導語：嵌入式光纖收發(fā)器遠程監(jiān)控論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，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)絡芯片RTL8019AS的串口網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換器，并嵌入實時操作系統(tǒng)uC/OS，在不改變原有光纖收發(fā)器結構的基礎上，為其添加網(wǎng)絡監(jiān)控接口，從而實現(xiàn)其遠程監(jiān)控。

關鍵詞：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)器設計的兩換機內(nèi)核，支持純收發(fā)器模式，全/半雙工模式均可采用相應的流量控制，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接口對兩組獨立寄存器進行操作，監(jiān)控或重新設置本地或遠端光纖收發(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是信號線，MDC是時鐘線，一個管理單元最多可同時外掛32個IP113F。數(shù)據(jù)在MDI0上是一位位傳輸?shù)?，是發(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SMI處于空閑狀態(tài)時，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”信號來初始化MDI0接口。

2整體功能設計

系統(tǒng)的基本功能是32臺光纖收發(fā)器同時通過同一SMI口網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換器與遠程的上位機進行通信（如圖1所示）。轉(zhuǎn)換器完成的具體工作是接收光端機發(fā)送過來的測試數(shù)據(jù)，自動識別其長度和來源，將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)格式，通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機，同時接收上位機通過以太網(wǎng)發(fā)送過來的控制信息，并自動識別其發(fā)送的目標，通過SMI口發(fā)送給相應的光纖收發(fā)器。根據(jù)實際需要，可以在上位機通過以太網(wǎng)配置SMI口網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換器的IP地址。

3硬件結構設計

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)運行空間，片外擴展了512K字節(jié)的SRAM（IS61LV25616AL）。片外通過IIC總線擴展了256字節(jié)的EEPROM（CAT24WC02）用于保存好已設置的IP地址。選用10M全雙工以太網(wǎng)控制器RTL8019AS芯片完成網(wǎng)絡通訊功能，與外界的通訊口選用UTPRJ-45接口，HR61101芯片充當網(wǎng)卡變壓器。采用通用的I/O口P0.5和.P0.6模擬SIM口的時序?qū)P113F進行數(shù)據(jù)采集，電路整體設計如圖2。

4系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

4.1引入RTOS

光纖收發(fā)器數(shù)據(jù)采集的實時性要求比較高，若采用傳統(tǒng)的前后臺設計方法會顯的過于復雜，且實時性不能保證。解決這個問題的最好方法是采用實時操作系統(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，簡單易學的特點，對本設計是一個理想的選擇。

uC/OS-Ⅱ完全是占先式的實時內(nèi)核，基于優(yōu)先級，即總是讓就緒態(tài)中優(yōu)先級最高的任務先運行，因此實時性比非占式的內(nèi)核好。其大部分代碼是用C語言編寫的，可移植性強，可以在大多數(shù)8位、16位、32位以至64位微處理器上運行。uC/OS-Ⅱ在LPC2214上的移植可參考文獻［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)絡層、傳輸層、應用層。根據(jù)實際需求，結合ARM微處理器的處理能力，設計中對完整的TCP/IP協(xié)議進行了全方位裁減。

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

（2）網(wǎng)絡層。保留了完整的IP協(xié)議，對ARP協(xié)議進行簡化，對于ARP包只響應ARP請求，取消RARP，只維護最簡單的一個IP地址與MAC地址的映射Cache表，定時刷新。

（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)流運輸層服務，而UDP協(xié)議是一個簡單的面向非連接的數(shù)據(jù)報的運輸層協(xié)議，考慮到所設計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，設計中選用TCP協(xié)議。

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

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)對實時性和可靠性的要求。4.3系統(tǒng)的實現(xiàn)

采用嵌入式操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ使整個設計簡單，各個任務相互獨立且具有不同的優(yōu)先級來保證緊急任務及時響應，從而有效地對任務進行調(diào)度。整個軟件設計由操作系統(tǒng)和一系列用戶應用程序構成。

