（電路與系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)論文）基于arm的數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

中文摘要 摘要：隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及家居環(huán)境的數(shù)字化，家用設(shè)施越來(lái) 越信息化、網(wǎng)絡(luò)化，并提出了信息交互的要求，同時(shí)對(duì)家用設(shè)施進(jìn)行組網(wǎng)和統(tǒng)一 管理提上日程。當(dāng)代主流解決方案是通過(guò)嵌入式家園網(wǎng)關(guān)把家用設(shè)施聯(lián)合成為一 個(gè)局域網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了家用設(shè)施的管理。同時(shí)網(wǎng)關(guān)可以完成局域網(wǎng)內(nèi)和 到i n t e m e t 的通信轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 本文對(duì)嵌入式家園網(wǎng)關(guān)的軟件及部分硬件進(jìn)行了深入的研究和探討。設(shè)計(jì)出 了一個(gè)基本的家園網(wǎng)關(guān)。本文的主要工作在于以下幾個(gè)方面： ( 1 ) 利用$ 3 c 2 4 1 0 開(kāi)發(fā)板，依托l(wèi) i n u x 操作系統(tǒng)，通過(guò)使用m c p 2 5 1 5c a n 總 線控制器，組成一個(gè)基本的家園網(wǎng)關(guān)。 ( 2 ) 完成了在l i n u x 下對(duì)m c p 2 5 1 5c a n 總線控制器的驅(qū)動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)通信程序、 節(jié)點(diǎn)管理程序及協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的編寫(xiě)，這些程序組成了整個(gè)系統(tǒng)的三個(gè)層 次，包括網(wǎng)絡(luò)層，協(xié)議轉(zhuǎn)換管理層及驅(qū)動(dòng)層。通過(guò)這些分層的協(xié)同工作， 實(shí)現(xiàn)了家園網(wǎng)關(guān)中關(guān)于t c p i p 協(xié)議和c a n 總線協(xié)議的互相轉(zhuǎn)換。 ( 3 ) 在c a n 總線協(xié)議的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地提出了應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計(jì)方案，這個(gè) 協(xié)議使得家園網(wǎng)關(guān)在c a n 總線上具備管理能力及可靠的批量數(shù)據(jù)傳輸能 力。 系統(tǒng)測(cè)試證明本方案是可行的，本文的數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)具有體積小，可靠性 高，其c a n 總線具有安裝方便的優(yōu)勢(shì)，整個(gè)系統(tǒng)并有廣闊的發(fā)展空間。 本論文共有圖2 9 幅，表1 個(gè)，參考文獻(xiàn)1 8 篇。 關(guān)鍵詞：a r m ；c a n ；數(shù)字化家園；家庭網(wǎng)關(guān) 分類(lèi)號(hào)：t p 3 6 8 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n ds o c i e t yi l l sw e l la st h e d i g i t a lo ft h eh o m ee n v i r o n m e n t ，h o u s e h o l df a c i l i t i e sw i t hi n f o r m a t i o na n dn e t w o r k c a p a b i l i t i e sa r eb e i n ga s k e dt op e r f o r mi n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，a tt h es a m et i m e ，i t s h o u l dm a k et h en e t w o r ka n dt h eu n i f i e dm a n a g e m e n tf o rh o u s e h o l df a c i l i t i e so nt h e a g e n d a c u r r e n ts o l u t i o ni sc o m b i n ea l lt h eh o u s e h o l df a c i l i t i e si n t oal o c a la r e an e t w o r k 、i mt h ee m b e d d e dh o m eg a t e w a y , a n da c h i e v e st h em a n a g e m e n to fh o m ef a c i l i t i e so n t h i sb a s i s a st h es a m et i m e ，t h eg a t e w a yc a np e r f o r mt h ec o n v e r s i o no fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nl a na n dt h ei n t e r n e t ，a c h i e v er e m o t ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , i tc a r r i e so u ta l li n d e p t hs t u d ya n dd i s c u s s i o no nt h es o f t w a r ea n d s o m eh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e dh o m eg a t e w a y t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) ab a s i ch o m eg a t e w a yi ss e t u p e db a s e do nt h el i n u xo p e r a t i o ns y s t e mb y u s i n gt h em c p 2 5 15c a nc o n t r o l l e ra n d $ 3 c 2 410d e v e l o p m e n tb o a r d ( 2 ) t h ed r i v e ro fm c p 2 515c a nb u sc o n t r o l l e r , t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ，t h en o d em a n a g e m e n tp r o c e s sa n dp r o t o c o lc o n v e r s i o np r o c e s sa r e p r o g r a m m e du n d e rt h el i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ；t h e s ep r o g r a m sf o r m t h et h r e el a y e r so ft h ee n t i r es y s t e m ，i n c l u d i n gt h en e t w o r kl a y e r , t h ep r o t o c o l c o n v e r s i o nl a y e ra n dt h ed r i v e rl a y e nt h r o u g ht h e s el a y e r sw o r kt o g e t h e rt o a c h i e v eac o n v e r s i o nb e t w e e nt c p i pp r o t o c o la n dc a n p r o t o c o lo nah o m e g a t e w a y ( 3 ) b a s eo nt h ec a nb u sp