基于ARM的工业设备以太网接入设计

基于ARM的工业设备以太网接入设计 哈尔滨工程大学 硕士学位论文 基于ARM的工业设备以太网接入设计 姓名:谢霄 申请学位级别:硕士 专业:电路与系统 指导教师:张忠民 20110310 摘 随着信息技术的发展，网络的方便、快捷、高效已经得到人们的认可和青睐。工业 以太网的进一步发展，以及远程监控任务的迫切需求，促使工业仪器仪表向网络化方向 发展。 ,,,,(,,为接口的，随着 信息技术的发展，,,,,,,,,,,,,,总线技术越来越成熟，多数设备已经 支持,,涌冢,灿幸恍?璞缚J贾,諹,,,,,, ,,接口。在网络和信 息技术突飞猛进的今天，为了更好的实现数据的交换和共享，更好的进行远程监控，将 现有的各种接口的工业设备网络化已经成为了工业领域必须解决的问。 本文通过对,(,,,椤,,协议、,,,椤?蕴,,,榧扒度胧絋,,,协 ,,为控制核 ,,,,,难芯浚,訪,,, 心，采用,,痮,甀,凳辈僮飨低常,訟,,,为软件开发、编写工具，成功提出了一种 本文基于,,疘,,退,迪值腞,,,、,,蚒,设备与以太网接入的协议转 换器，实现了传统工业设备与以太网的接入，为工业设备的远程监控提供了良好的平台。 试验测试结果说明了各功能的实现。 协议转换器 , ,,,,,,, ,,,甆, ,,,,,,,,,,,,,,,琣 ,, ,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,，, , ,,,,,,,,,,(,,,, ,,,,,,,,, , ,,, ,,,,, ,, ,,,,,,, ,,, ,,,,(, ,, , ,,,,,瑃, ,,, ,, , ,, ,,,(,,,,,，,, ,,, ,,, , ,,,, ,(, ,, ,,,, ,,, ,,课题背景 伴随着信息技术的发展，互联网已经在我们的生活中无处不在，人们对信息共享的 程度和速度的要求也逐渐提高。在工业领域，为了利用丰富的网络资源，更好的实现工 业生产中的信息交换和共享，更快速有效的实现对工业设备的远程监控，各种仪器仪表 以及生产中的采集和控制设备也逐渐的迈向网络化【,,,,蕴,,蚑,,,协议作为当前 最广泛使用的网络之一，它的高速、可靠、分层结构以及可扩充性使其在各个领域 难实现远程监控和数据的远距离传输。因此，将工业设备接入互联网，利用以太网实现 对工业生产的远程、实时监控，是工业控制领域的发展趋势。 按照连接距离的不同可以将计算机网络分为三类:广域网,,,?怯蛲,,, 工作站或联网设备，以便更快速有效的实现信息的交换和共享。伴随着局域网技术的发 令牌总线、令牌环，,,年美国电气和电子工程师学会,,,的委员会分别为此制 定了三种局域网标准，即,,,、,,,和,,,，其中,,,标准就是通常所说的以太网 以太网是目前最通用的局域网通信协议标准，是采用共享总线型传输媒体方式的局 从,,蕴,,,,,蕴,,,俚阶罱,,,,和,,,传输速率的以太网体 系，其标准基本相同，方便用户的网络升级。 以太网的传输机制简单而又可靠，可以采用基于双绞线星型连接的结构化布线，使 人们能够建立标准、简单、可靠、易于管理的以太网电缆系统。 由于以太网技术的广泛使用，使得市场上网络设备的供应充足，从而使以太网网络 设备的价格下降。 目前已经开发出大量的以太网管理和故障排除工具，从而使得对以太网设备的管理 较为方便。 ,,,,,,(,、,,,,,,,,,,,,, ,,,标准主要用于高性能服务器之间的互联，,,,,,,,已经广泛应用于桌 应用在,位处理器构成的嵌入式系统中。 工业控制经历了早期的单一设备简单,疧，后来增加了模拟量的采集与逻辑控制功 能，然后,世纪,年代中期，产生了现场总线，使智能现场设备与自动化系统能够接 入全数字式、双向传输、多分支结构的通信控制网络，工业控制系统开始向分散式、网 络化和智能化方向发展。上世纪,年代中期，当现场总线大战正浓时，传统上用于办 公和商业的以太网开始逐渐进入控制领域，近年来以太网更是走向前台，发展迅速。与 现场总线相比，以太网的优点在于已经拥有了巨大的网络基础以及长期的知识经验，而 且以太网性能可靠、成本低廉、扩展性好、容易安装开通及其方便维护等。 条总线上运行不同的传输协议，能够建立企业级的公共网络平台或基础构架;市场上充 足的提供了用于以太网设置、维护和诊断的工具，以太网已经逐渐的成为了事实上的统 近年来，以太网技术又有了重要的突破和进展，与传统以太网相比，优势更加明显: 离;以太网的通信速率大幅度的提高，很大程度的消除了通信的不确定性，提高了以太 网通信的实时性，实时工业以太网的出现更是进一步保证了网络的传输性能。同时，工 业自动化系统已经向分布式、智能化的实时控制方向发展，使得人们对统一的通信标准 和通信网络的要求日益迫切。 长期以来，由于各种现场总线争论不休，很难解决互通和互操作的问题，而随着工 业以太网的快速发展以及关键技术的突破，使得工业自动化领域控制级以上的通信网络 正在统一到工业以太网，并正逐渐的向下延伸。 ,,课题的提出及意义 随着电子、信息技术的发展，信息交换和共享的领域正在迅速覆盖工厂现场设备层、 控制层和管理层等各个层次。