【正文】 ............................................... 9 硬件總體方案設計 ................................................................................................. 9 硬件電路設計 ....................................................................................................... 11 核心處理器 ................................................................................................. 11 CAN 總線電路 ............................................................................................. 12 以太網(wǎng)電路 ................................................................................................. 13 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 .................................................................................................... 16 嵌入式系統(tǒng)特點及開發(fā)流程 ............................................................................... 16 CAN 總線模塊軟件設計 ....................................................................................... 17 以太網(wǎng)模塊軟件設計 ........................................................................................... 17 TCP 客戶端建立連接 .................................................................................. 18 以太網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù) ............................................................................. 18 網(wǎng)關(guān)應用程序設計 ............................................................................................... 18 雙循環(huán)緩沖機制 ......................................................................................... 19 網(wǎng)關(guān)多線程設計 ......................................................................................... 20 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設計 ............................................................................. 21 第 5 章 系統(tǒng)測試 ............................................................................................................ 24 網(wǎng)口連接測試 ........................................................................................................ 24 網(wǎng)關(guān)工作狀態(tài)測試 ................................................................................................ 24 IV 第 6 章 結(jié)論及展望 ........................................................................................................ 28 參考文獻 ............................................................................................................................. 29 致 謝 ............................................................................................................................. 30 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設計與實現(xiàn) 1 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設計與實現(xiàn) 第 1章 緒論 課題研究的背景及意義 現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù) 字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。 現(xiàn)場總線的當前發(fā)展狀況：多種總線共存、總線的應用領(lǐng)域不斷拓展、各種總線以企業(yè)為支撐、各種總線相繼成為自己國家或地區(qū)標準、以太網(wǎng)成為新的熱點?，F(xiàn)階段的現(xiàn)場儀表設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)換連接進來與設備儀表進行通信，實現(xiàn)上層監(jiān)控網(wǎng)絡和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡的一體化。 現(xiàn)在， CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面。 ID 并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級。 