r o t o c o l ，a ni n n o v a t i v ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li s p r e l i m i n a r ym a d e ；t h i sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lg i v e st h ec a p a b i l i t i e so f m a n a g e m e n ta n dr e l i a b l eb a t c hd a t at r a n s m i s i o nt ot h eh o m eg a t e w a yo nt h e c a nb u s t e s tp r o v e st h ep r o g r a mi sf e a s i b l e i nt h i sp a p e r , t h ed i g i t a lh o m eg a t e w a yh a st h e a d v a n t a g eo fs m a l ls i z ea n dh i g hr e l i a b i l i t y , t h ec a nb u sh a st h ea d v a n t a g eo fe a s y i n s t a l l a t i o n ，t h ee n t i r es y s t e ma n dh a sav a s ts p a c ef o rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：a r m ；c a n ；d i g i t a lh o m e ；h o m eg a t e w a y c i 。a s s n 0 ：t p 3 6 8 2 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特，i t j j n 以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū) 而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作 了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：墚互+ 簽字日期： 年月日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索， 提供閱覽服務(wù)，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。 同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 學(xué)位論文作者簽名：垛芴a 導(dǎo)師簽名： 簽字日期：年月 日 簽字日期：年 月日 致謝 本論文的工作是在我的導(dǎo)師陳后金教授的悉心指導(dǎo)下完成的，本課題在選題 及研究過(guò)程中得到陳后金教授的悉心指導(dǎo)。陳老師多次詢問(wèn)研究進(jìn)程，并為我指 點(diǎn)迷津，幫助我開(kāi)拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。陳老師一絲不茍的作風(fēng)， 嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時(shí)兩載， 卻給以終生受益無(wú)窮之道。在此衷心感謝兩年來(lái)陳后金老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)。 在此我還要感謝侯建軍老師、劉穎老師，杜普選老師，他們的教學(xué)使我在科 研：l 作上得到了莫大的幫助，他們點(diǎn)點(diǎn)滴滴的教誨，成為了我終身寶貴的財(cái)富。 在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫(xiě)論文期間，何克之、李文勇、劉曉彤、王賢辰、張晉芳、 唐宇希、李雅靜及趙琛等同學(xué)對(duì)我論文中的研究工作給予了熱情幫助，在此向他 們表達(dá)我的感激之情。 另外也感謝我的父母，他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專(zhuān)心完成我的學(xué)業(yè)。 1 引言 1 1數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)的介紹及發(fā)展 家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)指的是融合家庭控制網(wǎng)絡(luò)和多媒體信息網(wǎng)絡(luò)于一體的家庭信息 化平臺(tái)，是在家庭范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)信息設(shè)備、通信設(shè)備、娛樂(lè)設(shè)備、家用電器、自 動(dòng)化設(shè)備、照明設(shè)備、保安( 監(jiān)控) 裝置及水電氣熱表設(shè)備、家庭求助報(bào)警等設(shè)備互 聯(lián)和管理，以及數(shù)據(jù)和多媒體信息共享的系統(tǒng)。家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成了智能化家庭 設(shè)備系統(tǒng)，提高了家庭生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)的品質(zhì)，是數(shù)字化家庭的發(fā)展方 向。 從功能上講，家庭網(wǎng)絡(luò)的核心是服務(wù)。我們構(gòu)筑家庭網(wǎng)絡(luò)的總目標(biāo)是為我們 的生活帶來(lái)方便，是要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取有用的信息。因此如何獲取服務(wù)、獲取什么 服務(wù)是家庭網(wǎng)絡(luò)功能的核心。 從構(gòu)架上看，家庭網(wǎng)絡(luò)的核心是家庭網(wǎng)關(guān)。它在家庭內(nèi)部以及內(nèi)部到外部實(shí) 現(xiàn)橋接路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換、地址管理和轉(zhuǎn)換、承擔(dān)防火墻的職責(zé)，并提供可能的業(yè) 務(wù)。 從整體出發(fā)去構(gòu)筑合理的家庭網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是家庭信息化的關(guān)鍵。 目前，涉及家庭網(wǎng)絡(luò)包含了信息家電、數(shù)字家庭和智能家居等相關(guān)產(chǎn)業(yè)。國(guó) 內(nèi)外大公司包括i n t e l ，海爾等己經(jīng)推出相關(guān)產(chǎn)品，它的市場(chǎng)前景相當(dāng)廣闊。 在信息家電領(lǐng)域，家庭的網(wǎng)絡(luò)化、信息化是一個(gè)極為重要的課題。海信集團(tuán) 于2 0 0 0 年提出并完成了國(guó)家8 6 3 項(xiàng)目：數(shù)字化家庭信息系統(tǒng)，以國(guó)產(chǎn)的嵌入式操作 系統(tǒng)和獨(dú)立開(kāi)發(fā)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為技術(shù)背景，成功地使家庭內(nèi)的家用電器和設(shè)備 都能夠上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了家電信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化。在該系統(tǒng)中，“家庭網(wǎng)關(guān) 是 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒概念的擴(kuò)展，是家庭的信息中心和內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)交互的接口，它不僅 完成家庭上網(wǎng)、e m a i l 收發(fā)等功能，還為家庭內(nèi)部與外界信息的交互、家用設(shè)施 的遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能提供了統(tǒng)一的通道，是系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。 