信息技术的发展，导致自动化系统结构发生了变革，逐渐 形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，可以说工业设备与以太网的接入 是工业控制领域的研究方向。目前，在工业控制等应用领域中，大多数设备的通信接口 能满足远程控制的需要，且不能与互联网直接接入，而以太网可以直接接入到因特网。 因此为了解决上述工业接口设备接入互联网，更好的实现远程控制，本设计通过对 ，进行通信的协议转换器的设计与开发。实现这些通信标准的数据与以太网标准的数据转 面的缺陷，满足了工业领域远程监控的需求。 ,,课题国内外发展现状 接口为主。随着新技术的不断出现，大量的工业设备开始支持,,涌冢,,肅,现 和共享，是网络化智能仪器仪表的研究目标，也是目前国内外竞相研究和发展的前沿技 出,,,,,,】。但这些转换设备一般都是针对一种接口，一个设备，并且它们的实时性较 在，如果为每一种接口，每一个设备都提供一个转换装置无疑会造成成本的浪费。并且 用户对设备实时性的要求也越来越高，许多转换设备已不能满足实时性的需求。 ,,为控制核心、采用,,,(,实时操作系统的一 议转换器的设计与开发。论文所完成的主要内容是: ,,ü,灾鞔,砥鱈,,,、网络控制芯片,,,以及,,刂菩酒珻,, 的硬件结构和使用的研究，设计出协议转换的硬件结构电路、底层驱动和转换接口。 ,疧,甀,凳辈僮飨低车囊浦埠投訲,,,协议栈的裁剪，建立起系 统运行的软件平台。 论文的组织结构如下: 第一章:绪论。如上所述，介绍了课题的背景，选题的意义，国内外研究现状和论 文的结构安排。 第二章:系统总体设计。本章给出了系统的总体构思，并从硬件结构和软件流程两 方面介绍了本设计的基本框架。 的特点和以其为基础的最小电路构成;介绍了以太网控制芯片,,,的特点和工作方 式，给出了以太网模块的硬件电路和驱动程序，从而实现系统通过,,,与以太网的 第四章:,畉 实时操作系统的移植步骤和,,疘,,檎坏牟眉舨呗约笆迪址椒ǎ,僮飨低澈蚑,,, 协议栈构成了应用程序运行的软件平台。 中,一,,牟ㄌ芈士捎刹β肟9匮?,(,,,,,, 波特率可由拨码开关选择,,,,,,,,。,,,:,С,,,,,賃,设备。 本文所设计的协议转换系统，根据各硬件所完成的不同功能，将其划分为五大部分， 图,,系统硬件总体结构图 该部分由处理器、,,,,,,、,,接口、拨码开关组成，可实现存储, 式转换。 该部分由网卡芯片和网络变压器组成，可实现以太网数据包的接收与解析、封装与 ,,,接口电路 ,,,,,接口电路 ,,,接口电路 ,,系统总体工作流程 各任务对时间的需求分配优先级，很好的实现了各功能之间的协调，使系统更具实时性 和高效性。 本系统按功能将工作流程划分为六个部分，每个部分由一个任务来完成其功能:两 路,,谑,萁邮詹?洗,烈蕴,,?铰稲,,,数据的接收并上传至以太网、以太网 接口号，读写这个字节可判断数据来自或下发至哪个接口。因此，总体工作流程可由以 下六个任务组成: 。(,, 哈尔滨,檀笱,,学何论文 主任务是操作系统启动后运行的第一个任务，其主要完成的操作是:建立其他任务; 读外围控制信息;根据控制信息初始化各器件;配置中断向量表:循环等待,,,, ,,礁鯟,接收任务,, ,,,、,, ,,礁鯮,,,接收任务,, ,(,,邮斩恿兄械氖,荩,羰盏绞,荩,蚪,涮砑覶,,,封装、以太网封装，并将 其发送至以太网。,(,,邮杖挝竦墓ぷ髁鞒倘缤,,所示。 ,,,事务处理任务,, 该任务主要负责检测,,璞傅牧,印?峡#喝粲蠻,设备连接，则循环等待 ,,本章小结 本章对本系统从硬件结构和工作流程两方面进行了概括介绍，给出了硬件总体结构 , 嵌入式最小系统与以太网接口设计 要实现本系统与以太网的接入，首先就是要解决与以太网的接口问题。本系统选用 本系统的主处理器，用来实现各系统各模块的通信和协议的嵌入。 ,,主控制器及其外围电路 控制器是整个系统的核心，它与电源电路部分、复位电路部分、存储电路部分等共 同构成了系统能够独立运行的嵌入式最小系统。这里所说的外围电路还包括控制系统通 信方式的拨码开关和系统开发所必须的调试接口。拨码开关接至处理器的通用,疧口， 应用程序根据拨码开关状态设置,(,,虲,的通信波特率。 ,,(,,砥鱈,,,简介 ,,，中央处理器,荘,,,公 ,,,,，精简指令集计算机,?,砥鳌,孟盗行酒,寤, ?,牡汀?阅芨摺,,, 位宽度的存储器接口与独特的加速结构可使,位的指令代码在最大时钟速率下运行。 处理器具有两个指令集，即标准,位的,,噶罴,,,坏腡,,指令集。由于 ,,,,牒虯,代码都是在相同的,位寄存器上进行操作，这样便可以使,位 主要特性如下【,。,】: ,,,籄,,,,甋微处理器。 ?,,片内静态,,,,,片内,,,绦虼娲?鳌,,位宽存储器接口和独 节行的时间只需,,,脸,ド惹,虿脸,,,氖奔渲恍,,,。 ?片内,,,,,,砑,墒笶,,,,,(,与嵌入式跟踪接口对任务实时跟踪 和调试。 , ?片内集成了,穕,坏腁,,;黄鳎,;皇奔渲恍柙,(, ?两个带,凡痘窈,路比较通道的,位定时器、,肥涑龅腜,单元、看门 狗和实时时钟。 ?可配置优先级和向量地址的向量中断控制器。 ?,,隹沙惺,,缪沟耐ㄓ肐,,冢,个电平或边沿触发的外部中断引脚。 ?可通过外部中断将处理器从掉电模式唤醒。 ?可通过个别使能,禁止外部功能来优化功耗。 ?