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【摘要】為了將遵循不同協議的設備接入工業以太網，通過基于嵌入式系統的協議轉換器將不同格式的信號轉化成所需信號，使設備和工業以太網之間能進行快速、透明的通信。通過加入協議轉化器，簡化了系統的硬件復雜度，提高了系統的集成度，取得了經濟效益。

【關鍵詞】工業以太網；嵌入式系統；協議轉換

在大型工業控制系統，軍事和航天系統，智能家居管理系統等較為復雜的系統中，許多情況下系統中存在著大量遵循不同協議的設備，例如遵循RS232、RS485、UDP、TCP/IP等協議的設備共同存在于系統中。多種協議并存時，要求系統能識別不同的協議信息，通過控制和處理不同格式的信息實現系統正常工作，這樣就加大了系統軟件和硬件上的復雜度，減緩了系統的響應速度。而近幾年隨著以太網的不斷發展，工業以太網技術日趨成熟。通過以太網，可以用一條單一網線取代眾多的連接線，系統中的獨立設備和獨立小系統都可以通過這條網線聯網。并且系統中一旦建立了以太網連接，在以太網能實現高速數據傳輸的基礎上，數據的傳輸，設備的控制和功能測試就成為一件非常簡單的事情。用戶可以通過終端計算機上的可視化窗口，通過以太網快速簡單的控制整個系統，用戶還能夠完全訪問計量數據、診斷值，配置參數和查看故障信息等，通過互聯網，還可以實現遠程數據共享。它在實際現場工程中還具有的優勢就是傳輸距離遠，抗干擾能力強，能節省大量的勞動力和材料成本等。

以太網獲取遵循不同協議的信息時，必須把其他格式的信息轉化成以太網能識別的協議格式提供給終端計算機，同時系統還需要把以太網信息轉換成各種設備所能識別的信息格式。為簡化系統連接，實現系統中各部分的獨立性，我們可以通過設計協議轉換模塊完成此項工作，即利用協議轉換模塊將系統中不同設備或是小系統獲取的信息快速轉換為所要求的信號形式，即遵循相應的協議、格式，通過工業以太網傳送給遠程計算機，同時，遠程計算機的控制信息也可以轉化成相應格式的信息傳送給設備。市場上現有的協議轉換模塊很少，而且大部分基于單片機系統，處理能力有限，速度慢。在唐山華強鋼鐵公司軋鋼車間的設備改造中，我們通過基于嵌入式處理器S3C4510B的協議轉換模塊將現場的3路RS485信號，1路RS232信號，1路IIC信號，9路I/O信號轉換成以太網信號傳送給計算機，同時，將計算機傳來的以太網信息轉化成現場設備所需的信號，控制現場設備。這樣就在終端計算機和現場設備之間建立起了直接的、透明的、簡單的聯系。

考慮到轉換速度，信息流量、設計難度等因素，我們采用了嵌入式系統來實現協議轉換模塊。主處理器選用三星公司的S3C4510B，S3C4510B是一款優秀的網絡控制器，內含一個由ARM公司設計16/32位ARM7TDMI?RISC處理器核，主頻可達50MHz。ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最適合用于對價格及功耗敏感的應用場合。S3C4510B內嵌一個以太網控制器，可在半雙工或全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網接入。他的外圍功能模塊還包括：2個UART通道，2個GDMA通道，18個可編程I/O口，IIC接口，片內帶有SDRAM控制器和Flash控制器。特別適用于嵌入式以太網應用的集成系統。

系統中的電源電路、晶體振蕩器電路、復位電路和JTAG接口電路組成了S3C4510B的基本系統，保證微處理器可靠的工作。在系統的電源電路中，S3C4510B及部分外圍器件需3.3V電源，另外一部分器件需要5V電源，為簡化系統電源電路的設計，整個系統的輸入電壓為5V直流穩壓電源。選用LinearTechnology公司生產的LT1085CT－3.3型DC－DC變換器，得到3.3V輸出電壓。在系統中使用了有源晶體振蕩器，根據S3C4510B的最高工作頻率及PLL電路的工作方式，選擇10MHz的有源晶體振蕩器，其頻率經過S3C4510B內部PLL電路倍頻后，達到50MHz。選用IMP公司生產的IMP708TCSA型復位電路，它具有1個手動復位輸入引腳和2個復位輸出引腳（高電平有效引腳和低電平有效引腳各1個），能實現電路的有效復位。采用14針的JTAG接口用于芯片內部測試及對系統進行仿真、調試。