1 2家庭網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)方案 第一種方案將家用設(shè)施直接接入i n t e m e t ，使得家用設(shè)施直接面向開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)。 這個(gè)方案要求每個(gè)家用設(shè)施都具有以太網(wǎng)接口，并且其嵌入式系統(tǒng)支持t c p i p 協(xié) 議棧，這樣使得家用設(shè)備與p c 處于等同地位，這樣的方案非常易于管理，可以很 便捷地訪問(wèn)家用設(shè)備，控制具有相當(dāng)?shù)撵`活性。 但是這種方案的主要缺點(diǎn)是成本過(guò)高，在家用設(shè)施上實(shí)現(xiàn)t c p i p ，并且還需 要重新組網(wǎng)，無(wú)論在人力或物力上的投資都是相當(dāng)大的。 第二種方案是使用p c 機(jī)作為網(wǎng)關(guān)，其他家用設(shè)施通過(guò)串口，或u s b 等通信 方式與p c 機(jī)相連。網(wǎng)絡(luò)的信息由p c 處理后，再發(fā)往相應(yīng)的家用設(shè)施。這個(gè)方案 的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，成本也能控制，對(duì)于家用設(shè)備的要求不高，拓展性好。 但是這個(gè)方案的明顯缺點(diǎn)就是p c 機(jī)的噪音污染，對(duì)環(huán)境的要求較高及其功耗 極大，無(wú)法全天候運(yùn)行，其操作系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，可靠性不高，而且使用p c 作為網(wǎng) 關(guān)是一種資源上的浪費(fèi)。 第三種方案就是使用嵌入式作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，嵌入式發(fā)展到當(dāng)今，基本可以勝 任p c 機(jī)的大多數(shù)上作，并且沒(méi)有上文提到的p c 機(jī)的各種劣勢(shì)。 但這種方案的難點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)難度大，不過(guò)這點(diǎn)和使用者無(wú)關(guān)。所以這個(gè)方案 非常適合數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。 1 3網(wǎng)關(guān)的定義 通常相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)使用不同的編址、路由選擇和連接服務(wù)規(guī)則，采用不同 體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)差異就更大。要想使這些網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，就必須解決它們之間的差 異實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。這種功能通常由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)在兩個(gè)分離的網(wǎng)絡(luò)之間解釋并 翻譯協(xié)議規(guī)則。其結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示。 圖1 1 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖 f i g 1 1s t r u c t u r eo fg a t e w a y 網(wǎng)關(guān)的重要功能是完成網(wǎng)絡(luò)層以上的某種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)又稱(chēng)協(xié)議轉(zhuǎn) 換器，它將不同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。有以下三種方式支持不同種協(xié)議系統(tǒng)之間 的通信【1 1 。 ( 1 ) 遠(yuǎn)端業(yè)務(wù)協(xié)議封裝，外部業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用本地網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行封裝，當(dāng)數(shù) 據(jù)到達(dá)接收端用戶后，去掉本地網(wǎng)絡(luò)的封裝格式，將原有的數(shù)據(jù)內(nèi)容提交 2 給應(yīng)用系統(tǒng)。 ( 2 ) 本地業(yè)務(wù)協(xié)議封裝，地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)格式進(jìn)行封裝，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送 給接收端用戶后，去掉遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)的封裝格式，將原有的數(shù)據(jù)提交給應(yīng)用系 統(tǒng)。 ( 3 ) 協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過(guò)中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備改變數(shù)據(jù)的封裝格式，保證不同協(xié)議格式的 系統(tǒng)之間可以進(jìn)行通信。 1 4 數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)的要求 一個(gè)家園網(wǎng)關(guān)使得家居設(shè)備可以與i n t e r n e t 上的節(jié)點(diǎn)互相訪問(wèn)。作為家園網(wǎng)關(guān) 的設(shè)備必須具有如下的一些功能l l j ： ( 1 ) 防火墻：因?yàn)榍度胧皆O(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，在接入以太網(wǎng)絡(luò)后，嵌入式設(shè)備本身 無(wú)法保證自己的網(wǎng)絡(luò)安全性。網(wǎng)關(guān)設(shè)備必須提供一系列恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)證加密技 術(shù)，采取一定的安全策略，保護(hù)防火墻后的嵌入式設(shè)備，以保護(hù)其不受到 來(lái)自i n t e r n e t 的攻擊。 ( 2 ) 協(xié)議轉(zhuǎn)換：嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)本身可能采用多種協(xié)議，多種硬件接e 1 ，為了 完成互聯(lián)，網(wǎng)關(guān)必須帶有各種嵌入式設(shè)備的硬件接口，同時(shí)在軟件層必須 能夠完成各種協(xié)議同t c p i p 協(xié)議的轉(zhuǎn)換。 ( 3 ) 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和管理：這個(gè)是一個(gè)可選的功能，針對(duì)特定的應(yīng)用需要定制 這一功能。需要查看的狀態(tài)包括，設(shè)備是否始終保持連接，設(shè)備是否工作 正常，是否有新設(shè)備加入或離開(kāi)，為設(shè)備提供必要的信息支持等等。 ( 4 ) 事務(wù)處理：如果有一特定的事件發(fā)生了，必須啟動(dòng)一定的程序處理這一事 件。向以太網(wǎng)一方發(fā)送信息，報(bào)告特定的事件發(fā)生了。 1 5 本文的工作 本文的目的是要分析家庭網(wǎng)絡(luò)的核心家庭網(wǎng)關(guān)，并提出自己的家庭網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)方案。 本文以嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)為背景，結(jié)合國(guó)內(nèi)外當(dāng)前的研究狀況， 設(shè)計(jì)了一個(gè)低功耗、小體積、高可靠性的數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)。 