双电源 ,,,僮鞯缪狗段В,(,,(,,(,,,,，可承受,电压。 丛圣呛,,一、，一、，、 叠(:弘?;,ǎ,,猲 , , , , 图,,,,,,(,电压产生电路 由,直流电源经,,酒,妊箍墒涑,(,和,甋,缪埂,,芯片选用的是 ,,,,,,,，其输出电压精度高，输出电流大。,,,,(,电压产生电路如图,, 所示。 ,,交流电输入，经,,,,,,变压器可产生,直流电源，如图,,所示。 ,直流电压产生电路 压并稳定之前，使处理器保持复位状态。在系统电压低于正常工作电压时，将复位处理 图,,复位电路 虽然,,,,诓亢,,,字节的静态,,,,,纸诘钠,贔,,，但是为 字节的,,,,,,,,,,,,】。由于,,,酒,,,唬,虼诵虢獸,,芯片的地 址线,一,,?,菹逥,,,,分别接至,,,,腁,獳,、,,,,唤獸,, ,,所示。 本系统将两片,位,,,?9钩,,淮娲?鳎,虼诵虢,狡琒,,的地址 别与处理器的,,,,、,,、,,连接，另一片的,,,,,,,,、,撑则分别与 的,,,,浞峙涞紹,,单元。,,,,,,糜诳刂贫列,位、,位或,位数据。 ,删连接电路图如图,, 所示。 图,, 图,, ,,,,,,桓鯦,,魇越涌冢,媒涌谑茿,公司提出的,脚标准仿真调试 接口，可实现代码层的调试，具有单步调试、全速调试、断点调试、查看变量值、观察 寄存器和内存数据等功能。 ,,以太网通信模块 ,,, ,,,,,橹史梦士刂,、,,,,,,,,,,锢聿,、,,,,,,,,,, ,,，性能高，功耗低。其主要性能如下,,,】: ?背压模式。 ?半双工流量控制模式。 ?支持唤醒帧，链路状态改变与远程唤醒。 ,,。 ?自动加载,,,里的生产商,和产品,。 ,,,的基本工作方式 ,,,有数据端口和索引端口，要访问那个端口由,,芙趴刂疲珻,接高电 平时为数据端口，接低电平时为索引端口。要读写,,,任何一个寄存器时，需按如 ,,獵,设置为低电平，访问索引端口; ,,獵,引脚设置为高电平，访问数据端口; ,,,内部有,,纸诘哪诖,,,,,,,，读写内存由,,,， ,,,琈,,,琈,,这四个寄存器控制，其中,,,和,,,读 写,,后，指向内部,,的读写地址指针不变，而,,,蚆,,读写,, ,,,,,纸诘哪诖嬷心,嫌,,纸,,,,顱,,用于发送缓冲区，其余 ,,纸,,,,,,,,糜诮邮栈撼迩,,粜慈胛恢迷浇纾,,远,氐,,,位置。 封包传送过程如下: ,,,7?偷氖,菀来涡慈氲組,,中，数据将自动填入内存; ,,柚肨,寄存器，发送数据包。 封包接收过程如下: ,,榭碝,,,拇嫫髦械闹凳遣皇荗,，若是则有封包接收; 节为数据包信息，第三、第四个字节是封包长度; 将,,,的使能管脚,,?丝谘?窆芙臗,分别接至,,,,腃,、,， 使网卡芯片的数据端口地址与索引端口地址分别配置成,,,,,与,,,,,。 ,,玈,接地，,,,,接电源。,,,的,,一,,,管脚与处理器通用,, 口,(,、,(,相连，分别用于系统检查,,,的连接状态和实现,,,的硬件 复位。网卡芯片的物理层接收和发送端口,,、,,,,,,,,(经网络变压器芯 片,,,,接至,,接口。 为了能够及时的处理收到的数据包，并尽可能的节省处理器的时间开销，,,, 的数据接收采用中断方式，发送采用查询方式，因此其驱动程序可以封装成以下三个函 ,,玁,寄存器的第,恢,，软件复位网卡; 设置传输方式; ,,騊,的,,,,,写入物理地址; ,,,,,慈隝,寄存器，使能接收中断，完成初始化操作。 以太网封包发送函数,, ,,,,,到,,关接收中断; ,,本章小结 控制芯片,,,的特性以及,,,的基本结构、功能和操作方式。给出了最小系统 电路和,,,的电路连接，并介绍了,,,的驱动方法。 ,疧,甀,僮飨低车囊浦灿隩,,,协议的裁剪 ,,疧,甀,僮飨低车囊浦灿隩,,,协议的裁剪 为了保证系统对各种事件的处理快捷、有效，本系统选用了,,疧,,实时操作系 统,,,，将复杂的应用程序分割成几个独立的任务，从而使应用程序的设计大大简 化，也使得系统以后的扩展升级更为方便。由于,畉,疧,甀,旧聿?挥屑,蒚,,,协议 栈，为了实现与互联网的接入，本系统针对工业远程控制的特殊需求以及嵌入式系统的 ,, , ,畉 ,疧,莗 入式系统编程》上连载刊登，并在该杂志的,,习製 ,疧,雙,痮,甀,亲,盼<扑慊,度胧蕉,杓频模,蟛糠执,攵际怯肅语言编 , ,疧,,只是一个实时操作系统的内核，因为它仅仅具有任务调度、 任务管理、时间管理、内存管理、任务间的通信与同步等基本功能，并没有提供输入、 输出管理、文件管理和网络服务等功能。但是由于, 统具有如下特点【,’,】: ?可固化:在具有合适的软硬件工具的前提下，就可以将,,,(,嵌入到产品中， 成为产品的一部分。 ?可剥夺:,畉,疧,甀,强砂,嵝偷氖凳蹦诤耍琁(,,,(,总是让就绪条件下优先级 最高的任务运行。 ?多任务:,畉,疧,甀,赏,惫芾,,鋈挝,,鲂璞,舾,低,。 ?可确定性:,,,(,的大多数函数调用和服务的执行时间是具有确定性的，用 户总数能够知道某个服务执行了多长时间。 ?任务栈:每个任务都有自己的单独的栈。 ?系统服务:,,,(,提供信号量、互斥信号量、时间标志、消息邮箱、消息队 列、内存申请与释放、时间管理等系统服务。 ?