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基于嵌入式的現(xiàn)場總線和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的技術(shù)研究

2016-02-23 02:54妮,董
現(xiàn)代電子技術(shù) 2016年1期
關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線

安 妮,董 俊

(河北金融學(xué)院,河北保定 071051)

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基于嵌入式的現(xiàn)場總線和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的技術(shù)研究

安妮,董俊

(河北金融學(xué)院,河北保定071051)

摘要:通過對企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的研究,以期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸。企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)基于現(xiàn)場總線,采用現(xiàn)場總線協(xié)議。而企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)基于工業(yè)以太網(wǎng),采用TCP/IP協(xié)議。因此,控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的集成就轉(zhuǎn)為現(xiàn)場總線協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換。由于現(xiàn)場總線的多樣性,著重研究現(xiàn)場總線中使用廣泛的RS 232,RS 485,CAN總線協(xié)議,采用32位AT91RM9200微處理器的嵌入式系統(tǒng)具有處理速度快、體積小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),是嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件平臺的首選。建立了協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)層次模型,設(shè)計(jì)了軟硬件平臺,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換,測試了協(xié)議轉(zhuǎn)換的運(yùn)行情況,實(shí)現(xiàn)了RS 232,RS 485,CAN總線協(xié)議和TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)雙向傳輸,可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、家庭網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線;TCP/IP協(xié)議;AT91RM9200;協(xié)議轉(zhuǎn)換

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信等技術(shù)的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲入世界的每一個(gè)角落,對企業(yè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了極大的影響。在企業(yè)內(nèi)部,由于多種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷涌現(xiàn),多種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共同存在,而企業(yè)信息溝通的領(lǐng)域正迅速地覆蓋著從工廠現(xiàn)場設(shè)備的控制到?jīng)Q策管理的各個(gè)層次,打破了傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系。實(shí)現(xiàn)辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結(jié)合,形成新型的管控一體化的全開放工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò),也是現(xiàn)代企業(yè)向企業(yè)計(jì)算機(jī)綜合自動化CIPA(Computer Integrated Plant Automation)和信息化發(fā)展的趨勢[1]。

1 嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺的設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展,有多種的嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)可供選擇。選擇合適的開發(fā)平臺有利于縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)難度。根據(jù)需要本文選擇了32位的

嵌入式微處理器AT91RM9200和嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

1.1嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)

嵌入式網(wǎng)關(guān)的微處理器采用AT91RM9200。讓AT91RM9200工作起來,至少還需要存儲電路、電源電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路,這些電路可以參考AT91RM9200的DataSheet。AT91RM9200內(nèi)部帶有豐富的通信資源,容易擴(kuò)展出RS 232,RS 485,CAN總線接口、以太網(wǎng)。利用USART外接電平轉(zhuǎn)換芯片可擴(kuò)展串行接口RS 232,RS 485;利用串行外圍接口(SPI)外接支持SPI的CAN控制器可擴(kuò)展出CAN總線接口。利用集成的以太網(wǎng)10/100M自適應(yīng)MAC控制器,外接物理層芯片DM9161可擴(kuò)展出網(wǎng)絡(luò)接口。嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件電路框圖如圖1所示。

圖1 嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件電路框圖

電源電路如圖2所示。由于AT91RM9200芯片需要3.3 V和1.8 V供電,這里采用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117?1.8 V和AMS1117?3.3 V,將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V 和1.8 V提供給處理器。

圖2 電源電路

時(shí)鐘電路AT91RM9200有2個(gè)時(shí)鐘Slow Oscillator和Main Oscillator,需要的晶振為32.768 kHz和18.432 MHz分別接于相應(yīng)的引腳。而AT91RM9200經(jīng)過PLL倍頻后的處理速度可以達(dá)到180 MHz。

AT91RM9200內(nèi)置USART,利用SP3243或SP3485芯片擴(kuò)展出RS 232或RS 485接口。SP3243或SP3485芯片只是起電平轉(zhuǎn)換的作用,至于網(wǎng)絡(luò)接口,芯片內(nèi)置網(wǎng)卡控制器,并未提供物理層接口,需外接以太網(wǎng)物理層芯片DM9161以提供以太網(wǎng)的接入通道。由于AT91RM9200內(nèi)部具有SPI接口(同步串行外圍接口),MCP2510是利用SPI總線讀寫的獨(dú)立CAN控制器,故采用MCP2510擴(kuò)展CAN接口。

1.2嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)

1.2.1嵌入式Linux操作系統(tǒng)

Linux操作系統(tǒng)是基于POSIX的多用戶多任務(wù),支持多線程和多CPU,免費(fèi)和自由傳播的類Unix操作系統(tǒng)。它采用模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),支持32位處理器,主要用于x86系列CPU的計(jì)算機(jī)上。它還繼承了Unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計(jì)思想,是一個(gè)性能穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。它具有以下特點(diǎn)[2]:

(1)源代碼免費(fèi)開放。Linux遵循GPL協(xié)議,任何人都可以免費(fèi)獲得Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的全部源代碼,根據(jù)需要進(jìn)行修改。這樣可以大大降低開發(fā)成本。

(2)系統(tǒng)功能強(qiáng)大,性能穩(wěn)定,升級速度快。Linux系統(tǒng)的內(nèi)核強(qiáng)勁,性能穩(wěn)定可靠,適合那些需要連續(xù)不間斷運(yùn)行的關(guān)鍵應(yīng)用場合。

(3)應(yīng)用程序十分豐富。由于Linux符合POSIX標(biāo)準(zhǔn),而能運(yùn)行Unix程序的任何操作系統(tǒng)必須符合這一標(biāo)準(zhǔn)。另外,為了使System V和BSD上的程序能直接在Linux上運(yùn)行,Linux還增加了部分System V和BSD的系統(tǒng)接口。

(4)支持動態(tài)鏈接。一般的系統(tǒng)采用靜態(tài)鏈接方式,當(dāng)多個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí),可能會出現(xiàn)庫代碼在內(nèi)存中有多個(gè)副本而浪費(fèi)存儲空間的情況。Linux支持動態(tài)鏈接方式,當(dāng)運(yùn)行時(shí)才進(jìn)行庫鏈接,如果所需要的庫已被其他進(jìn)程裝入內(nèi)存則不必再裝入,節(jié)省了運(yùn)行空間。這對存儲空間有嚴(yán)格要求的場合非常適合。

(5)支持多種文件系統(tǒng)。Linux能支持如EXT2,EXT3,MSDOS,PROC,NFS,MINIX等多種文件系統(tǒng)。最常用的文件系統(tǒng)是EXT2,它的文件名長度可達(dá)255字符,比常規(guī)的Unix文件系統(tǒng)更加安全。Linux可以同時(shí)支持不同的文件系統(tǒng),非常方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存和共享。

(6)網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大。Linux具有完善的網(wǎng)絡(luò)通信功能,支持所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,如TCP/IP,SMTP,F(xiàn)TP,Telnet等;可以使用所有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),如網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)、遠(yuǎn)程登錄等。這使Linux非常適用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場合。

(7)易于靈活定制。Linux內(nèi)核采用了模塊化設(shè)計(jì),易于裁剪。隨時(shí)都可根據(jù)需要對內(nèi)核裁剪,去掉不需要的功能或添加新的功能,以求與硬件資源形成最佳的配合。

(8)支持多種硬件體系結(jié)構(gòu),移植方便。Linux能夠支持x86,ARM,MIPS等多種CPU體系結(jié)構(gòu),幾乎所有流行的CPU都可以找到Linux的移植版本。

由于商業(yè)的嵌入式操作系統(tǒng)如VxWorks等體積過

于龐大、價(jià)格昂貴、源代碼不公開。結(jié)合AT91RM9200的特點(diǎn)和具體的功能需求,這里選擇免費(fèi)、源碼開放的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

由于嵌入式系統(tǒng)的CPU速度、內(nèi)存、外圍設(shè)備等資源非常有限,因此,在滿足功能要求的前提下,需要對嵌入式系統(tǒng)的體積大小進(jìn)行嚴(yán)格控制,以求降低系統(tǒng)開發(fā)成本,贏得競爭上的優(yōu)勢。由于嵌入式Linux的內(nèi)核采用模塊化設(shè)計(jì),并且其全部源代碼都是開放的等特點(diǎn),因此可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要對系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行配置,去掉一些不必要的功能,重新編譯內(nèi)核,最后得到適合于具體應(yīng)用的內(nèi)核。

嵌入式Linux是Linux針對嵌入式微處理器而修改過的操作系統(tǒng)[3]。嵌入式Linux的組成和Linux類似,主要也是由存儲管理、進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)、進(jìn)程間通信等幾部分組成。由于嵌入式Linux具有Linux的特點(diǎn),所以選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。在AT91RM9200上運(yùn)行的嵌入式Linux是針對ARM處理器進(jìn)行修改的Linux。

基于嵌入式Linux的軟件結(jié)構(gòu)分成四個(gè)層次:設(shè)備驅(qū)動、操作系統(tǒng)、應(yīng)用編程接口和應(yīng)用系統(tǒng),如圖3所示。設(shè)備驅(qū)動接口負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)與外部設(shè)備的信息交互。嵌入式Linux操作系統(tǒng)的功能分為基本和擴(kuò)展兩個(gè)部分。前者是操作系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、存儲分配、時(shí)鐘管理和中斷管理,并提供文件系統(tǒng)、GUI等基本服務(wù);后者為用戶提供操作系統(tǒng)的擴(kuò)展功能,包括網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫等。應(yīng)用編程接口API為中間件,為編制應(yīng)用程序提供各種編程接口庫,針對不同應(yīng)用領(lǐng)域要求分別構(gòu)建。應(yīng)用系統(tǒng)則是嵌入式系統(tǒng)中完成特定任務(wù)的應(yīng)用軟件。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)