首先對(duì)嵌入式和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理、應(yīng)用范圍和領(lǐng)域等作了 全面介紹；然后對(duì)控制總線的發(fā)展，種類(lèi)，特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)做了大概的介紹，接著詳 細(xì)闡述了各個(gè)模塊的采用的方案。詳細(xì)說(shuō)明了如何搭建數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)軟 件平臺(tái)，包括網(wǎng)絡(luò)部分，驅(qū)動(dòng)部分，及其部分硬件設(shè)計(jì)原理。針對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的特 點(diǎn)，著重分析了c a n 總線協(xié)議在家庭網(wǎng)關(guān)中的實(shí)現(xiàn)，并創(chuàng)新性提出了基于c a n 總線協(xié)議和利用硬件特點(diǎn)的設(shè)備管理和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議；最后介紹了系統(tǒng)平臺(tái)的軟 件調(diào)試的結(jié)果。 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，除了為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)的信息家電的連接和控制提供 了功能強(qiáng)大的軟硬件基礎(chǔ)外，對(duì)今后研究和開(kāi)發(fā)速度快、性價(jià)比高、可靠性高、 更易擴(kuò)展的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)也有很高的參考價(jià)值。 4 2 數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)的構(gòu)成 對(duì)于數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)這樣復(fù)雜而且要求較高的系統(tǒng)，需要強(qiáng)大的處理能力的 支持，而且在功率，效率上也要符合家用網(wǎng)關(guān)的要求，并具有易于開(kāi)發(fā)，易于管 理，易于擴(kuò)展的特性。本文經(jīng)過(guò)慎重篩選，認(rèn)為網(wǎng)關(guān)應(yīng)由以下幾個(gè)部分組成，即 a r m 微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、以及現(xiàn)場(chǎng)總線。 2 1a r m 微處理器 2 1 1a r m 微處理器簡(jiǎn)介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字也可以認(rèn)為是 對(duì)一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英國(guó)劍橋，主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前， 采用a r m 技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)( i p ) 核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的a r m 微處理器， 已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類(lèi)產(chǎn)品 市場(chǎng)，基于a i 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了3 2 位s c 微處理器7 5 以上的 市場(chǎng)份額，a r m 技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。 ( 1 ) 無(wú)線通訊領(lǐng)域：日前己有超過(guò)8 5 的無(wú)線通訊設(shè)備采用了a r m 技術(shù)， a r m 以其高性能和低成本在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。 ( 2 ) 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用a r m 技術(shù)的a d s l 芯片，逐步獲 得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，a r m 在語(yǔ)音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支 持，也對(duì)d s p 的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。 ( 3 ) 消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品：a r m 技術(shù)在日前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒 和游戲機(jī)中得到廣泛采用。 ( 4 ) 成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用a r m 技 術(shù)。手機(jī)中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技術(shù)。 到目前為止a r m 微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域工業(yè)控制 領(lǐng)域，作為3 2 位的r i s c 架構(gòu)，基于a r m 核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微 控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。a r m 微控制器的低功耗、高性價(jià)比、向傳統(tǒng)的8 位1 6 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。 2 1 2 $ 3 c 2 4 1 0 微處理器 $ 3 c 2 4 1 0 微處理器是使用a r m 9 2 0 t 核、采用0 1 8 u m 工藝c m o s 標(biāo)準(zhǔn)宏單元 和存儲(chǔ)編譯器開(kāi)發(fā)的。它計(jì)劃用于低成本、低功耗和高性能手持設(shè)備和一般應(yīng)用 的單片微處理器解決方。 $ 3 c 2 4 1 0 通過(guò)提供全面的、通用的片上外設(shè)，使系統(tǒng)的全部成本降到最低， 并且不需要配置額外的部件。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2 1 所示。它的片上功能包括【2 】： 一 1 8 v a r m 9 2 0 t 內(nèi)核，3 3 v 存儲(chǔ)系統(tǒng)，帶有1 6 k b 指令和1 6 k b 數(shù)據(jù)c a c h e 及m m u 單元 - 外部存儲(chǔ)器控制( s d r a m 控制和芯片選擇邏輯) l c d 控制器( 支持4 k 顏色的s t n 或2 5 6 k 色t f t 的l c d ) ，帶1 個(gè)通道的 l c d 專(zhuān)用d m a 控制器 4 通道d m a ，具有外部請(qǐng)求引腳 _ 3 通道u a r t ( 支持i r d a l 0 ，1 6 字節(jié)發(fā)送f i f o 及1 6 字節(jié)接收f(shuō) i f o ) ，2 通道s p i 接口 _ 1 個(gè)通道多主i i c 總線控制器，l 通道i i s 總線控制器 _1 0 版本s d 主機(jī)接口及2 1 1 版本兼容的m m c 卡協(xié)議 2 個(gè)主機(jī)接口的u s b 口，1 個(gè)設(shè)備u s b 口( 1 1 版本) 4 通道p w m 定時(shí)器，1 通道內(nèi)部計(jì)時(shí)器 看門(mén)狗定時(shí)器 1 1 7 位通用目的i o 口，2 4 通道外部中斷源 _ 電源控制：正常、慢速、空閑及電源關(guān)閉模式 帶觸摸接口的8 通道1 0 位a d c _ 帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器 具有p l l 的片上時(shí)鐘發(fā)生器 6 n 8 a 毛， s 2 2嵌入式操作系統(tǒng) 圖2 1 $ 3 c 2 4 1 0 內(nèi)部結(jié)構(gòu) f i g 2 1 $ 3 c 2 410b l o c kd i a g r a m 7 錯(cuò)冒 錯(cuò)錯(cuò)镩錯(cuò)錯(cuò) 2 2 1 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展 嵌入式操作系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、 外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，它是集軟 硬件于一體的可獨(dú)立工作的“器件。 