中断管理:正在执行的任务可以被中断挂起，如果有优先级更高任务被中断唤 , ,疧,甀,僮飨低常,,砥饔β,阋幌乱G蟆,,,】: ,,,砥鰿编译器要能够产生可重入代码。 都含有丰富的指令对堆栈进行操作。根据生长方向不同可以生成四种不同的堆栈， ,,疧,甀,僮飨低车囊浦灿隩,,,协议的裁剪 ,疧,甀,贚,,,上的移植步骤 根据, ,甋、, 件只有,,,瓾、, ,瓹三个，下面将介绍这三个文件的关键 部分移植方法。 ,,瓾的编写 系结构相关的一些定义。第一个问题就是将操作系统代码的数据类型定义为编译器识别 的类型，比较简单，不必多说。下面介绍一下第二个问题的工作。 下面代码选择开、关中断的方式: ，(选择开(关中断的方式(， , , , , , , , , , ,,,,,,,,,和,,,,,,,,这,龊甑亩ㄒ逵,种方法， 本移植采用的是第二种方法，即先将中断状态保存到堆栈中，然后禁止中断。而执行 ,,,,,,,的时候只是从堆栈中恢复中断状态。如果用这个方法的话，不管 中断状态。 ,,牙鈅是从上往下长的 ,,,砥饔猩局噶罴,蚑,,指令集两个指令集，用户也拥 有用户模式 和系统模式两种处理器模式，各种方式下对系统资源的访问具有不同的权限，为使底层 不同的功能号加以区分。软中断功能号的分配及底层函数声明如下: ，(运彳于,,毫先级最高的任务 一 , — , , , , , , , ; ，(开中断 ,瓹文件的编写 哈尔滨,籪旱大学硕十学位论文 堆栈用来保存任务的上下文，每创建,个任务就要初始化一个堆栈用来保存该任务的上 下文。初始化堆栈的情形就如同刚发生过中断，将所有寄存器保存到堆栈中一样，入栈 , — , , , , , , , , , , , , , , , , , ,—,,,,; ? , , ‘ , — , , , , : ??一一,,‘,—,,,,; , ,, ? , ,: , ,, , , , ? 一 一 , , ? : , ,,，允许,耄現,中断 关中断讦数嚣,,,,妇;。 该文件主要实现,,,,,,,,、,,,,、,,,,,,隣,,,,, ,,刂瓶橹械娜挝穸颜恢刚耄,ü,弥刚虢獵,现场恢复出来使该最高优先级 任务运行。该函数只在多任务启动时调用一次。,,,,函数负责任务级的任务 本系统中，由于,,,,是用软中断来实现的，即在任务级任务切换的时候 于流程比较清晰，具体代码这里不再赘述。 系统完全不同的计算机或嵌入式设备都可以通过,,疘,,槭迪只チ!,,,协议族 十分庞大，为了能使在对时间和空间要求都非常苛刻的嵌入式实时设备中成功实现 ,,疘,,檎缓蚈,模型一样采用了分层结构，但与,,煌,氖荰,,,协议栈 体系结构分为四层:第一层是网络接口层，它是,,,协议的数据结构与实际物理硬 包括,协议、,,,椤,,,,椤,,,,榈龋,杂τ贠,模型的网络层;第三 层为传输层，它提供两种端到端的通信服务，主要包括,,,楹蚒,协议，可与 ,,,偷氖,荽,洳愣杂Γ坏谒牟闶怯τ貌悖,从τ贸绦蚣湎嗷ス低ǖ牟悖,,‵, 协议、,,协议，,,协议等，对应于,,,偷幕峄安恪?硎静愫陀τ貌恪,钙,。 分层结构使各层之间相互独立，某层只要了解下一层所提供的功能接口，而不需要 去了解实现细节;增加了设计和使用的灵活性，若某层的内容发生变化，只要接口关系 没变，上下层不受影响;提高了标准化程度，由于结构上分成了较小的部分，各层都可 以选择最合适的实现技术，来完成本层的功能;各层的观念和所提供的服务都有明确的 应用层 网络接口层 ,,,,,,椤,,,煲, 有效的在该系统运行【,,,眉艉蟮腡,,,协议的各层协议构成如图,,所示。 目前在使用的以太网帧有四种不同格式，它们分别是【,,,,】: 即,,,,,,,,名称为,,。 ,,,,暧蒒,,,ú嫉淖ㄓ靡蕴,,曜贾「袷紼,,, ,,,,,,,,名 ,,, ,,,,暧蒊,,ú嫉腅,,,,,,的,,姹疽蕴,,「袷紼,,, ,,, 不同格式的以太网帧在最前的,鲎纸谀谌荻际窍嗤,模,,个字节的前同步码， 内容为,鲎纸诘,,,,詈,个字节为帧起始标志,,。除此之外，其他各字段 ,,,,,那吧硎,,,闐,、,,,蚗,,公司共同起草的一份,,,以太 网物理层和数据链路层的，称为,,娣兑籇, ,协议格式如图,,所示: , 目的地址, 源地址, 图,,,,,,,协议帧格式 各字段的解释如下: , ,疧,甀,僮飨低车囊浦灿隩,,,协议的裁剪 的内容为,,。 ,,勘甑刂稴,,鲎纸诔ざ龋,话惚硎窘邮斩说腗,地址，也可表示多播 或广播地址等。 ,,,,,椋,个字节长度。 ,协议的封装过程，就是将上层传来的数据加入目的地址、源地址、类型、 数据等字段;,,,会自动完成添加前同步码、帧起始界定符和校验字段，并按照冲 ,协议的解析过程则刚好相反， 即用校验字段校验接收帧是否正确，根据类型字段的上层协议类型调用相应的函数，将 数据包传送给相应的上层协议去处理。以太网接收处理函数流程如图,,所示。 图,,以太网接收处理函数流程图 哈尔滨,薮笱,,学位论文 ,,,槭茿,,,,,,,,,,,,的缩写，即地址解析协议。以太网数据帧的 发送是根据,鲎纸诘挠布,刂范,皇歉,,字节的,地址来确定的，所以通过以太 网实现一个主机到另一个主机的直接通信必须知道目标主机的物理地址，这个物理地址 就是通过,,,榛竦玫摹,,协议的职责就是要将目标,地址转换成目标物理地址， 保证通信的正常进行【,,们。 