一般地,用單片機(jī)開發(fā)出來的程序是在沒有操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成的,而一旦使用操作系統(tǒng),就需要為相應(yīng)的硬件設(shè)備編寫驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。這樣在應(yīng)用程序看來,硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件,應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分。它完成對設(shè)備的初始化和釋放;把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù);讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù);檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在嵌入式Linux下RS 232,RS 485,CAN總線和以太網(wǎng)的通信,其中各個(gè)接口的驅(qū)動程序是關(guān)鍵。在實(shí)現(xiàn)了RS 232,RS 485,以太網(wǎng)和CAN總線驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā),即實(shí)現(xiàn)各總線和以太網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換。如CAN總線和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換;當(dāng)網(wǎng)關(guān)從CAN總線接收到數(shù)據(jù)時(shí),按CAN總線協(xié)議解析數(shù)據(jù)并按照以太網(wǎng)的協(xié)議格式組幀,然后從網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)出;而當(dāng)網(wǎng)關(guān)從以太網(wǎng)上接收到數(shù)據(jù)后,按以太網(wǎng)協(xié)議格式解析數(shù)據(jù)包并按CAN協(xié)議格式組幀,然后向CAN總線上發(fā)出。

1.2.2嵌入式軟件的開發(fā)環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)不同于單機(jī)PC開發(fā),需要建立交叉編譯環(huán)境,即目標(biāo)機(jī)/宿主機(jī)的模式[4?6]。軟件開發(fā)的PC機(jī)稱為宿主機(jī),用戶自己的開發(fā)板稱為目標(biāo)機(jī)。宿主機(jī)上要有一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境來輔助軟件開發(fā)。這個(gè)集成開發(fā)環(huán)境運(yùn)行在Windows 98/NT或Linux上,包括交叉編譯器(Cross Compiler)和交叉調(diào)試器(CrossDe?bugger)。所謂交叉編譯就是在宿主機(jī)上編譯生成可以在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的映像文件。

開發(fā)平臺如圖4所示。宿主機(jī)上RedHat9.0,目標(biāo)機(jī)上ARM?Linux。宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的通信方式有串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信。串口通信是通過交叉串口線連接的;網(wǎng)絡(luò)通信通過交叉網(wǎng)線或者以太網(wǎng)進(jìn)行。

圖4 嵌入式軟件的開發(fā)平臺

由于目標(biāo)機(jī)上的資源有限,無法在目標(biāo)機(jī)上安裝相應(yīng)的編譯工具和調(diào)試工具,所以要在宿主機(jī)上安裝開發(fā)工具arm?linux?gcc?2.95.3.bz2。它用來生成目標(biāo)機(jī)支持的映像文件。在宿主機(jī)上運(yùn)行tar?jxvf arm?linux?gcc?2.95.3.bz2即可。建立起開發(fā)環(huán)境后就可以進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)了。嵌入式軟件的開發(fā)流程如圖5所示。

1.3嵌入式網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)

嵌入式網(wǎng)關(guān)連接的現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)是通信協(xié)議和結(jié)構(gòu)完全不同的網(wǎng)絡(luò)。它完成的工作實(shí)際上是對數(shù)據(jù)的封裝使得數(shù)據(jù)能被現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)所接收,起到協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。協(xié)議轉(zhuǎn)換則采用分層轉(zhuǎn)換的方法,自底向上逐層進(jìn)行。嵌入式網(wǎng)關(guān)包含CAN總線等接口的

虛擬設(shè)備,在企業(yè)信息管理系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)中都表現(xiàn)為普通設(shè)備,從而既和上層應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,又和總線上的其他設(shè)備進(jìn)行通信,獲得所需要的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)信息在嵌入式網(wǎng)關(guān)中的虛擬設(shè)備之間進(jìn)行交互。交互方式可以通過消息隊(duì)列或共享內(nèi)存等機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

圖5 嵌入式軟件的開發(fā)流程

2 協(xié)議轉(zhuǎn)換的測試

2.1測試對象

通過對嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì),繪制原理圖和PCB,元器件焊接,硬件調(diào)試,最終的嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)物如圖6所示。該嵌入式網(wǎng)關(guān)向上提供10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口,向下提供3個(gè)RS 232串行口(1個(gè)作為調(diào)試串口),1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS 485接口,1個(gè)CAN總線接口。