嵌入式技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了四個(gè)階段。 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統(tǒng)，同時(shí)具有與監(jiān)測(cè)、 伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于一些專(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)的工業(yè)控 制系統(tǒng)中，一般沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制， 運(yùn)行結(jié)束后清除內(nèi)存。 第二階段是以嵌入式c p u 為基礎(chǔ)、以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。這 一階段的操作系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性，但用戶界面不夠友好。 第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特 點(diǎn)是：嵌入式操作系統(tǒng)能運(yùn)行于各種不同類(lèi)型的微處理器上，兼容性好；操作系 統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴(kuò)展性；具備文件和目錄管理、 設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用 程序接口( a p i ) ，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序簡(jiǎn)單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。 第四階段是以基于i n t e m e t 為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展的階 段。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還孤立于i n t e m e t 之外，但隨著i n t e m e t 的發(fā)展以及 i n t e m e t 技術(shù)與信息家電、工業(yè)控制技術(shù)等結(jié)合日益密切，嵌入式設(shè)備與i n t e m e t 的結(jié)合將代表著嵌入式技術(shù)的真正未來(lái)。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)提出了更高的要求。因此，對(duì)嵌入式操 作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、用戶界面等諸多方面進(jìn)行深入研究，將有助于嵌入式系統(tǒng) 的應(yīng)用和發(fā)展。 2 2 2 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 是將日益流行的l i n u x 操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入 式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)，它被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理 ( p d a ) 、媒體播放器、消費(fèi)性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中。嵌入式l i n u x 既繼 承了i n t e m e t 上無(wú)限的開(kāi)放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。嵌入式 l i n u x 的特點(diǎn)是版權(quán)費(fèi)免費(fèi)；購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用媒介成本技術(shù)支持全世界的自由軟件開(kāi)發(fā)者 提供支持網(wǎng)絡(luò)特性免費(fèi)，而且性能優(yōu)異，軟件移植容易，代碼開(kāi)放，有許多應(yīng)用 軟件支持，應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短，新產(chǎn)品上市迅速，因?yàn)橛性S多公開(kāi)的代碼可以 參考和移植，實(shí)時(shí)性能穩(wěn)定性好安全性好。 其優(yōu)點(diǎn)有如下幾項(xiàng) 4 1 ： 首先，l i n u x 是開(kāi)放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多l(xiāng) i n u x 愛(ài)好 者又是l i n u x 開(kāi)發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持； 其次，l i n u x 的內(nèi)核小、效率高，內(nèi)核的更新速度很快，l i n u x 是可以定制的， 其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約1 3 4 k b 。 第三，l i n u x 是免費(fèi)的o s ，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。l i n u x 還有著嵌入式操作 系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是l i n u x 適應(yīng)于多種c p u 和多種硬件平臺(tái)，是 一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種c p u 。而且性能穩(wěn)定，裁 剪性很好，開(kāi)發(fā)和使用都很容易。很多c p u 包括家電業(yè)芯片，都開(kāi)始做l i n u x 的 平臺(tái)移植工作。移植的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)j a v a 的開(kāi)發(fā)環(huán)境。也就是說(shuō)，如果今天用l i n u x 環(huán)境開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，那么將來(lái)?yè)Qc p u 就不會(huì)遇到困擾。 第四，l i n u x 內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，l i n u x 對(duì)網(wǎng)絡(luò)中最常用的 t c p i p 協(xié)議有最完備的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太網(wǎng)絡(luò)，以及無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)，令牌環(huán)網(wǎng)、光纖甚至衛(wèi)星的支持。所以l i n u x 很適于做信息家電的開(kāi)發(fā)。 