过,,,榛竦猛,氐腗,地址，将数据帧发送给所属网段的网关。此时数据帧的目 操作码,,,, 图,,,协议帧格式 各字段的解释如下: ,,,槔嘈停,字节长度，表示发送方提供的高层协议地址类型，,地址 源,地址。 ,,疧,甀,僮飨低车囊浦灿隩,,,协议的裁剪 为了减少,,,莅,姆?痛问,,岣逜,协议的运行速度，系统创建并维 护一张可存储,地址与,,刂酚成涔叵档囊徽呕捍姹恚,碅,映射表。表里 询该,的,,刂罚,舨皇粲谠虿檠,,氐腗,地址: ,,贏,表中查询想要获得,,刂返腎,,舸嬖冢,蚪,涠杂Φ腗, 地址取出:若不存在，则通过广播发送,,肭螅,?却鼳,应答; ,,竦媚勘闙,地址后，调用以太网发送函数，发送该数据帧，并刷新 ,协议 帧都要通过,格式传送。,数据包是不可靠的，它不采取任何方式去确认数据包 分片偏移量,位 ,协议帧格式 ,数据报首部各字段解释如下: 只用普通的,数据报，没有添加任何选择项，所以本系统的部首长度是,个字节， ,,,,个字节，表示服务类型，用于获得更优质的服务。 之间。根据部首长度和总长度，程序可计算出报文数据部分的起始位置和长度， 可分片;第三位表示是否有后续分片，为,庇泻笮,制,,,时表示最后一片。 ,,制,,屏浚,,唬,硎痉制,诒ㄎ闹械奈恢茫,米侄蔚闹党艘,就是 分片在报文中的偏移字节数。 ,,,媸奔洌,个字节，表示报文最多可经过多少个路由，经过的路由数 超过该字段的值则报文将被丢弃。 ,,喜阈,槔嘈停,个字节，表示,报文被接收后将交由什么上层协议处 理，其值为,,鞩,,,椋,,代表,,协议，为,,鞹,协议，为, ,,,,,椋,个字节，根据,部首计算的校验码，不计算数据部分。 个,位进行二进制反码求和，将整个部首看做一串,位的字组成，结果存在校 验和字段。 由于在工业控制领域传输的数据量一般不大，却又要求对数据进行实时的处 ,疧,甀,僮飨低车囊浦灿隩,,,协议的裁剪 理，所以本设计中对,协议进行了简化，即版本为,,，头长度为,，服务类 ,处理函数分为,封装和,解析两部分:,封装过程是上层协议通过调用 ,封装函数计算添加,各字段;,解析过程是通过以太网协议调用,解析函数， 判断目标,是不是本,，根据校验和字段校验,部首，再根据上层协议类型字 段调用上层协议处理函数，将数据转交至上层处理。,接收处理函数流程如图,, 所示。 图,,,接收处理函数流程图 ,?皿协议 要用于在,主机与路由器之间传递控制信息，用来判断网络通与不通、主机是否可到 达、路由是否可用等网络情况。这些控制信息并不含有用户数据，但却对用户数据的传 递有着非常重要的作用。 类型,或, 检验和 图,,回显请求和回显应答报文帧格式 ,,有很多种类型不同的报文，可由帧格式里的类型和代码字段决定报文类型。 本系统只实现了,,应答功能，用于服务器判断设备的连接情况。,,程序所使用的 回显请求和回显应答报文帧格式如图,,所示。 各字段含义如下,】: ,,嘈陀氪,耄焊髡,个字节，类型与代码字段共同决定,,报文的类 ,,晔痉,,个字节，用于标识同一,，不同应用程序所发出的回显报文。 充校验和，然后调用,封装处理并发送即可。 文格式如图,,所示。 , 中第一个数据字节的位置。 ,,刂谱侄危赫,位，每位的含义如下; 紧急位,,何,表示该报文段含有急需处理的数据，应优先将该字段内容 传送，而不必按原顺序。 确认位,,焊弥滴,时，确认序号才有效。 推标位,,焊梦晃,时，表示接收端不将数据进行队列处理，而是快速将 该数据转交由应用层处理。 方应按此窑,规定的字节数发送数据。 即是对包括,,渴缀蚑,数据的校验。 ,,艏敝刚耄,字节，只有,,恢,时才有效，发送序号表示紧急数据 的开始位置，发送序号和紧急指针相加表示紧急数据的最后一个字节位置。 本系统中，考虑嵌入式环境和工业设备数据一般不会太长的实际情况，,协 议里没有采取分片处理，所以理论上一个,封包的大小不应超过,,个字节，可 简化设计本系统也没有考虑紧急指针和选项字段。 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 再发送一个,,煊Π,阌敕,衿鹘,,,连接，此时系统处于,,, 状态。然后系统便可向服务器发送,,,荩,材芙邮辗,衿鞣?吹腡,数据了。 ,,,刺,螅,?秃,,砸7?偷氖,萏砑覶,封装，调用,发送处理函数， 数据传送给应用层。 传输方式，它把应用程序传给,层的数据发送出去，并不保证它们能到达目的地。但 是由于,,渴字挥,个字节，且无需建立连接，所以,,拇,渌俣纫1萒,快 的多。在工业控制领域，一些工业设备的现场数据,缪沽Α?髁康,要及时的反映到 服务器，偶尔的丢包对于服务器对现场数据的监测影响不大，而服务器对现场数据的上 为传输层协议是可行的,,，,,,橹「袷饺缤,,所示。 ,,,楹,字节 ,,渴子,个字段，每个字段均为,鲎纸凇,,的源端口号和目的端口 部首为,鲎纸,;同,,谎,琔,的校验和也是覆盖了部首和数据。 ,,,砗,,,?,接收函数和,,?秃,,琔,接收函数完成对, 协议上传来的数据的,,馕觯,?ń馕龊蟮氖,菁绦,洗,劣τ貌悖憾鳸, 由,协议处理。 , ,疧,甀,僮飨低车囊浦灿隩,,,协议的裁剪 对于以太网数据的解析过程:,,,接收到数据帧后，首先调用以太网接收处理 函数;以太网接收处理函数进行以太网解析后，再根据以太网帧类型字段的值去调用, 对应用程序数据的封装过程:在应用程序中调用,,?