)行的，因此需要進(jìn)行交叉編譯和連接。用串口和以太網(wǎng)將宿主機(jī)和目標(biāo)板連接起來，程序開發(fā)在ＲｅｄＨａｔ９．０　Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)下編輯，調(diào)試通過后，加入自己開發(fā)的程序重新編譯ａｒｍｌｉｎｕｘ內(nèi)核，并將編譯好的二進(jìn)制文件固化到開發(fā)板的ＲＯＭ中，使其開機(jī)后自動運(yùn)行。

ＴＣＰ／ＩＰ處理模塊采用ＳＯＣＫＥＴ套接字編程實現(xiàn)。ＳＯＣＫＥＴ最早是在ＵＮＩＸ系統(tǒng)上為ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)通信而開發(fā)的一個接口程序，后來被成功移植到ＤＯＳ、Ｗｉｎｄｏｗｓ等操作系統(tǒng)上，成為Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上網(wǎng)絡(luò)開發(fā)最為通用的ＡＰＩ函數(shù)。用于網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的ＳＯＣＫＥＴ主要有Ｓｔｒｅａｍ　Ｓｏｃｋｅｔｓ（流格式）和Ｄａｔａｇｒａｍ　Ｓｏｃｋｅｔｓ（數(shù)據(jù)報格式）兩種類型，流格式Ｓｏｃｋｅｔ與ＴＣＰ協(xié)議對應(yīng)，數(shù)據(jù)報格式Ｓｏｃｋｅｔ與ＵＤＰ協(xié)議對應(yīng)。

５．２　軟件設(shè)計 　　

本系統(tǒng)采用工作模式ＴＣＰ　Ｓｅｒｖｅｒ服務(wù)器，等待客戶端請求連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。本程序的流程圖如圖３所示。首先，打開串口，在Ｌｉｎｕｘ下打開串口是通過標(biāo)準(zhǔn)的文件打開函數(shù)

　圖３　功能實現(xiàn)流程圖

圖４　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送

圖５　串口數(shù)據(jù)通過網(wǎng)卡發(fā)送 　　

操作，程序代碼如下： 　　ｉｎｔ　ｆｄ； 　　ｆｄ＝ｏｐｅｎ（“／ｄｅｖ／ｔｔｙＳ０”，Ｏ＿ＲＤＷＲ）； 　　ｉｆ（ｆｄ＝＝－１）　｛ｐｅｒｒｏｒ（“提示錯誤！”）；｝ 　　然后設(shè)置串口的波特率、校驗位和停止位。要用網(wǎng)卡接收發(fā)送數(shù)據(jù)，就要首先創(chuàng)建套接字，程序代碼如下： 　　ｉｎｔ　ｓｏｃｋ＿ｆｄ； 　　ｓｏｃｋ＿ｆｄ＝ｓｏｃｋｅｔ（ＡＦ＿ＩＮＥＴ，ＳＯＣＫ＿ＳＴＲＥＡＭ，Ｏ） 　　ｉｆ（ｓｏｃｋ＿ｆｄ＝＝－１） 　　｛ｐｅｒｒｏｒ（“ｓｏｃｋｅｔ”）； 　　ｅｘｉｔ（１）；｝ 　　然后設(shè)置屬性，然后等待客戶端的連接，一旦建立連接，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和傳送。

數(shù)據(jù)處理在整個程序中是十分關(guān)鍵的一環(huán)，該環(huán)節(jié)中實現(xiàn)的是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)之間的相互交換，根據(jù)實際需要也可以將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)或者其他類型接口的數(shù)據(jù)；這里網(wǎng)絡(luò)和串口數(shù)據(jù)交互處理分成兩部分，一部份是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成串口數(shù)據(jù)，另一部份是串口數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，其流程圖如圖４、５所示。為了充分利用系統(tǒng)資源，在數(shù)據(jù)處理程序中調(diào)用ｓｅｌｅｃｔ（）函數(shù)。Ｓｅｌｅｃｔ函數(shù)原型為：ｉｎｔ　ｓｅｌｅｃｔ（ｉｎｔ　ｎｕｍｆｄｓ，ｆｄ＿ｓｅｔ　＊ｒｅａｄｆｄｓ，ｆｄ＿ｓｅｔ　＊ｗｒｉｔｅｓｅｔ，ｆｄ＿ｓｅｔ　＊ｅｘｃｅｐｔｓｅｔ，ｃｏｎｓｔ　ｓｔｒｕｃｔ　ｔｉｍｅｖａｌ　＊ｔｉｍｅｏｕｔ）； 　　返回：準(zhǔn)備好的文件描述符個數(shù)（可以是０），－１表示出錯。

６結(jié)束語 　　

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文采用性價比高的３２位微處理器ｓ３ｃ２４１０作為主控芯片，移植了源代碼開放的Ｌｉｎｕｘ，它易于實現(xiàn)了ＴＣＰ／ＩＰ處理模塊，這樣大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，并有利于提高了串口數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換速率，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，使傳統(tǒng)串口設(shè)備方便接入以太網(wǎng)，為以太網(wǎng)在控制層和設(shè)備層的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。