還有使用l i n u x 為的是來(lái)開(kāi)發(fā)無(wú)線連接產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)者越來(lái)越多。 第五，l i n u x 有很多工具，并且l i n u x 為眾多程序員所熟悉。因此，我們要在 嵌入式系統(tǒng)中使用l i n u x 操作系統(tǒng)。 第六，l i n u x 的大小適合嵌入式操作系統(tǒng)_ i ，i 肌x 固有的模塊性，適應(yīng)性和 可配置性，使得這很容易做到。 2 2 3 開(kāi)發(fā)嵌入式l i n u x 的幾個(gè)問(wèn)題 開(kāi)發(fā)嵌入式l i n u x 主要存在下面幾個(gè)問(wèn)題1 5 j ： ( 1 ) l i n u x 的移植。如果l i n u x 不支持選用的平臺(tái)，就需要把l i n u x 內(nèi)核中 與硬件平臺(tái)相關(guān)的部分改寫(xiě)，使之支持所選用的平臺(tái)。 ( 2 )內(nèi)核的裁剪。嵌入式產(chǎn)品的可用資源比較少，所以它的內(nèi)核相對(duì)嵌入 式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就顯得有點(diǎn)大，需要進(jìn)行剪裁到可利用的大小。 ( 3 )桌面系統(tǒng)?，F(xiàn)代的操作系統(tǒng)如果沒(méi)有一個(gè)友好的界面是沒(méi)有說(shuō)服力的。 現(xiàn)在的臺(tái)式機(jī)l i n u x 系統(tǒng)使用了傳統(tǒng)的xw i n d o w 系統(tǒng)的模式 c l i e n t s e r v e r 結(jié)構(gòu)。和硬件有關(guān)的部分即是s e r v e r 端，實(shí)現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 的顯示接口；應(yīng)用程序通過(guò)對(duì)s e r v e r 的服務(wù)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)程序的顯示。 在此之上，實(shí)現(xiàn)窗口的管理功能。但xw i n d o w 對(duì)于嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 顯得很龐大?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)有m i n i g u i ，國(guó)外有m i c r o w i n d o w ，都在致力 9 于嵌入式l i n u xg u i 的開(kāi)發(fā)。適用于嵌入式l i n u x 上的xw m d o w 的 工作也在進(jìn)行。 ( 4 )驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。l i n u x 內(nèi)核更新的很快，許多最新的硬件驅(qū)動(dòng)很快 就被支持。但嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是多種多樣的，所選用的硬件設(shè)備 也不同，并且不可能都有l(wèi) i n u x 的驅(qū)動(dòng)程序，因此，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的 開(kāi)發(fā)也是重要的工作。 ( 5 ) 應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。 ( 6 )中文的支持。 本文將在第四，第五個(gè)問(wèn)題上深入分析和討論。 2 3現(xiàn)場(chǎng)總線 2 3 1 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介 1 9 8 4 年，現(xiàn)場(chǎng)總線的概念得到正式提出。i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，國(guó)際電工委員會(huì)) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線( f i e l d b u s ) 的定義為：現(xiàn)場(chǎng)總線是一種 應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、 多結(jié)點(diǎn)的數(shù)字通信技術(shù)。主要用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓字、電力等方面 的自動(dòng)化系統(tǒng)中。 現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特征如下： ( 1 ) 全數(shù)字化通信； ( 2 ) 開(kāi)放型的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)； ( 3 ) 互可操作性與互用性； ( 4 ) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化； ( 5 ) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性； ( 6 ) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。 2 3 2 主流的現(xiàn)場(chǎng)總線 由于各個(gè)國(guó)家各個(gè)公司的利益之爭(zhēng)，雖然早在1 9 8 4 年國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)( i e c i s a ) 就著手開(kāi)始制定現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)，至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未 完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，但彼此的開(kāi)放性和互操作性還難 以統(tǒng)一。 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線( f o u n d a t i o n f i e l d b u s 簡(jiǎn)稱(chēng)f f ) 1 0 這是以美國(guó)f i s h e r - r o u s e m o u n t 公司為首的聯(lián)合了橫河、a b b 、西門(mén)子、英維 斯等8 0 家公司制定的i s p 協(xié)議和以h o n e y w e l l 公司為首的聯(lián)合歐洲等地1 5 0 余家 公司制定的w o r l d f i p 協(xié)議于1 9 9 4 年9 月合并的。該總線在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了 廣泛的應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織i s o 的開(kāi)放化系統(tǒng)互聯(lián)o s i 的簡(jiǎn)化模型 ( 1 ，2 ，7 層) ，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，另外增加了用戶層。f f 分低速 h 1 和高速h 2 兩種通信速率，前者傳輸速率為3 1 2 5 k b i t 秒，通信距離可達(dá)1 9 0 0 m ， 可支持總線供電和本質(zhì)安全防爆環(huán)境。后者傳輸速率為l m b i t 秒和2 5 m b i t 秒，通 信距離為7 5 0 m 和5 0 0 m ，支持雙絞線、光纜和無(wú)線發(fā)射，協(xié)議符號(hào)i e c l1 5 8 2 標(biāo) 準(zhǔn)。f f 的物理媒介的傳輸信號(hào)采用曼切斯特編碼。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 控制器局域網(wǎng)) 最早由德國(guó)b o s c h 公司推出，它廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范已被i s o 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，得到了i n t e l 、m o t o r o l a 、n e c 等公司的支持。