【正文】 AT91SAM9G45 Datasheet Preliminary Summary [9] MCP2515 datasheet [10] DM9161 datasheet [11] 劉淼 .嵌入 式系統(tǒng)接口設(shè)計與 Linux 驅(qū)動程序開發(fā) .北京 :北京航空航天大學(xué)出版社，20xx. [12] 吳明暉 ,徐睿 ,黃健 ,徐辰 .基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用 [M].北京 :人民郵電出版社 ,20xx. [13] 孫鑫 .VC++深入詳解 .北京 :電子工業(yè)出版社 ,. [14] 陳賾主編 .ARM9 嵌入式技術(shù)及 Linux 高級實踐教程 .北京 :北京航空航天出 版社 ,20xx. [15] 等 .深入理解 LINUX 內(nèi)核 .北京 :中國電力出版社 ,20xx. [16] 星翼電子科技有限公司 .STM32 開發(fā)指南 .廣州 :,20xx. [17] 宋巖 .CortexM3 權(quán)威指南 (中文 ).北京 :,20xx. 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 30 致 謝 大學(xué)的生活就此結(jié)束，在這四年時間內(nèi)，得到了很多老師的關(guān)心和照顧，值此之際，向他們表示我誠摯的謝意。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 26 圖 網(wǎng)關(guān)輸出的調(diào)試信息 圖 上位機測試軟件界面 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 27 圖 系統(tǒng)聯(lián)測圖 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 28 第 6章 結(jié)論及展望 工業(yè)現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)互聯(lián)進行數(shù)據(jù)傳輸是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，現(xiàn)場總線采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程進行監(jiān)控，進而達到監(jiān)控和管理生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的目的。發(fā)送的信息格式如下： $T28,H34。 協(xié)議轉(zhuǎn)換的流程 如 圖 所示 。 int t = DownMessageBuf[126]8 | DownMessageBuf[127]。 if(TCP_RecCnt) { TCP_Put(amp。SendUpBuf)。 while(1) { printf(\r\n)。是讀寫指針，每寫入緩沖區(qū)一條數(shù)據(jù) writepos 自加一，每讀出一條數(shù)據(jù) readpos 自加 一。 //互斥 LOCK pthread_cond_t notempty。處理器處理時將多個 CAN 總線數(shù)據(jù)打包成一個以太網(wǎng)幀然后通過套接字發(fā)送到以太網(wǎng)上 。 服務(wù)器：監(jiān)聽客戶端發(fā)起的連接，發(fā)現(xiàn)有連接建立則發(fā)送字符串信息給客戶端； 客戶端：對服務(wù)器發(fā)起連接，接收服務(wù)器發(fā)送的信息，并打印收到的信息。 初始化流程如圖 所示，先打開 CAN 總線的設(shè)備文件，設(shè)置其工作的速率，然后設(shè)置過濾器及工作方式。因此在開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時首先要做的就是建立交叉開發(fā)環(huán)境。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 15 圖 以太網(wǎng)控制器（ DM9161BIEP）硬件電路 圖 RJ45 連接器電路 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 16 第 4章 系統(tǒng)軟件 設(shè)計 嵌入式 系統(tǒng) 特點及 開發(fā) 流程 嵌入式系統(tǒng)與一般的計算機系統(tǒng)相比較具有以下特點： ，嵌入式系統(tǒng)一般是面向特定應(yīng)用的，不像通用型的計算機，嵌入式系統(tǒng)設(shè)備一般是功耗不高、占用空間小、集成度高，能夠把針對特定應(yīng)用的一些功能集成到嵌入式芯片中，更有利于完成特定應(yīng)用所要求的功能，并且由于嵌入式系統(tǒng)的占用空間小的特點，其移動能力增強了不少，這樣的特點或者說優(yōu)點也是嵌入式系統(tǒng)能夠如此流行的一個根據(jù)。用戶可以容易的移植任何系統(tǒng)下的端口驅(qū)動程序。使用標(biāo)準(zhǔn)的 SPI 讀 /寫指令以及專門的 SPI 命令來讀 /寫所有的寄存器 [9]。所提供的中斷引腳提高了系統(tǒng)的靈活性。該器件主要由三個部分組成： 圖 MCP2515 結(jié)構(gòu)框圖 1） CAN 模塊，包括 CAN 協(xié)議引擎、驗收濾波寄存器、驗收屏蔽寄存器、發(fā)送和接收緩沖器。而且它是以 球間距進行封裝，能夠給 PCB 廠商降低相應(yīng)的 成本。