導(dǎo)語：嵌入式光纖收發(fā)器遠(yuǎn)程監(jiān)控論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：基于ARM芯片LPC2214與網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019AS的串口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器，并嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS，在不改變原有光纖收發(fā)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為其添加網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控接口，從而實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：IP113F；ARM；RTL8019AS；uC/OS；TCP/IP；以太網(wǎng)

1IP113F芯片簡介

IP113F芯片是ICPlus公司生產(chǎn)的一款具有網(wǎng)管功能、超低功耗的光纖收發(fā)器。內(nèi)置專為收發(fā)器設(shè)計(jì)的兩換機(jī)內(nèi)核，支持純收發(fā)器模式，全/半雙工模式均可采用相應(yīng)的流量控制，支持單/多模光纖轉(zhuǎn)換，支持3.3VI/O，并可通過SMI（MDC,MDIO）和IC內(nèi)部MII接口對兩組獨(dú)立寄存器進(jìn)行操作，監(jiān)控或重新設(shè)置本地或遠(yuǎn)端光纖收發(fā)器的工作狀態(tài)。用戶可以通過串行管理接口MDC（管理數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘輸入接口）和MDI0（雙向管理指令接口）來訪問MII寄存器，MDI0是信號(hào)線，MDC是時(shí)鐘線，一個(gè)管理單元最多可同時(shí)外掛32個(gè)IP113F。數(shù)據(jù)在MDI0上是一位位傳輸?shù)模前l(fā)生在MDC的上升沿跳變，MDI0上的數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1所示。當(dāng)SMI處于空閑狀態(tài)時(shí)，MDI0則處于高阻態(tài)。管理單元在MDI0上發(fā)送32位連續(xù)的“1”和“01”信號(hào)來初始化MDI0接口。

2整體功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的基本功能是32臺(tái)光纖收發(fā)器同時(shí)通過同一SMI口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器與遠(yuǎn)程的上位機(jī)進(jìn)行通信（如圖1所示）。轉(zhuǎn)換器完成的具體工作是接收光端機(jī)發(fā)送過來的測試數(shù)據(jù)，自動(dòng)識(shí)別其長度和來源，將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式，通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送過來的控制信息，并自動(dòng)識(shí)別其發(fā)送的目標(biāo)，通過SMI口發(fā)送給相應(yīng)的光纖收發(fā)器。根據(jù)實(shí)際需要，可以在上位機(jī)通過以太網(wǎng)配置SMI口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器的IP地址。

3硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換器的硬件電路主要選用基于ARM7內(nèi)核的嵌入式處理器LPC2214芯片進(jìn)行整體控制，LPC2214芯片帶有256KB的高速FLASH，并帶有16K片內(nèi)SRAM，為了滿足通信過程中的數(shù)據(jù)緩存和一定的系統(tǒng)運(yùn)行空間，片外擴(kuò)展了512K字節(jié)的SRAM（IS61LV25616AL）。片外通過IIC總線擴(kuò)展了256字節(jié)的EEPROM（CAT24WC02）用于保存好已設(shè)置的IP地址。選用10M全雙工以太網(wǎng)控制器RTL8019AS芯片完成網(wǎng)絡(luò)通訊功能，與外界的通訊口選用UTPRJ-45接口，HR61101芯片充當(dāng)網(wǎng)卡變壓器。采用通用的I/O口P0.5和.P0.6模擬SIM口的時(shí)序?qū)P113F進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電路整體設(shè)計(jì)如圖2。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1引入RTOS

光纖收發(fā)器數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求比較高，若采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)設(shè)計(jì)方法會(huì)顯的過于復(fù)雜，且實(shí)時(shí)性不能保證。解決這個(gè)問題的最好方法是采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS。uC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是一種源代碼公開的嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼短小精悍，簡單易學(xué)的特點(diǎn)，對本設(shè)計(jì)是一個(gè)理想的選擇。

uC/OS-Ⅱ完全是占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，基于優(yōu)先級(jí)，即總是讓就緒態(tài)中優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)先運(yùn)行，因此實(shí)時(shí)性比非占式的內(nèi)核好。其大部分代碼是用C語言編寫的，可移植性強(qiáng)，可以在大多數(shù)8位、16位、32位以至64位微處理器上運(yùn)行。uC/OS-Ⅱ在LPC2214上的移植可參考文獻(xiàn)［2］。