c a n 協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。c a n 的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間 短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。c a n 支持多主工作方式，并采 用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過(guò)設(shè)置優(yōu)先級(jí)來(lái)避免沖突，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá) 1 0 k m 5 k b p s s ，通訊速率最高可達(dá)4 0 m 1 m b p s 。目前已有多家公司開(kāi)發(fā)了符合 c a n 協(xié)議的通信芯片。 l o n w o r k s 它由美國(guó)e c h e l o n 公司推出，并由m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡導(dǎo)。它采用 i s o o s i 模型的全部7 層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng) 絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信 介質(zhì)，通訊速率從3 0 0 b i f f s 至1 5 m s 不等，直接通信距離可達(dá)2 7 0 0 m ( 7 8 k b i t s ) ， 被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。l o n w o r k s 技術(shù)采用的l o n t a l k 協(xié)議被封裝到n e u r o n ( 神經(jīng) 元) 的芯片中，并得以實(shí)現(xiàn)。采用l o n w o r k s 技術(shù)和神經(jīng)元芯片的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng) 用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過(guò)程控制 等行業(yè)。 p r o f i b u s p r o f i b u s 是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)( d i n l 9 2 4 5 ) 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)( e n 5 0 1 7 0 ) 的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo) 準(zhǔn)。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 系列組成。d p 用于 分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。f m s 適用于紡織、樓宇自動(dòng) 化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。p a 用于過(guò)程自動(dòng)化的總線類(lèi)型，服從i e c l l 5 8 2 標(biāo)準(zhǔn)。p r o f i b u s 支持主從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等幾種傳 輸方式。p r o f i b u s 的傳輸速率為9 6 k b i t s 至1 2 m b i t s ，最大傳輸距離在9 6 k b i t s 下為1 2 0 0 m ，在1 2 m b i t s 小為2 0 0 m ，可采用中繼器延長(zhǎng)至l o k m ，傳輸介質(zhì)為雙 絞線或者光纜，最多可掛接1 2 7 個(gè)站點(diǎn)。 2 3 3c a n 總線簡(jiǎn)介 控制器局部網(wǎng)( c a n - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是b o s c h 公司為現(xiàn)代汽車(chē) 應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn) 已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通： 具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境 控制等眾多部門(mén)?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國(guó)迅速普及推廣。 由于c a n 為愈來(lái)愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報(bào)文 的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制訂并發(fā)布了c a n 技術(shù)規(guī)范( v e r s i o n2 0 ) 。該技術(shù)規(guī)范包括a 和b 兩部分。2 0 a 給出了曾在c a n 技術(shù)規(guī)范版本1 2 中定義的c a n 報(bào)文格式，能提供1 1 位地址；而2 0 b 給出了標(biāo) 準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式，提供2 9 位地址。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式頒布 了道路交通運(yùn)載工具數(shù)字信息交換高速通信控制器局部網(wǎng)( c a n ) 國(guó)際 標(biāo)準(zhǔn)( i s o l l 8 9 8 ) ，為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。 由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，c a n 總線越來(lái)越受到人們的重視。它在汽 車(chē)領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車(chē)制造廠商都采用了c a n 總線 來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，由于c a n 總線 本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車(chē)行業(yè)，而向自動(dòng)控制、航空航天、 航海、過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器 械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。c a n 已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的 現(xiàn)場(chǎng)總線之一。其典型的應(yīng)用協(xié)議有： s a ej 1 9 3 9 i s 0 1 1 7 8 3 、c a n o p e n 、 c a n a e r o s p a e e 、d e v i c e n e t 、n m e a2 0 0 0 等。 2 3 4c a n 總線的特點(diǎn) c a n 屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行 通信網(wǎng)絡(luò)?