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 10 C P UA T 9 1 S A M 9 G 4 5電源供電網(wǎng)口控制器 C A N 控制器C A N 接口R J 4 5M A X 2 3 2D B 9串口 圖 硬件總體結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的 硬件組成 如圖 所示 ， 方框中 中央處 理器 （ Central Processing Unit，CPU） 為本系統(tǒng)核心部分，集成有 AT91SAM9G45 處理器、 SDRAM 存儲器、 Flash存儲器 [8]?，F(xiàn)階段的現(xiàn)場儀表設(shè)備之間的通信還是離不開現(xiàn)場總線，還是需要將以太網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換連接進來與設(shè)備儀表進行通信，實現(xiàn)上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的一體化 [7]。所謂正常消息是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤的消息 [6]。 數(shù)據(jù)段，該段可包含 0~8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。擴展格式的 ID 有 29 個位。表示確認正常接收的段。表示該幀優(yōu)先級的段。 CAN 協(xié)議經(jīng)過 ISO 標(biāo)準(zhǔn)化后有兩個標(biāo)準(zhǔn)： ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)和 ISO115192 標(biāo)準(zhǔn)。 CAN 可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數(shù)據(jù)錯誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動器故障、斷線等）。與總線相連的單元沒有類似于 “地址 ”的信息?？偩€電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。當(dāng)然，現(xiàn)階段的技術(shù)還無法將網(wǎng)絡(luò)直接連接到現(xiàn)場的智能化儀表與設(shè)備上，因為設(shè)備的種類太多，各自遵循的標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，而以太網(wǎng)技術(shù)的最初的發(fā)展也不是針對工業(yè)控制來設(shè)計的，所以在現(xiàn)階段情況下，還是要將以太網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)與適用于工業(yè)控制的控 制局域網(wǎng)總線連接起來實現(xiàn)以太網(wǎng)與工業(yè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)到對生產(chǎn)現(xiàn)場進行監(jiān)控和管理的目的。因此，使用以太網(wǎng)作為工業(yè)控制的上層網(wǎng)絡(luò)有著十分明顯的優(yōu)勢。 本文在深入的研究了 協(xié)議、 TCP/IP 協(xié)議的特點及實現(xiàn)原理 后 ，提出了一種以太網(wǎng)和 CAN 總線互聯(lián)的網(wǎng)關(guān)模型 。 將兩種不同適用范圍的網(wǎng)絡(luò)進行 連接以利用各自的優(yōu)點實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控和管理， 就 需要 通過網(wǎng)關(guān)來實 現(xiàn) 。 以太網(wǎng) （ Ether） 作為 互連網(wǎng)的一種最普及的局域網(wǎng)技術(shù)，具有較好的技術(shù)穩(wěn)定性和傳輸數(shù)據(jù)的高效性等特點，此外，以太網(wǎng)還可以方便的與干線網(wǎng)絡(luò)連接，整個控制系統(tǒng)還能夠支持互連網(wǎng)絡(luò)的遠程訪問。 工業(yè)以太網(wǎng)是一個新的概念，它指的是在復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場中應(yīng)用以太網(wǎng)技術(shù)，這就要求針對工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境的惡劣性對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)進行適當(dāng)?shù)母倪M，主體部分不動，針對工業(yè)控制系統(tǒng)的特點對以太網(wǎng)技術(shù)做出改進，使之既能夠適應(yīng)物理上復(fù)雜惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，又能夠滿足工業(yè)控制在通信實時性、數(shù)據(jù)安全等方面的要求。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 3 第 2章 CAN 總線和以太網(wǎng) 簡介 CAN 總線簡介 CAN 是 Controller Area Network 的縮 寫（以下稱為 CAN），是 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。 CAN 控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平。 2）系統(tǒng)的柔軟性。 5）故障封閉功能。 正是因為 CAN 協(xié)議的這些特點，使得 CAN 特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一，并且得到了極大的發(fā)展。 （ 2）仲裁段。 （ 6） ACK 段。禁止高 7 位都為隱性（禁止設(shè)定： ID=1111111XXXX）。 DLC 段為數(shù)據(jù)長度表示段，高位在前， DLC 段有效值為 0~8，但是接收方接收到 9~15 的時候并不認為是錯誤。發(fā)送 ACK 的是在既不處于 總線關(guān)閉態(tài)也不處于休眠態(tài)的所有接收單元中，接收到正常消息的單元（發(fā)送單元不發(fā)送 ACK）?，F(xiàn)在，國際上相關(guān)組織也開始著手做這項工作，制定出了一些工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，在 未來直接將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，取代現(xiàn)在的現(xiàn)場總線技術(shù)，這是一個必然的趨勢，在這方面需要做的工作還有很多。以太網(wǎng)控制器選用，本章介紹了本系統(tǒng)選擇的這些器件以及關(guān)鍵部分硬件電路的設(shè)計。 I/O 接口支持 和 工作電壓，這些可以為存儲接口和外設(shè) I/O 接口單獨配置基于這個特點，它能夠完全滿足不同外設(shè)的電平需要。 MCP2515 的 內(nèi)部 結(jié)構(gòu) 如圖 所示 。 通過與其他模塊連接，控制邏輯模塊控制 MCP2515 的設(shè)置和運行，以便傳輸信息與控制。 MCU 通過 SPI 接口與該器件連接。還支持 IEEE 全雙工流量控 制。 在芯片的供電管腳處，分別加了多了濾波電容，以保證電源的穩(wěn)定。不像通用性 PC，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)無法直接在嵌入式設(shè)備上完成，因此必須借助 PC 來完成開發(fā)，并且在 PC 環(huán) 境下開發(fā)的程序要經(jīng)過交叉編譯使目標(biāo)代碼能夠在目標(biāo)板上運行。 CAN 總線模塊軟件設(shè)計 開始以讀寫方式打開 CA N設(shè)備文件設(shè)置工作波特率設(shè)置過濾器設(shè)置 CA N工作方式（回環(huán)、普通）結(jié)束 開始設(shè)置發(fā)送長度copy()至發(fā)送緩沖區(qū)write()CA N設(shè)備文件結(jié)束 開始清空接收緩沖區(qū)read()CA N設(shè)備文件顯示收到的數(shù)據(jù)顯示幀頭信息結(jié)束 圖 初始化 圖 發(fā)送數(shù)據(jù) 圖 接收數(shù)據(jù) CAN 總線模塊中，分別編寫了 3 個函數(shù)，分別為 CAN 總線的初始化函數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)函數(shù)。 TCP 客戶端建立連接 要實現(xiàn)一個完整的 TCP 連接，需要有一個服務(wù)器和一個客戶端。 因為以太網(wǎng)幀發(fā)送數(shù)據(jù)的長度在 46~1500 字節(jié)之間，為了提高網(wǎng)絡(luò)利用率，應(yīng)該單幀發(fā)送的數(shù)據(jù)越多越好， CAN 數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)長度最大是 8 個字節(jié)，為了信息傳遞及處理的方便最好將數(shù)據(jù)長度都設(shè)置為 8 個字節(jié)，不足 8 個數(shù)據(jù)的部分填充 0 即可。 struct SendUpControl { //上行數(shù)據(jù)控制結(jié)構(gòu)體 pthread_mutex_t lock。 char readpos ,writepos。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，本文共設(shè)計了四個線程，分別為： 1. Top_CANRec()。 TCP_Get(amp。 while(1) { TCP_RecCnt=TCP_Read()。SendDownBuf)。這樣就可以利用多線程程序設(shè)計的處理速度快，占用資源少，并發(fā)處理的優(yōu)點來簡單的模擬多網(wǎng)關(guān)系 統(tǒng)，但是多線程程序設(shè)計要更加的小心，如果一個線程崩潰的話可能會導(dǎo)致一個進程內(nèi)的其他線程無法正確執(zhí)行，并且 CPU 要花時間去維護多線程的切換和執(zhí)行，這是值得我們注意的地方。并基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計與實現(xiàn) 25 且每秒發(fā)送 3 次傳感數(shù)據(jù)。測試軟件的界面 如 圖 所示 。 總而言之，在工業(yè)控制系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)有其存在的價值也確實起了很大的作用，相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品也有著不小的開發(fā)空間，由于嵌入式 Linux、現(xiàn)場總線以及以太網(wǎng)的諸多優(yōu)越性，他們將在工業(yè)生產(chǎn)中有著更加廣發(fā)的應(yīng)用前景 [15]。 感謝我的父母、姐姐，他們給予了我強大的精神上和物質(zhì)上的支持，感謝他們的信任和期望，他們的支持、關(guān)心和鼓勵是我不斷前進的動力，是他們使我能全身心的投入到學(xué)習(xí)中。在學(xué)習(xí)上，老師 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和淵博的專業(yè)知識，無不激