4.2TCP/IP協(xié)議的選擇與裁減

為使SMI口轉(zhuǎn)換器具有以太網(wǎng)接人功能，必須在ARM處理器中嵌人TCP/IP協(xié)議，參考開放系統(tǒng)互連(OSI)模型，在ARM中嵌人的TCP/IP協(xié)議采用簡化的四層模型，即鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。根據(jù)實(shí)際需求，結(jié)合ARM微處理器的處理能力，設(shè)計(jì)中對完整的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行了全方位裁減。

（1）鏈路層。由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成。RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序就是在該層實(shí)現(xiàn)的。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。保留了完整的IP協(xié)議，對ARP協(xié)議進(jìn)行簡化，對于ARP包只響應(yīng)ARP請求，取消RARP，只維護(hù)最簡單的一個(gè)IP地址與MAC地址的映射Cache表，定時(shí)刷新。

（3）在傳輸層，用于工業(yè)現(xiàn)場一般采用TCP或UDP協(xié)議，TCP協(xié)議提供了一種可靠的面向連接的字節(jié)流運(yùn)輸層服務(wù)，而UDP協(xié)議是一個(gè)簡單的面向非連接的數(shù)據(jù)報(bào)的運(yùn)輸層協(xié)議，考慮到所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，設(shè)計(jì)中選用TCP協(xié)議。

（4）在應(yīng)用層，裁剪掉HTTP協(xié)議，通過將控制界面設(shè)置在上位機(jī)上來代替其功能。

通過上述裁剪，把TCP/IP協(xié)議嵌入到操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ中，并提供API接口函數(shù)供應(yīng)用程序調(diào)用，使得ARM可以快速無沖突地收發(fā)TCP數(shù)據(jù)包，符合系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。4.3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

采用嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ使整個(gè)設(shè)計(jì)簡單，各個(gè)任務(wù)相互獨(dú)立且具有不同的優(yōu)先級(jí)來保證緊急任務(wù)及時(shí)響應(yīng)，從而有效地對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)由操作系統(tǒng)和一系列用戶應(yīng)用程序構(gòu)成。

主函數(shù)是程序首先執(zhí)行的一個(gè)函數(shù)，主要實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的初始化，該函數(shù)永不還回。操作系統(tǒng)的初始化包括任務(wù)控制塊，事件控制塊的初始化，而且在啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度之前，必須至少創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)。此系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)啟動(dòng)任務(wù)TaskStart，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)硬件的初始化，包括時(shí)鐘的初始化和啟動(dòng)，中斷的啟動(dòng)，IIC總線的初始化與啟動(dòng)，SMI口的初始化與啟動(dòng)，RTL8019AS的初始化與啟動(dòng)，并且對各個(gè)應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行了劃分。

(1)任務(wù)的劃分。

要完成多任務(wù)系統(tǒng)的各個(gè)功能，必須對任務(wù)進(jìn)行劃分。本程序根據(jù)各個(gè)任務(wù)的重要性和實(shí)時(shí)性，把整個(gè)模塊分成6個(gè)具有不同優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用任務(wù)，即IP地址設(shè)置、接收協(xié)議轉(zhuǎn)換、發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換、NET發(fā)送、SMI口發(fā)送、SMI口采集。

除了3個(gè)主要應(yīng)用任務(wù)外，還有兩個(gè)中斷服務(wù)子程序。一個(gè)是時(shí)鐘節(jié)拍中斷，用于提供周期性信號(hào)源，另一個(gè)是網(wǎng)口的接收中斷，用于把接收到的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)。

