【正文】 ............................................... 9 硬件總體方案設(shè)計(jì) ................................................................................................. 9 硬件電路設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 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(shè)計(jì) .................................................................................................... 16 嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)流程 ............................................................................... 16 CAN 總線模塊軟件設(shè)計(jì) ....................................................................................... 17 以太網(wǎng)模塊軟件設(shè)計(jì) ........................................................................................... 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(yīng)用程序設(shè)計(jì) ............................................................................................... 18 雙循環(huán)緩沖機(jī)制 ......................................................................................... 19 網(wǎng)關(guān)多線程設(shè)計(jì) ......................................................................................... 20 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) ............................................................................. 21 第 5 章 系統(tǒng)測(cè)試 ............................................................................................................ 24 網(wǎng)口連接測(cè)試 ........................................................................................................ 24 網(wǎng)關(guān)工作狀態(tài)測(cè)試 ................................................................................................ 24 IV 第 6 章 結(jié)論及展望 ........................................................................................................ 28 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 29 致 謝 ............................................................................................................................. 30 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 1章 緒論 課題研究的背景及意義 現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù) 字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場(chǎng)總線的當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r：多種總線共存、總線的應(yīng)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(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)、以太網(wǎng)成為新的熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段的現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備之間的通信還是離不開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)總線，還是需要將以太網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換連接進(jìn)來(lái)與設(shè)備儀表進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的一體化。 現(xiàn)在， CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。 ID 并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問(wèn)總線的消息的優(yōu)先級(jí)。 4）具有錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤通知和錯(cuò)誤恢復(fù)功能?？蛇B接的單元總數(shù)理論上是沒(méi)有限制的。標(biāo)準(zhǔn)格式有 11 個(gè)位的標(biāo)識(shí)符 ID，擴(kuò)展格式有 29 個(gè)位的 ID。數(shù)據(jù)的內(nèi)容，一幀可發(fā)送 0~8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 基于 ARM 的以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 幀起始，這個(gè)比較簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀都是由 1 個(gè)位的顯性電平表示幀起始。 其中 RTR 位用于標(biāo)識(shí)是否是遠(yuǎn)程幀（ 0，數(shù)據(jù)幀； 1，遠(yuǎn)程幀）， IDE 位為標(biāo)識(shí)符選擇位（ 0，使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符； 1，使用擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符）， SRR 位為代替遠(yuǎn)程請(qǐng)求位，為隱性位，它代替了標(biāo)準(zhǔn)幀中的 RTR 位。 ACK 段，此段用來(lái)確認(rèn)是否正常接收。當(dāng)然，現(xiàn)階段的技術(shù)還無(wú)法將網(wǎng)絡(luò)直接連接到現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀表與設(shè)備上，因?yàn)樵O(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(duì)工業(yè)控制來(lái)設(shè)計(jì)的，所以在現(xiàn)階段情況下，還是要將以太網(wǎng)通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與工業(yè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)到對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控和管理的目的。 硬件總體方案設(shè)計(jì) 硬件平臺(tái)的選型和設(shè) 計(jì)是很重要的，因?yàn)檐浖_(kāi)發(fā)也是基于硬件的，沒(méi)有好的硬件軟件設(shè)計(jì)也會(huì)受限制，因此如何選擇合適的硬件平臺(tái)，使其性價(jià)比高而又能滿足系統(tǒng)控制的要求是很關(guān)鍵的。當(dāng)處理器以 400MHz處理多組超過(guò) 100Mbps 的高速外設(shè)時(shí)， AT91SAM9G45 能夠以足夠的帶寬去處理包括網(wǎng)絡(luò)和本地多媒體的數(shù)據(jù)，以提供滿意的用戶體驗(yàn)。 MCP2515 自帶的兩個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器和六個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器可以過(guò)濾掉不想要的報(bào)文，因此減少了主單片機(jī)（ MCU）的開(kāi)銷。通過(guò)讀取相應(yīng)的寄存器可以檢查通訊狀態(tài)和錯(cuò)誤。器件還有三個(gè)引腳，用來(lái)啟動(dòng)將裝載在三個(gè)發(fā)送緩沖器之一中的報(bào)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(shè)備中，由于資源有限，尤其是內(nèi)存不像通用的計(jì)算機(jī)那么豐富，因此針對(duì)特定的應(yīng)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(shè)備利用率，提高硬件性能，正是嵌入式系統(tǒng)的這種特點(diǎn)使得它更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于目標(biāo)板，因?yàn)檫x用的是采用嵌入式 Linux 作為操作系統(tǒng)來(lái)運(yùn)行應(yīng)用程序，要將嵌入式 Linux 的內(nèi)核編譯并移植到目標(biāo)板，建立起嵌入式Linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境。 以太網(wǎng)模塊軟件設(shè)計(jì) Linux 網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源（如程序計(jì)數(shù)器，一組寄存器和棧），但是它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他的線程共享進(jìn)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(cè) 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(jìn)行下一次的檢測(cè)。 } Top_TCPSend()為上行數(shù)據(jù)的 TCP 發(fā)送線程，不停地檢測(cè)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(guò) TCP/IP 發(fā)送到服務(wù)器上。 4. Top_CANSend()。 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) 工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表和設(shè)備多種多樣，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中可能現(xiàn)場(chǎng)有同一類型和不同類型的很多個(gè)設(shè)備，而在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，從這些設(shè)備上采集的數(shù)據(jù)都是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)模?CAN 總線是一種多主總線，每個(gè) CAN節(jié)點(diǎn)都可以作為主機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，對(duì)于一個(gè)完整的從底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到上層的監(jiān)控室的工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在控制室內(nèi)監(jiān)控到的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息要能夠明確的表明是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的哪個(gè)設(shè)備產(chǎn)生的這些信息，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)的設(shè)備發(fā)送控制命令。測(cè)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(dāng)以太網(wǎng)向 CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)率比較低時(shí)能夠通信正常，沒(méi)有錯(cuò)誤。 本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式的網(wǎng)關(guān)基本實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng) 的數(shù)據(jù)傳輸，但是只是實(shí)現(xiàn)了基本的功能，在今后的工作中還應(yīng)該在以下幾個(gè)方面努力： 1）對(duì)嵌入式操作系統(tǒng) Linux 的駕馭能力，能做到根據(jù)需要對(duì) Linux 的內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，使之既能滿足要求又不浪費(fèi)資源。在畢老師的安排下，我有幸進(jìn)入他的研究生實(shí)驗(yàn)室，與很多師兄師姐共同學(xué)習(xí)，給我提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)環(huán)境。 同時(shí)感謝在大學(xué)四年學(xué)習(xí)過(guò)程中，所有任課老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)與幫助；感謝實(shí)驗(yàn)室的劉闖等師兄師姐的指導(dǎo)和幫助；感謝胡曉宇同學(xué)及石鎮(zhèn)嘉、王文君學(xué)弟的幫助。 3） Linux 系統(tǒng)中包含網(wǎng)頁(yè)服務(wù)功能，可以利用它來(lái)設(shè)計(jì)頁(yè)面方便管理。現(xiàn)場(chǎng)總線的通信速率是個(gè)瓶頸。程序中可以設(shè)定 CAN 總線通信速率， CAN 總線工作方式。 在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，采用多線程處理來(lái)模擬多個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，考慮到一般情況下從現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)比較多