高性能嵌入式工业以太网监控系统设计

　　1 引 言
　　自上世纪70年代以来，以网络通信技术、微电子技术为代表的TI产业蓬勃兴起，信息技术的飞速发展，导致了自动化系统结构的深刻变革，以多层次、网络集成自动化系统为基础的企业信息系统逐步形成。将嵌入式系统应用于以太网正逐步走入工业控制领域。本文提出了一种高性能、低成本的嵌入式工业以太网监控系统整体设计方案。
　　

      2 嵌入式工业以太网监控系统的总体设计
　　网络系统结构整体方案的构思和设计关系全局，其地位非常重要。对于工业以太网系统主要需要考虑的问题包括以下几方面：
　　1） 网络拓扑分析；
　　2） 数据传输分析；
　　3） 性能和布线需求分析；
　　4） 发展需求分析。
　　根据对工业网络设计要求的基本考虑，结合目前以太网的设计方法和现场总线的应用现状，本文设计了一种以以太网为主体的双环冗余高速工业监控网络体系，其系统结构示意图如图1所示。

　　图1 双环冗余高速以太网结构示意图

　　3 嵌入式工业以太网监控系统硬件平台的实现
　　嵌入式系统硬件包括微处理器、外围控制电路、只读存储器、可读写存储器和外围设备。本文将介绍和分析自主研制的嵌入式以太网监控系统装置，该装置以53C4510B嵌入式微处理器为核心，采用MAX1422作为12位高速AD转换器，连接RTL82OIBL以太网物理层接口电路，外加SST39VF160和HY57V641620作FlashROM和SDRAM单元，构成基本硬件平台。
　　3.1 接口电路
　　本系统的PHY接口采用Realtek公司生产的RTL8201BL芯片构成。RTL8201BL完全遵循IEEE802.3的物理层协议标准，采用+3.3V工作电源，支持10/100Mbps传输速度和半双工/全双工操作。该芯片内部除包括物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、l0BASE-TX编码/解码器和双绞线媒体访问单元外，还集成滤波器电路。RTL8201BL使用MII接口与S3C4510B的MAC控制器直接相连，同时通过H1102网络隔离变压器与RJ45双绞线接口连接，实现数据通道的安全隔离。
　　3.2 嵌入式处理器单元电路
　　S3C4510B为系统所采用的嵌入式处理器，这是一款的面向以太网应用、以ARM7TDMI为内核的16/32位RISC体系结构的微处理器。ARM7TDMI是目前ARM7系列中应用最为广泛的高性能内核，ARM7TDMI名字的基本含义为：ARM7表示ARM6的32位整型核的3V兼容的版本；T表示16位压缩指令集Thumb；D表示支持片上Debug；M表示内嵌硬件乘法器；I表示嵌入式ICE硬件提供片上断点和调试点支持。ARM7TDMI基本特性包括：3级指令流水线；Von Neumann体系结构；嵌入式ICE-RT；对输入、输出的外部设备是作为内存映象形式处理；两种指令集。
　　3.3 RS-232串行通信接口
　　RS-232串行接口电路用于嵌入式微处理器串行模块与外部串行资源的对等连接，实现LUTTL电平与RS-232电平之间的转换，本文设计使用一路RS-232串口电路。图2为RS-232串行接口电路图，UART0的数据发送信号UATXD0接MAX3232E的T11，转换成RS-232-C电平后，由T10接到9芯插头的RXD引脚。9芯插头的TXD信号连接到MAX3232E的R11，转换成LVTTL电平后，由R10连接到UARTO的数据接收引脚UARXD0。