作為程序存儲器的Flash芯片中要保存Bootloader程序，Linux內核，文件系統，協議轉換應用程序和一定數量的記錄信息，結合成本因素和升級考慮，采用16MB的Flash存儲芯片（K9F2816UOC，16MB，16位，Samsung公司）。數據存儲器采用2片8M、16位的SDRAM芯片（HY57V641620）并聯成32位SDRAM芯片，用以提高系統處理速度。同時較大容量的數據存儲器能存儲更多的臨時數據，加速程序的運行。

外部的RS232信號經過Max232連接到S3C4510B的一個UART接口，另一個UART接口通過成都思普科技的UART多串口擴展芯片SP2327DP可擴展為三個UART串口，然后通過RS485芯片與3路RS485信號連接。因為S3C4510B內嵌一個以太網控制器，所以在該設計中，使用DP9161作為以太網的物理層接口。DM9161是一款低功耗、高性能的CMOS芯片，支持10M和100M的以太網傳輸，它主要起編碼、譯碼輸入和輸出數據的作用。外部的IIC信號和I/O信號通過光電隔離器件接入處理器芯片。

操作系統采用嵌入式uClinux操作系統，uClinux從Linux2.0/2.4內核派生而來，是專門針對沒有MMU的CPU的一個高度優化的，代碼緊湊的嵌入式Linux，保留了Linux的大多數的優點：穩定、良好的移植性、優良的網絡功能、標準豐富的API等。Bootloader由Mizi公司的VIVI編譯生成，采用JEFFS2文件系統。

在uClinux操作系統中，通過vfork()函數創建多個進程，主要為TCP/IP格式數據與其他格式數據轉換進程，網絡數據讀寫進程，UART0和UART1讀寫進程，IIC數據讀寫進程，I/O數據讀寫進程等。數據轉換進程把不同讀寫進程的數據讀入，通過自動識別，按要求轉換成相應格式的數據，在通過相應的讀寫進程將數據傳輸出去。

在對各種協議格式深入了解的基礎上，數據格式轉換進程的編寫相對簡單，但代碼比較長。除網絡驅動編寫較為復雜外，其余各個接口的驅動編寫也很簡單，而且網絡上由很多參考范例。網絡應用是處理器S3C4510B的一大亮點，也是嵌入式系統未來的應用方向之一。在嵌入式uClinux操作系統中，提供了Socket（套接字）的API調用，所以實現網絡協議——TCP/IP在uClinux下變得較為簡單。我們在IP層，實現了Internet協議代碼，通過這些代碼給傳輸的數據加上一個IP頭，并且把傳入的IP包送給TCP協議。在IP層以下是網絡設備來支持所有的Linux網絡工作，不需要我們參與。我們選用流式socket實現TCP服務，socket是一種文件描述符，具有一個類似文件的函數調用socket（）。該函數返回一個整型的socket描述符，隨后的連接建立、數據傳輸等操作都是通過該socket函數實現的。uCLinux中socket編程中用到的函數有：（1）socket函數：指定期望的通信協議類型；（2）connect函數：TCP客戶用connect函數來建立一個與TCP服務器的連接；（3）bind函數：函數bind給套接口分配一個本地協議地址；（4）listen函數：偵聽套接字，偵聽客戶機連接請求；（5）accept函數：完成實際的連接，如果連接成功，返回一個新套接字的描述符。（6）close函數：釋放和套接字相關的系統資源；

一旦協議轉換器套接字和遠程計算機套接字建立連接，雙方就可以通過send()和recv()函數的調用來發送和接收數據了。并且我們采用的流式套接字提供了一種可靠的面向連接的數據傳輸方法。產品調試成功應用于現場后，簡化了設備的安裝，通過一定的屏蔽措施，系統運行一直非常穩定，連續8個月來未出現通信故障，而且也方便了系統的調試與維護。由于整個生產線數據量不是很大，系統地響應時間很短，完全滿足了系統地運行要求。軋鋼車間通過在整個系統中加入協議轉換器，優化了整個系統地運行，取得了一定的經濟效益。

參考文獻

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