基于SEP3203的嵌入式以太網口的設計

摘要　在自動化控制及其他民用設備、工業(yè)控制如電力設備系統(tǒng)等領域，眾多設備的對外通訊接口仍然是低速串口。但低速串口有其固有的缺點：無法集中、全面、準確而實時地監(jiān)控數(shù)據(jù)。本文介紹基于微處理器SEP3203串口以太網轉換器的以太網接口的軟硬件設計方法，它可以變傳統(tǒng)的串口通訊為網絡通訊，實現(xiàn)串口設備的快速聯(lián)網。

關鍵詞　串口；以太網口；SEP3203；Nucleus

1引言

在自動化控制及其他民用設備、工業(yè)控制如電力設備系統(tǒng)等領域，眾多設備的對外通訊接口仍然是低速串口。因此現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點是：無法集中、全面、準確而實時地監(jiān)控數(shù)據(jù)。隨著以太網在工業(yè)、商業(yè)領域的大規(guī)模使用以及網絡自動化強勁勢頭的到來，用戶與供應商迫切需要在任何時間和任何地點都可以實時訪問數(shù)據(jù)和進行控制，做到遠程快速故障分析與處理、設備的遠程維護，以便提高質量，提高工作效率并降低整體成本。完全換掉這些串口通訊的設備是既不經濟也不可行的。針對一些實際需求，采用串口以太網轉換器就是解決這些問題的解決方案。本課題串口以太網轉換器正是在這一要求下設計出來的產品, 本文就是本課題下的子課題部分。

2 基于ARM7TDMI的SEP3203微處理器簡介

ARM7TDMI處理器是ARM7處理器系列成員之一，是目前應用較廣的32位高性能嵌入式RISC處理器，SEP3203[1]是東南大學國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術研究中心基于ARM7TDMI處理器內核設計的16/32位RISC微處理器芯片。它面向低成本手持設備和其它通用嵌入式設備，為用戶提供了豐富的外設、低功耗管理和低成本的外存配置。

３串口以太網轉換器中與以太網接口相關的電路結構

為了實現(xiàn)該轉換模塊的研究，首先要選擇一個硬件平臺即嵌入式處理器。由于ARM是

基于精簡指令系統(tǒng)（RISC）的32位內核，代碼效率高，運行速度快，綜合性能強，在基于ARM體系結構的嵌入式CPU中，基于ARM7TDMI體系結構的SEP3203嵌入式微處理器擁有較好的技術支持，因此本轉換器選擇SEP3203作為硬件平臺；轉換系統(tǒng)必須要有電源，供整個系統(tǒng)用；系統(tǒng)工作時需要有工作時鐘，因此本系統(tǒng)需要有時鐘電路；由于用戶需要的轉換器要有串口、USB和以太網口下載等功能，由于本文只針對以太網口，其它兩個接口本文不作介紹。以太網口與嵌入式芯片之間要有一個網絡模塊，現(xiàn)把與以太網口相關電路結構的部分設計顯示如圖1所示。

4　網絡接口電路的硬件設計

SEP3203芯片內部沒有集成網絡模塊，但SEP3203芯片設計的接口豐富，可以方便地擴展?？紤]使用中可能對網速的要求比較高，因此本系統(tǒng)選用了10M的以太網接口。本系統(tǒng)的網絡接口采用REALTEK公司的RTL8019芯片。RTL8019AS 是一種高度集成的以太網芯片，能簡單的實現(xiàn)Plug and Play 并兼容NE2000。由于它擁有三種等級的掉電模式，所以它是綠色電腦的網絡設備的理想選擇。在全雙工模式下，如果是連接到一個同樣是全雙工的交換機或集線器，就可實現(xiàn)同時接收和發(fā)送[2]。

RTL8019AS支持16KByte、32KByte、64KByte的BROM，另外還支持FLASH MENORY和頁訪問方式，最大支持4MByte（16K×256），此外還支持在運行完BROM 后釋放內存以供系統(tǒng)其他程序的運行。網絡接口模塊的系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。

5　軟件平臺Nucleus

綜合考慮各個因素，我們選擇了嵌入式實時操作系統(tǒng)Nucleus。Nucleus PLUS是美國著名RTOS廠商(ATI)(Accelerated  Technology Inc)公司為實時嵌入式應用而設計的一個搶先式多任務操作系統(tǒng)內核，其95％的代碼是用ANSI C寫成的，非常便于移植并支持大多數(shù)類型的處理器。Nucleus PLUS是一組C函數(shù)庫，下載到目標板的RAM中或直接燒錄到到目標板的ROM中執(zhí)行。在典型的目標環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼一般不超過20K字節(jié)大小，內核規(guī)模非常小。Nucleus PLUS除提供功能強大的內核操作系統(tǒng)外，還提供種類豐富的功能模塊。例如用于通訊系統(tǒng)的局域和廣域網絡模塊，支持圖形應用的實時化Windows模塊，支持nternet網的WEB產品模塊，工控機實時BIOS模塊，圖形化用戶接口，以及應用軟件性能分析模塊等，用戶可以根據(jù)自己的應用來選擇不同的應用模塊。

6  網絡接口通信的設計

網絡接口的硬件將網絡上傳送來的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)內存中，并通知操作系統(tǒng)有網絡數(shù)據(jù)到達。通常，網絡接口使用中斷機制來完成這一任務，一個中斷時處理器將正常的處理掛起，跳轉到設備驅動程序的代碼段執(zhí)行。此時，由設備驅動程序管理所有細節(jié)。設備驅動軟件通知協(xié)議棧已經有一個分組到達，并要求進行相應的處理。當設備驅動軟件完成這些繁瑣的處理工作后，他將從中斷返回，處理器繼續(xù)從中斷發(fā)生處往下執(zhí)行。在本協(xié)議棧中，設備驅動程序對上層應用屏蔽了接收和發(fā)送的細節(jié)。用戶只需要調用相應的套接字即可以完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。比如用戶要使用非阻塞方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，可以使用Select()，在Select 的timeout 參數(shù)選擇NO_PREEMPT，即可以非阻塞方式接收發(fā)送。在本TCP/IP 實現(xiàn)中，協(xié)議棧初始化是依靠調用NETI_Init（）完成的。NETI_Init()完成兩個工作，首先是對網絡協(xié)議棧的初始化[5]， 然后就對系統(tǒng)所使用的網絡設備進行初始化。

網絡接口通信模塊的流程圖如圖4[1]所示。

流程說明：①程序由Main()函數(shù)開始，調用taskmain()。②taskmain()調用sys_ini()對系統(tǒng)初始化，調hardware_ini()對硬件初始化；調用vcre_tsk()創(chuàng)建了6個任務,調用stak_tske()將部分任務放入就緒隊列，調用sys_sta()啟動系統(tǒng)。③通過系統(tǒng)調度開啟任