主函數(shù)是程序首先執(zhí)行的一個函數(shù)，主要實現(xiàn)操作系統(tǒng)的初始化，該函數(shù)永不還回。操作系統(tǒng)的初始化包括任務控制塊，事件控制塊的初始化，而且在啟動多任務調(diào)度之前，必須至少創(chuàng)建一個任務。此系統(tǒng)創(chuàng)建了一個啟動任務TaskStart，主要負責系統(tǒng)硬件的初始化，包括時鐘的初始化和啟動，中斷的啟動，IIC總線的初始化與啟動，SMI口的初始化與啟動，RTL8019AS的初始化與啟動，并且對各個應用任務進行了劃分。

(1)任務的劃分。

要完成多任務系統(tǒng)的各個功能，必須對任務進行劃分。本程序根據(jù)各個任務的重要性和實時性，把整個模塊分成6個具有不同優(yōu)先級的應用任務，即IP地址設置、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個主要應用任務外，還有兩個中斷服務子程序。一個是時鐘節(jié)拍中斷，用于提供周期性信號源，另一個是網(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)任務的具體實現(xiàn)。

本系統(tǒng)采用ARM作為服務器，PC端作為客戶端的TCP通信模式，由上位機主動請求連接ARM。在串口和以太網(wǎng)建立通信之前，首先要調(diào)用IP地址設置任務，對IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關進行初始化設置。

SMI口通信實現(xiàn)的功能有SMI口發(fā)送和SMI口采集。SMI口采集任務優(yōu)先級較低，進行多任務調(diào)度后若沒有相關事件發(fā)生系統(tǒng)就一直運行SMI口采集任務，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)送到遠程的上位機。SMI口發(fā)送作為一個單獨的任務獨立運行。SMI口發(fā)送任務需要系統(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，則將該任務掛起，系統(tǒng)運行其他任務

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)換構成。數(shù)據(jù)的接收在RTL8019的中斷服務程序中實現(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)換分別作為獨立的任務運行。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送任務同樣需要系統(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)換主要實現(xiàn)對接受數(shù)據(jù)報文的解析及給待發(fā)送數(shù)據(jù)添加協(xié)議報頭，在編程時可以直接調(diào)用嵌入的TCP/IP協(xié)議的API函數(shù)，對數(shù)據(jù)報文進行分層。接收協(xié)議轉(zhuǎn)換任務對從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，任務根據(jù)功能號對協(xié)議進行區(qū)別。發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換則為圖3的逆序表示。

(3)任務間的同步與調(diào)度。

通常多任務操作系統(tǒng)的任務不同于一般的函數(shù)，它是一個無限循環(huán)，而且沒有返回值。如果沒有更高優(yōu)先級的任務進入就緒態(tài)，當前任務不會放棄對CPU的使用權。為了實現(xiàn)操作系統(tǒng)的正常運行和有關事件的同步，必須正確處理任務間的通信和事件標志的設置。系統(tǒng)的功能結構如圖4所示。



系統(tǒng)進行多任務調(diào)度后，高優(yōu)先級任務由于申請某個資源而發(fā)生阻塞，進入掛起態(tài)，系統(tǒng)運行較低優(yōu)先級的SMI口采集任務。每個事件分配一個信號量，一旦事件發(fā)生就啟動信號量的等待任務表中進入就緒態(tài)的任務。當接收中斷發(fā)生時就啟動協(xié)議轉(zhuǎn)換任務，這過程通過信號量的通信機制實現(xiàn)。接收協(xié)議轉(zhuǎn)換任務先對來自上位機的數(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)送隊列或EEPROM發(fā)送隊列，進而啟動相應的SMI口發(fā)送任務或IP設置任務。發(fā)送協(xié)議轉(zhuǎn)換任務對SMI口采集的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換后存入以太網(wǎng)發(fā)送隊列，然后通知NET發(fā)送任務把數(shù)據(jù)發(fā)給上位機，從而保證任務與事件同步。

5總結

本文所設計的SMI口網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換器模塊實現(xiàn)了上位機同時對多光纖收發(fā)器進行監(jiān)控。本設計既可作為一個獨立的模塊，又可嵌入到用戶設計的系統(tǒng)中進行二次開發(fā)?？傊?，嵌入式Internet技術代表著嵌入式系統(tǒng)和Inernet的發(fā)展趨勢，對其研究具有重要的實用價值和遠大的發(fā)展前途，尤其是智能測控和家庭網(wǎng)絡化方面的前景意義。

參考文獻

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