4）具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復功能。可連接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。標準格式有 11 個位的標識符 ID，擴展格式有 29 個位的 ID。數(shù)據(jù)的內(nèi)容，一幀可發(fā)送 0~8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設計與實現(xiàn) 6 幀起始，這個比較簡單，標準幀和擴展幀都是由 1 個位的顯性電平表示幀起始。 其中 RTR 位用于標識是否是遠程幀（ 0，數(shù)據(jù)幀； 1，遠程幀）， IDE 位為標識符選擇位（ 0，使用標準標識符； 1，使用擴展標識符）， SRR 位為代替遠程請求位，為隱性位，它代替了標準幀中的 RTR 位。 ACK 段，此段用來確認是否正常接收。當然，現(xiàn)階段的技術(shù)還無法將網(wǎng)絡直接連接到現(xiàn)場的智能化儀表與設備上，因為設備的種類太多，各自遵循的標準也不統(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。 硬件總體方案設計 硬件平臺的選型和設 計是很重要的，因為軟件開發(fā)也是基于硬件的，沒有好的硬件軟件設計也會受限制，因此如何選擇合適的硬件平臺，使其性價比高而又能滿足系統(tǒng)控制的要求是很關(guān)鍵的。當處理器以 400MHz處理多組超過 100Mbps 的高速外設時， AT91SAM9G45 能夠以足夠的帶寬去處理包括網(wǎng)絡和本地多媒體的數(shù)據(jù)，以提供滿意的用戶體驗。 MCP2515 自帶的兩個驗收屏蔽寄存器和六個驗收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報文，因此減少了主單片機（ MCU）的開銷。通過讀取相應的寄存器可以檢查通訊狀態(tài)和錯誤。器件還有三個引腳，用來啟動將裝載在三個發(fā)送緩沖器之一中的報文立即發(fā)送出去。 DM9161CEP 物理協(xié)議層接口完全支持使用 10MBps 下 3 類、 4 類、 5 類非屏蔽雙絞線和 100MBps 下 5類非屏蔽雙絞線。 以太網(wǎng)控制器 硬件 電路及 RJ45 連接器電路分別如圖 和 圖 所示。在嵌入式設備中，由于資源有限，尤其是內(nèi)存不像通用的計算機那么豐富，因此針對特定的應用就要講軟件資源中不必要的部分裁剪掉以節(jié)省系統(tǒng)資源，提高設備利用率，提高硬件性能，正是嵌入式系統(tǒng)的這種特點使得它更加具有競爭力。對于目標板，因為選用的是采用嵌入式 Linux 作為操作系統(tǒng)來運行應用程序，要將嵌入式 Linux 的內(nèi)核編譯并移植到目標板，建立起嵌入式Linux 開發(fā)環(huán)境。 以太網(wǎng)模塊軟件設計 Linux 網(wǎng)絡編程一般可分為 UDP 和 TCP 兩類。 其中 sockfd 為 socked 描述符， char *buffer 為發(fā)送接收緩沖區(qū)， read()中的 nbytes為最大的接收字節(jié)數(shù)， write()中的 nbytes 為要發(fā)送的字節(jié)數(shù)。而實際上硬件的資源一定是有限的。 //讀寫指針 }。線程自己基本上不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點在運行中必不可少的資源（如程序計數(shù)器，一組寄存器和棧），但是它可與同屬一個進程的其他的線程共享進程所擁有的全 部資源。 } Top_CANRec()為上行數(shù)據(jù)的 CAN 總線接收線程，不停地檢測 CAN 總線上是否有要接收的數(shù)據(jù)，如果有則將數(shù)據(jù)存入循環(huán)緩沖區(qū)，再進行下一次的檢測。 } Top_TCPSend()為上行數(shù)據(jù)的 TCP 發(fā)送線程，不停地檢測上行數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)要向上發(fā)送，如果有則通過 TCP/IP 發(fā)送到服務器上。 4. Top_CANSend()。 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設計 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的智能儀表和設備多種多樣，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中可能現(xiàn)場有同一類型和不同類型的很多個設備，而在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，從這些設備上采集的數(shù)據(jù)都是通過現(xiàn)場總線傳輸?shù)模?CAN 總線是一種多主總線，每個 CAN節(jié)點都可以作為主機發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，對于一個完整的從底層現(xiàn)場設備到上層的監(jiān)控室的工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)來說，在控制室內(nèi)監(jiān)控到的生產(chǎn)現(xiàn)場信息要能夠明確的表明是哪個節(jié)點的哪個設備產(chǎn)生的這些信息，進而對相應的設備發(fā)送控制命令。測試結(jié)果如圖 所示 。在嘗試了不同的數(shù)據(jù)通信速率后發(fā)現(xiàn)，當以太網(wǎng)向 CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)率比較低時能夠通信正常，沒有錯誤。 本文設計的基于嵌入式的網(wǎng)關(guān)基本實現(xiàn)了現(xiàn)場總線和以太網(wǎng) 的數(shù)據(jù)傳輸，但是只是實現(xiàn)了基本的功能，在今后的工作中還應該在以下幾個方面努力： 1）對嵌入式操作系統(tǒng) Linux 的駕馭能力，能做到根據(jù)需要對 Linux 的內(nèi)核進行適當?shù)牟眉簦怪饶軡M足要求又不浪費資源。在畢老師的安排下，我有幸進入他的研究生實驗室，與很多師兄師姐共同學習，給我提供了一個很好的學習環(huán)境。 同時感謝在大學四年學習過程中，所有任課老師對我的悉心指導與幫助；感謝實驗室的劉闖等師兄師姐的指導和幫助；感謝胡曉宇同學及石鎮(zhèn)嘉、王文君學弟的幫助。 3） Linux 系統(tǒng)中包含網(wǎng)頁服務功能，可以利用它來設計頁面方便管理?，F(xiàn)場總線的通信速率是個瓶頸。程序中可以設定 CAN 總線通信速率， CAN 總線工作方式。 在應用程序設計中，采用多線程處理來模擬多個網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，考慮到一般情況下從現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)比較多