秃,,騏,发送函 数，实现,,騏,帧格式的封装;在,,?秃,,蚒,发送函数中调用, 的物理地址;获得物理地址后，再调用以太网发送函数，实现以太网帧格式的封 装和以太网发送。,,疘,姆庾肮,倘缤,(,所示。 ,,本章小结 格式和实现方法做了详细的讲述。 的软硬件设计。 ,(,,是,,年美国电子工业协会,,洳嫉囊恢执,形锢斫涌诒曜迹琑,,, 是目前,机与工业设备通信中使用最广泛的一种串行接口。标准规定在数据线上用 ,,,,,表示信号有效，用负电压,,,,,,硎拘藕盼扌А,捎赗,,,的 传输线存在共地噪声、不能抑制共模干扰等问题，且其驱动器允许有,,,的电容负 载，所以其传输距离一般较短，通常用于,,阅诘耐ㄐ拧,,,,标准规定的数据传 行数据与并行数据的转换。由于,,,,峁?氖荰,高低电平表示逻辑状态的串行 ,篞,企鞾 世 ?????????????????一 ,( 询方式发送，因此,,控制器的驱动同样有初始化，发送数据，中断处理三个函数。 ,,,,,，,,,:初始化函数完成设置波特率、通 始化流程如下: 其中,,,,,,,,,,,,ㄌ芈蔙,,的取值由对应拨码开关的状态指定为 ,,,,、,(,,,,,,,,或者,,,,,; 寄存器,,，完成数据发送，再发送数据前先查询发送标准位是否置位，若置位则发 送，若未置位则暂缓发送，参数,,,代表第几路串口。 ,(,,卸洗,砗,齍,,,,,,,, ,,粑狥,,邮罩卸希,蛄,,两邮栈捍婕拇嫫鱑,,絉,,,接收缓冲区 ,,,,，直到,,的位,,。退出中断。 , ,, 帧格式，,,(,给出了标准帧和扩展帧两种格式，两种不同帧格式仅是标识符不同， 两根线的差值决定的，当压差大于最小闸值时，表示“显性,,共罱咏,,时表示“隐 不同节点同时向总线上发送“显性,缓汀耙,,位时，总线表现为“显性,刺,,,,,。 中数据链路层又被分为介质访问控制子层,,层,吐呒,绰房刂谱硬,,,,。 层主要负责报文滤波、过载通知以及恢复管理等。物理层则是定义信号实际的传输方式， 对发送媒体和信号的电平进行优化【,。,】。 ,,砦笾。喝魏蜟,节点检测到总线错误就会发生错误帧。 在数据传输中最常用到的是数据帧，数据帧有标准格式和扩展格式两种格式，下面 介绍一下本系统所使用的数据帧扩展格式的帧结构。 , 帧起始 仲裁域 控制域 数据域 应答域 帧结尾 , 图,,,数据帧结构图 观 ,,,,, , ,,,,与,,,,共同组成了,位标示符。前,位相当于标准帧的标 示符，也决定了帧的优先权。,,晃!霸冻谭?颓肭笪,，在远程帧里为隐性， 扩展帧格式里，控制域包括长度代码和两个保留位,和,，这两个保留位在发送 时必须全为显性，接收时的是显性与隐性的组合。 ,,Υ鹩颍河Υ鹩蛴,个位组成，一个为应答间隙，另一个为应答界定符。 当接收器正确接收到有效报文时，就会在应答间隙间向发送器发送一显性位，以 示应答。 ,,〗嵛玻褐〗嵛灿,个连续的隐形位组成。 , ,,,籌, 优先级 源地址 ,重定义结构图 ,,畔燃叮河畔燃墩糏,晔痉,淖罡吡轿唬,盋,总线上各节点同时竞争总 线时，优先级高的会竞争到总线。该字段值越小优先级越高。 点地址。字段的前,晃I璞咐嘈停,砻鹘诘闼,羯璞傅闹掷啵汉,位为设备号，表明 某种类节点的编号。设备类型和设备号共同组成了设各地址，当目的地址的设备类型与 设备号字段均不全为,保,,荼惴?偷轿ㄒ蝗范ǖ囊桓鯟,节点。当目的地址的设 备类型不全为,,璞负湃,,时，则属于该设备类型的所有节点都能接收该帧，即组 播形式。当目的地址的设备类型字段全为,保珻,总线上所有设备均能接收该帧， 即广播形式。 ,,”曛荆,位，由于,,,葜ǖ疃嗄芊?,个字节的数据，当数据不多于 ,鲎纸谑保,?鸵桓龅ブ〖纯桑坏笔,荻嘤,个字节时，则要分成多个数据帧发送。 ,,”蚝牛憾杂诙嘀〉那榭觯,”蚝疟硎臼,菰谡,鯟,报文中的位置，用来 ‘ 重组数据。对于单帧情况该字段没有意义。 据帧的数据上传时，在数据前添加了设备类型和设备号两个字节，用来让服务器识别具 体的工业设备。,,涌谑,莸姆庾案袷饺缤,,所示。 , 以太网封装 接口号 , ,,涌谑,荩辉谔砑右桓鲎纸诔ざ鹊慕涌诤牛,槌闪薚,,,封装前的数据部分;然 统支持,稢,接口、,稲,,,接口和,稶,接口同时与以太网的接入，判断 , ,,,,规范;全局滤波器可识别总线上,位和,位标示符;验收 ,,,,隝,,,,曜纪耆?嫒荨,,,,不仅通过,,瓾与,,甃的理想配合 使电磁辐射非常低，而且在不上电时总线呈现无源特性，使得其性能大大提高。此外， 为了进一步减小外界对系统性能的影响，提高系统的抗干扰能力，本系统利用高速光耦 图,, 同,(,,,橐谎,珻,的数据接收采用中断方式，发送采用查询方式，因此其 驱动程序同样可以封装为初始化，发送数据，中断处理三个函数。 式、总线时序和全局验收滤波器的设置等一些必要的初始化工作。参数,,,表示对 第,,:业设备接口模块的设计 应位置位，使能,,刂破骱虲,引脚; ,,,,,拇嫫鞯腞,恍慈雔，进入复位模式; ,,,,,拇嫫鞯腡,位、,,弧,,位都写入,,柚糜畔燃队蒀, 置标示符表格，设置全局验收滤波器; 的地址的数据帧发送到,,芟呱希珻,发送函数的步骤如下: ,,,、,,,、,,,、,,,中; 函数步骤如下: 接收帧状态、帧,和帧数据: ,, 哈尔滨,薮笱,,学位论文 最后事务构成了传输。