　　图2 RS-232串行接口电路图

　　3.4 存储单元设计
　　存储单元电路由大容量的F1ashROM和SDRAM组成。根据嵌入式系统的工作方式，系统启动时首先使用Boot Loader代码将FlashROM中的操作系统内核和应用程序拷贝进SDRAM，并进行存储器的重定位，然后跳转到SDRAM对应的地址执行程序。S3C4510B支持8位/16位/32位的存储器组，对应的可以构建8位/16位/32位的F1ashROM存储器系统。存储器数据总线越宽，系统的性能就越高。但考虑成本和功耗等因素后，设计采用一片SST39VF160构成16位的F1ashROM存储器系统，内存700kB左右大小的uClinux内核和其他应用程序。参照S3C4510B的工作特性，设计选用2片HY57 V 641620并联构建32位的SDRAM存储器电路，充分发挥32位CPU的数据处理能力，满足嵌入式操作系统及各种复杂应用的要求。
　　AD采集单元电路
　　本系统使用12位高速AD转换器MAX 1422构成AD数据采集单元。MAX 1422是MAXIM公司设计的逐次逼近型并行高速AD转换器，其内部包含多种频率的跟踪保持（T/H）全微分输入放大电路，具有良好的动态性能。MAX1422采样速率为20Msps，工作电压为+3.3V，使用+2.048V内部基准电压，封装为48Pin-TQFP。MAX 1422设计用于低功耗应用，输入5MHz信号时的信噪比SNR和功耗分别是67dB和137mW，在低功耗模式、低基准电压模式和关闭模式下则有着更低的功率消耗。

　　4 嵌入式工业以太网监控系统软件平台的实现
　　本文设计的嵌入式工业以太网监控系统软件包括uCLinux嵌入式操作系统基本内核、硬件设备驱动程序、TCP/IP通信协议程序、用户应用程序几大部分，其基本结构如图3所示。用户应用程序主要是实现微型Web服务器，系统其他的软件部分包含在经裁减和修改的uCLinux操作系统内。

　　图3 嵌入式工业以太网监控系统软件基本结构图

　　1、uCLinux操作系统的TCP/IP协议。如图4所示，参照网络协议体系自身结构，uCLinux中的TCP/IP簇组成若干相连的软件层。图中BSD套接字由通用的套接字软件所支持。INET套接字层，用来管理基于IP的TCP与UDP的端到端互联。TCP是面向连接协议，而UDP则是非面向连接协议。当UDP报文发送后，uCLinux不知道也不关心它是否成功到达目的主机。而对于TCP传输，传输接点间先要建立连接，然后通过该连接传输己排好顺序的报文，保证了传输的正确性。

　　图4 uCLinux操作系统的网络层次结构

　　2、uCLinux下的Socket套接字。Socket套接字建立在TCP/IP协议基础之上，它由主机的IP地址和端口共同确定。uCLinux系统通过Socket将底层的各种形式的协议封装起来提供给用户的通用网络通信编程接口。Socket对各种网络通信操作进行抽象定义，使调用Socket如同操作普通文件一般，返回一个对应的Socket描述符整数，它指向一个与该Socket有关的数据结构。通过Socket调用一旦建立了Socket描述符，应用程序可以使用其它特定的调用来为它添加其他详细信息，以完成建立通信的过程。
　　3、uCLinux下微型Web服务器的实现。本文设计的嵌入式Web服务器主要通过移植并修改uCLinux下的Boa Web服务器程序实现。Boa是一个源码开放、性能优秀的单任务HTTP服务器，它支持用户密码验证和CGI功能，能提供理想的同时登陆用户数目，而且所需存储空间大小合适，非常适合于嵌入式系统的应用。本系统使用Boa实现Web服务器程序主要通过对boa. conf和mime. types文件进行修改来实现。boa.conf位于user/boa/examples/目录下，在文件中完成的工作包括指定端口、服务器运行的用户和组属性、服务器名称、HTML文档的根目录、最大用户连接数、网页的字符编码以及支持的文件类型等。mine. types位于user/boa/examples/目录下，该文件定义了Boa支持的文件类型及此种文件的类属。

　　本文作者创新点
　　在基于建立无缝的企业信息集成的发展趋势、32位嵌入式处理器系统与工业以太网技术相互结合的先进控制理念下，本文提出的高性能嵌入式工业以太网监控系统的设计方案、重点分析并实现了新型嵌入式工业以太网监控装置的硬件架构和嵌入式软件体系。