(2)任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)采用ARM作為服務(wù)器，PC端作為客戶端的TCP通信模式，由上位機(jī)主動(dòng)請求連接ARM。在串口和以太網(wǎng)建立通信之前，首先要調(diào)用IP地址設(shè)置任務(wù)，對IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)進(jìn)行初始化設(shè)置。

SMI口通信實(shí)現(xiàn)的功能有SMI口發(fā)送和SMI口采集。SMI口采集任務(wù)優(yōu)先級(jí)較低，進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度后若沒有相關(guān)事件發(fā)生系統(tǒng)就一直運(yùn)行SMI口采集任務(wù)，若采集到IP113F的狀態(tài)發(fā)生變化，數(shù)據(jù)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送到遠(yuǎn)程的上位機(jī)。SMI口發(fā)送作為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行。SMI口發(fā)送任務(wù)需要系統(tǒng)調(diào)度器通知緩沖區(qū)中是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù),若沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，則將該任務(wù)掛起，系統(tǒng)運(yùn)行其他任務(wù)

以太網(wǎng)通信模塊由以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換構(gòu)成。數(shù)據(jù)的接收在RTL8019的中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收協(xié)議轉(zhuǎn)換及發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換分別作為獨(dú)立的任務(wù)運(yùn)行。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送任務(wù)同樣需要系統(tǒng)調(diào)度器通知緩沖區(qū)中是否有待發(fā)送的數(shù)據(jù)。協(xié)議轉(zhuǎn)換主要實(shí)現(xiàn)對接受數(shù)據(jù)報(bào)文的解析及給待發(fā)送數(shù)據(jù)添加協(xié)議報(bào)頭，在編程時(shí)可以直接調(diào)用嵌入的TCP/IP協(xié)議的API函數(shù)，對數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行分層。接收協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)對從8019傳過來的數(shù)據(jù)處理過程如3所示，不同的子協(xié)議具有不同的功能號(hào)，任務(wù)根據(jù)功能號(hào)對協(xié)議進(jìn)行區(qū)別。發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換則為圖3的逆序表示。

(3)任務(wù)間的同步與調(diào)度。

通常多任務(wù)操作系統(tǒng)的任務(wù)不同于一般的函數(shù)，它是一個(gè)無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒態(tài)，當(dāng)前任務(wù)不會(huì)放棄對CPU的使用權(quán)。為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行和有關(guān)事件的同步，必須正確處理任務(wù)間的通信和事件標(biāo)志的設(shè)置。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。



系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度后，高優(yōu)先級(jí)任務(wù)由于申請某個(gè)資源而發(fā)生阻塞，進(jìn)入掛起態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行較低優(yōu)先級(jí)的SMI口采集任務(wù)。每個(gè)事件分配一個(gè)信號(hào)量，一旦事件發(fā)生就啟動(dòng)信號(hào)量的等待任務(wù)表中進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)。當(dāng)接收中斷發(fā)生時(shí)就啟動(dòng)協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)，這過程通過信號(hào)量的通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)。接收協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)先對來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)解析，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的命令頭發(fā)往SMI口發(fā)送隊(duì)列或EEPROM發(fā)送隊(duì)列，進(jìn)而啟動(dòng)相應(yīng)的SMI口發(fā)送任務(wù)或IP設(shè)置任務(wù)。發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)對SMI口采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后存入以太網(wǎng)發(fā)送隊(duì)列，然后通知NET發(fā)送任務(wù)把數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)，從而保證任務(wù)與事件同步。

5總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的SMI口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器模塊實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)同時(shí)對多光纖收發(fā)器進(jìn)行監(jiān)控。本設(shè)計(jì)既可作為一個(gè)獨(dú)立的模塊，又可嵌入到用戶設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中進(jìn)行二次開發(fā)。總之，嵌入式Internet技術(shù)代表著嵌入式系統(tǒng)和Inernet的發(fā)展趨勢，對其研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和遠(yuǎn)大的發(fā)展前途，尤其是智能測控和家庭網(wǎng)絡(luò)化方面的前景意義。

參考文獻(xiàn)

［1］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.