下面简单介绍域、包、事务和传输【,,,。 域:域是由一串二进制位组成，是,,,虻淖钚〉ノ唬,蚩梢苑治,种类 型: ,,,接騍,,和,接蛭,位，值固定为,,，用于数据时钟的同步。 来表明包的类型和格式。 ,,刂酚駻,,,位，地址域代表了设备在主机上的地址，任何设备刚连入 ,,说阌駿,,,位，标识,,璞傅亩说悖,桓鯱,设备最多可有,个 ,,,萦駾,,撼ざ任猯,,,个字节，数据域长度在不同传输类型中不固定， 但必须是字节的整数倍。 殊包，前三种是重要的包。前三种包的构成如下: 输出包是用来设置输入输出命令的，而不是用来传输数据的。输入包、输出包和设置包 的格式是一样的，都是由,,域、,,颉,,,颉,,,蚝,位的校验域构成。 , 第,耇业设备接口模块的设计 帧起始包是由,,域、,,蚝,位的校验域构成。 包、数据包、握手包三个阶段构成。令牌包阶段用来启动一个输入、输出或设置事务: 数据包阶段用来按输入、输出发送相应的数据;握手包阶段用来返回数据接收情况。在 ,,,挛瘢毫钆瓢,锥危,骰,?鸵桓鯬,为,的输入包给设备，通知设备 往主机发送数据;数据包阶段，设备端点若正常则向主机发送,,,隓,,交替的 ,,,事务:令牌包阶段，主机发送,,狾,的输出包给设备，通知设备 准备接收数据;数据包阶段，主机向设备发送,,,虳,,交替的数据包;握手包 阶段，若设备成功接收则向主机发送,,,,羯璞该υ蛳蛑骰,?蚇,无效包，通 ,,,,事务:令牌包阶段，主机向设备发送一个,,猄,,的输出包， 通知设备准备接收数据;数据包阶段，主机向设备发送一个,,,,,飧鯠,, ,?,洌篛,事务、,事务和,,,挛窆钩闪舜,洌,,溆,种类型:中断 传输、批量传输、同步传输和控制传输。 数据传输使用中断传输。 ,,,看,洌号,看,湟彩怯蠴,事务和,事务构成，一般用于大容量数据 ,,,酱,洌和,酱,溆蒓,事务和,事务构成，但是在同步传输中没有返 , 初始设置阶段、可选数据阶段和状态信息阶段。每一个阶段都可看成一个传输，因此也 这里的,事务和,,挛裼胝,,腎,挛窈蚈,事务的传输方向相反，而且事务中 主机方式和设备方式。在本地端，,,,哂,位数据总线和读、写、片选控制线以及 :,, 令端口地址为,,,,,。,,,,、,,,分别连接,,腎,、,,、,,,。 ,,,,,,覷,设备。,,,腡,引脚通过,左右的下拉电阻接地。在,, 第,耇业设备接口模块的设计 位。如,,,觳獾経,设备，,,便为低电平，该引脚接发光二极管用来指示设 对,,,,忻恳徊讲僮髦,氨匦胧紫刃慈胂喽杂Φ拇,耄珻,,提供了执行各 种事务的命令代码。本设计中，由于命令端口地址被分配为,,,,,、数据端口地址 被分配为,,,,,，因此写命令时只需将命令所对应代码写入命令端口地址，写数据 时将数据写入数据端口地址，读数据时将数据从数据端口地址读出。 函数,,,,用来查询中断状态，首先等待中断信号;操作完成后，向命令端口 写入查询操作状态命令代码，读数据端口中断状态数据。 模式的命令代码，然后向数据端口写入相应模式代码，最后查询中断状态信息判断是否 操作成功。 接收、发送器的工作方式命令，向数据端口写入相应的工作方式，实现数据接收和发送 时,,,隓,,包交替，从而实现了数据的同步。 函数,,,,,,和,,,,,,,美炊列词,菘椋珻,,读写数据时，第一 个字节总是代表数据长度，因此读数据时，首先读出一个字节得到后续数据的长度，然 后续数据写入。 函数,,,,,,美粗葱蠻,事务，向命令端口写入执行事务的命令代码，再向 数据端口写入一个数据，这个数据的高,晃猆,设备的目的端点号，低,晃狿, 代码，返回操作状态。 本系统中,,璞傅那,,,,,?,设备初始化函数,,,,,,,、主机接 , 配置，其主要操作如下: 主机接收函数的基本流程如下: ,,鬋,,成功接收，则读取接收到的数据;否则返回失败状态信息。 主机发送数据时，要先判断发送数据的长度是否大于设备接收端点尺寸，然后再执 ,,蛎,疃丝谛闯跏蓟疷,存储器的命令代码，等待操作状态; 量的命令代码，等待操作状态; 第,耇业设备接口模块的设计 图,,,主机发送流程图 ,,,个字节的逻辑扇区地址依次写入数据端口，先写低字节再写高字节; ,,,个字节的逻辑扇区地址依次写入数据端口，先写低字节再写高字节: , 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 ,,本章小结 ,?置???鼍篁,省!!;省甶目???‘暑?????昌宣,!觥P,,顋 叠?‘叠??????,R籌 本系统中，,,测试可用于服务器对设备连接状况的检测。将本系统,设置为 ,,,,(,,,，将,机的,地址设置为,,,,(,,,使,机与本系统处于同一子网。 在,机的命令窗口输入命令,,,,,,(,,,，测试结果如图,,所示。,,,,说 明,,,?褪,莅,拇笮?,,鲎纸凇,,,,,是从,机发出,,命令到收到回 ,, 结果。将本系统的,,,接口,雙,,腞,,,接口连接，设置,机串口的波特率 , 口向串口发送数据，查看串口的接收情况;同时由串口向网口发送数据，查看网口的接 ,,,与以太网通信功能正常。 ,,,摹～В粅:,А簘『,啊耲爹。,啊蓣埽篲А“?,,纭,弧菀籮 一 ,～,警誓博“ , 啊 А ,?盼“船嚣?珏” ,匠赣炊,一, ”。??“,枋娜愣:一 图,, ,, 对于两路,,涌冢,饫镏桓,隽说诙,稢,的测试结果。借助,,ú馐訡, ,,ㄍㄐ潘俾饰,,,,，通过拨码开关设置本系统,,涌,的波特率也为 ,,,,，柚帽鞠低车腃,节点地址为,,幢鞠低车纳璞咐嘈秃蜕璞副嗪啪,狾。 , , , 通过,,ㄏ駽,口发送数据，数据内容为:“, , , , 为,荒康慕诘愕刂肺,，即发送给本系统的;帧标志为,,硎镜ブ。恢?蚝盼,;源 备类型为,,璞负盼,的设备。同时由服务器向,,涌,发送数据，发送数据的 ,,胍蕴,,ㄐ诺牟馐越峁,缤,(,,尽,赏伎芍#,,衿鞒晒,邮樟薈,接口 :‘ 。 壤期, 涪芏搀妒范 , , , ’ 二, 猨’ , 露,诨舴,摺霾,囝蛰 哈尔滨,程大学硕士学位论文 ,, ,,胍蕴,,耐ㄐ趴梢酝ü,,衿鞫訳,设备发送命令和接收数据来测试，由 ,,与,客鴞甬詹?甚 塌融酢 ,,本章小结 口与以太网之间的协议转换。 , 随着以太网技术的迅速发展，让现有工业设备连入以太网已经是工业领域必须解决 ,,癠,接口的工业设备与以太网互联进行了设计。 本课题主要完成基于,,腞,,,、,,癠,接口的工业设备接入以太网的 协议转换器的设计研究，主要完成了以下工作: ,,訪,,, ,,作为主处理器，成功实现了对,,,,(,操作系统的移植， 使实时操作系统在,,,,盗械腁,处理器上稳定运行。 ,,杓屏薘,,,通信模块、,,ㄐ拍,椤,,通信模块及以太网通信模块 的硬件电路和底层驱动程序，实现了,(,,,,、,,癊,,,通信协议。 ,,诔晒Φ氖迪至藀,痮,甀,僮飨低场,,,,协议栈、各控制模块的底层驱动 的基础上，设计了应用程序。应用程序工作在系统最高层，对于下层操作，只需调用操 作系统、,,协议栈及各底层驱动程序的接口函数即可。本系统按功能将应用程序划 分成不同的任务，并根据各任务对时间的需求分配优先级，很好的实现了各功能之间的 协调，实现了,(,,,,及,,隕,,,之间的数据交换，且具有一定的实时性。 因时间和个人知识、经验有限，本系统还存在一些不足，有待进一步完善。 阳宪惠(现场总线技术及其应用:】(北京:清华大学出版社，:::::( : : 王晓廷(以太网技术与应用:】(北京:人民邮电出版社，::( : 陈平(基于以太网的控制接口技术研究:】(硕士论文(江苏:东南大学，::( : 化，::，::::—:( : 基于,,腡业设备以太网接入设计 工程与设计，,,，,,,:,,,,( ,,,,,,畓,,,瓹,( 【,】周立功(,,?刂破骰,?胧嫡健綧】(北京:北京航空航天大学出版社，,,( ,,( ,,抗阒葜芰?Φテ,,?褂邢薰,荆甀,,,,,,,中文用户，,,( 【,】,,,,,狥,,,,,,瓺,,, ,,,,,,( ,,颗朔澹,,贒,,,蕴,,刂破鞯耐,缂业缈刂葡低砙,浚,妒柯畚模,腏,:电子科 技大学，,,( ,,, ,,疨,,,, 【,】赵颇，顾利忠，徐敦流(,,,在,,,控制站的以太网接口中的应用叨(工 ,,,,,,郾幢匆耄,度胧绞凳辈僮飨低矷(,,,(,,】(北京:北京航 空航天大学出版社，,,( ,,,,,, ,,,,瓵, ,,,,,,, ,,，,,,,,( 【,】路英娟(,,,协议小议【,浚,萍记楸n?7?刖,茫,,,,,,:,,,, 【,】,, ,,,,,,, ,,,,, 【,】,,,,,,(,,,,瓻,,, 【,】黄学林(,,,槠燮,,矸治黾胺婪洞胧,,(广东科技，,,，,,, 【,】苗凯，周轲(,冲协议简介及,,韭矸乐巍綣】(河南机电高等专科学校学报， ,,可瓿晌埃甈,,脑,砑笆迪諿,浚,畔?际酰,,,,:,(,( 【,】杨红权，杨泽富(,,,与,(,,,薪涌谧;坏缏芳氨喑淌迪帧綣】(电机电器技 ,,,,,,甋,,, ,, ,,,,, ,亢ǖ橙海瓹,控制器,,,,捌溆τ眠叮,缱蛹际跤τ茫,,,,,,( ,,,,, ,,( ,,:,,,,,,,甶,,(,,痶,,,,,痷,,,, ,,, ,,縝,,畑,,,甤,,痷,,,,,,,,,,,,,,,,,畇,,( ,,縐,总线接口芯片,,,形氖植,二,篣,基本传输命令(版本:,( 基于,,腡业设备以太网接入设计 攻读硕士学位期间发表的学术论文 致谢 紧张而充实的研究生生活很快就要结束了，在此期间，许多的老师、同学和朋友给 予了我无尽的关心和帮助，此时我内心充满了对他们的感激。 首先衷心感谢我的导师张忠民副教授给予我的全面指导。两年半的工作学习和研究 中，张老师在学习和生活方面都给予了我很大的指导和关怀。他严谨求实的治学态度， 高深的学术造诣、严肃认真的创新精神和宽厚待人的长者风范深深影响着我，时刻鼓励 我克服困难，努力工作。读研期间我的进步是明显的，这与老师一贯的支持与教导是分 不开的。同时非常感谢张老师在生活中对我的无微不至的关怀，及在我最艰难的时候给与 我的巨大精神力量，使我能够开心地、顺利地完成学业，给我的研究生学习留下了美好 同时感谢对我学习研究和完成论文有很大帮助的席志红老师、靳庆贵老师和张弛老 师，他们给了我很多的指导。还要感谢同实验室的周博同学，在探讨中给了我很多帮助， 与他的交流和合作使我掌握了广泛的专业知识，获得了一段快乐的人生体验。 ,