圖6 嵌入式網(wǎng)關(guān)的實(shí)物圖

2.2測試環(huán)境

嵌入式網(wǎng)關(guān)的測試環(huán)境是:PC機(jī)作為測試終端。嵌入式網(wǎng)關(guān)和測試終端處于局域網(wǎng)內(nèi)部,其IP地址為10.1.34.100,測試終端的IP為10.1.34.200。RS 232接口,和獨(dú)立PC的COM1口用交叉串口線相連。至于RS 485接口,則通過RS 232?RS 485轉(zhuǎn)換器將獨(dú)立PC的COM2口轉(zhuǎn)換為RS 485接口。CAN總線則可以利用MCP2510的回環(huán)模式實(shí)現(xiàn)自發(fā)自收。測試終端使用操作系統(tǒng)Windows 2000。打開超級終端,選擇COM1,然后設(shè)置波特率115 200,數(shù)據(jù)位為7,奇偶校驗(yàn)無,停止位為1,數(shù)據(jù)流控制無,如圖7所示。開發(fā)板上電,出現(xiàn)嵌入式Linux啟動信息。到此,開發(fā)板上的嵌入式Linux操作已經(jīng)運(yùn)行。

圖7 設(shè)置串口參數(shù)

2.3測試結(jié)果

在超級終端中輸入cd /mnt/yaffs/system_show,進(jìn)入/mnt/yaffs/system_show目錄,依次運(yùn)行程序se,mod,s,can。以PC機(jī)為客戶端,進(jìn)行RS 232,RS 485,CAN的數(shù)據(jù)請求,并接收返回的數(shù)據(jù)??蛻舳诉\(yùn)行./cl 10.1.34.100 8888,然后輸入發(fā)送的數(shù)據(jù),其中第一個(gè)數(shù)據(jù)位上的數(shù)據(jù)為2表示RS 232設(shè)備,為3表示RS 485設(shè)備,為4表示CAN設(shè)備。

(1)和RS 232設(shè)備數(shù)據(jù)交互。從客戶端發(fā)送:2 abcefg;在RS 232端接收到abcefg,然后從該端返回?cái)?shù)據(jù)1234567890;在客戶端接收到1234567890。

(2)和RS 485設(shè)備數(shù)據(jù)交互。從客戶端發(fā)送:3 ab?cefg;在RS 485端接收到abcefg,然后從該端返回?cái)?shù)據(jù)1234567890;在客戶端接收到1234567890。

(3)和CAN設(shè)備數(shù)據(jù)交互。從客戶端發(fā)送:4 abce?fg;在CAN端接收到abcefg,然后從該端返回?cái)?shù)據(jù)abce?fg;在客戶端接收到abcefg。

3 結(jié)論

測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說明:嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了RS 232接口,RS 485接口,CAN總線接口和網(wǎng)絡(luò)接口的雙向數(shù)據(jù)傳輸。它在接收到來自于以太網(wǎng)的請求信息后,對其解包提取原始信息,并以RS 232,RS 485,CAN總線可以接收的格式發(fā)出;在接收到來自于RS 232,RS 485,CAN總線發(fā)回的信息后,提取信息并以以太網(wǎng)幀格式組幀發(fā)送到以太網(wǎng)返回給客戶端。

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董?。?981—),湖北巴東人,碩士研究生,助教。研究方向?yàn)榉g理論與實(shí)踐、文藝評論。

Research on embedded system based conversion technology between fieldbus and TCP/IP protocol

AN Ni,DONG Jun
(Hebei Finance University,Baoding 071051,China)

Abstract:The interconnection of enterprise control network and information network is researched to transmit the data be?tween control network and information network. The fieldbus protocol is adopted by enterprise control network which is based on fieldbus,and the TCP/IP protocol is adopted by information network which is based on industrial Ethernet,so the integration of the two networks is turned to the conversion between fieldbus protocol and TCP/IP protocol. Considering the diversity of the field?bus,the RS 232,RS 485 and CAN bus protocols widely used in fieldbus are studied emphatically. The embedded system with a 32?bit microprocessor AT91RM9200 has the characteristics of high speed processing,small size and steady performance,and is the preferred selection to the hardware platform of the embedded gateway. The network layer model of protocol conversion was established,the hardware and the software platforms were designed to realize the conversion between fieldbus protocol and TCP/ IP protocol. The running condition of the protocol conversion was tested to implement the two?way data transmission between fieldbus(RS 232,RS 485,CAN bus)protocol and TCP/IP protocol. The system can be applied in the fields of industrial pro?duction,home gateway and remote control.

Keywords:fieldbus;TCP/IP protocol;AT91RM9200;protocol conversion

作者簡介:安妮(1984—),女,河北保定人,碩士,講師。主要從事信息技術(shù)專業(yè)研究。

收稿日期:2015?06?04

doi:10.16652/j.issn.1004?373x.2016.01.005

中圖分類號:TN915.04?34;TP393.09

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004?373X(2016)01?0016?04

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