；赾 a n 總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的特點(diǎn)： 首先，c a n 控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先 權(quán)( 取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符) 采用無(wú)損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)， 且c a n 協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，采用這種方法的 優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由1 1 位或2 9 位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義2 1 1 或2 2 9 個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方 1 2 式，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串 行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。c a n 總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上 其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。這些特點(diǎn)使 得c a n 總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)， 提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8 個(gè)字節(jié)，可滿足通常工 業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8 個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總 線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。c a n 協(xié)議采用c r c 檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的 錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。 其次，c a n 總線通過(guò)c a n 收發(fā)器接口芯片的兩個(gè)輸出端c a n h 和c a n l 與 物理總線相連，而c a n h 端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，c a n l 端只能是低 電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì)出現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送 數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且c a n 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán) 重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而 保證不會(huì)出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，使得總線處于“死鎖狀態(tài)。 c a n 總線通信接口中集成了c a n 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通 信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng) 工作。因此，c a n 具有的完善的通信協(xié)議可由c a n 控制器芯片及其接口芯片來(lái) 實(shí)現(xiàn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有2 根現(xiàn)與外部相連。從而大大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度， 縮短了開(kāi)發(fā)周期。 另外，與其它現(xiàn)場(chǎng)總線比較而言，c a n 總線是具有通信速率高，最高可達(dá)到 1 m b i t s 、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。 這些也是目前c a n 總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強(qiáng)勁的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要原因。 總結(jié)c a n 總線的特點(diǎn)如下： ( 1 ) 廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工 作； ( 2 ) 采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低 的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)， 有效避免了總線沖突； ( 3 ) 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8 個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的 概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短； ( 4 ) 每幀數(shù)據(jù)都有c r c 校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕?適于在高干擾環(huán)境下使用； 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系， 以使總線上其他操作不受影響。 1 3 業(yè)噩至盟厶主翊空位垃奎塹主位窒目囝羞啦控直 2 4 方案選擇 本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化家固網(wǎng)關(guān)框圖如圖2 - 2 所示。 圖2 - 2 數(shù)字化家聞網(wǎng)關(guān)框幽 f i g 2 - 2s t 兀l c t u r e o f d i g i t mh o m e g a t e w a y 數(shù)字化家園網(wǎng)關(guān)要對(duì)來(lái)自于i n t e r n e t 的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收井解析，而且還要管理控 制總線的協(xié)議及運(yùn)行系統(tǒng)的應(yīng)用程序，處理的數(shù)據(jù)噩大，任務(wù)繁多，為了得到優(yōu) 異的性能和合適的價(jià)位之問(wèn)的平衡。并且使開(kāi)發(fā)周期盡可能的短。本文通過(guò)認(rèn)真 對(duì)比，選擇a r m 9 核心的$ 3 c 2 4 1 0 作為主處理器，上面運(yùn)行l(wèi) i n u x 操作系統(tǒng)，不 但可以滿足處理能力的要求，并且借助l i n u x 眾多的資源和開(kāi)發(fā)成果，良好的網(wǎng)絡(luò) 特性，多任務(wù)并行及其便捷的開(kāi)發(fā)工具，使得開(kāi)發(fā)進(jìn)度大大加快。 另外c a n 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、 醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)薔等方面。c a n 總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一 被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間 實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。 同時(shí)，c a n 總線是一種廉價(jià)的，易于安裝的現(xiàn)場(chǎng)總線，由于大規(guī)模生產(chǎn)，c a n 總線模塊芯片價(jià)格已經(jīng)十分低廉，并且c a n 總線只需要兩根雙絞線進(jìn)行通信，易 于在家庭環(huán)境中安裝。通信距離可達(dá)1 0 k i n ，完全滿足家庭控制總線的需求。 學(xué) 瞅 3 系統(tǒng)部分硬件設(shè)計(jì) 本文采用的是成熟的a r m 評(píng)估板進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有完善的外圍設(shè)備，包括網(wǎng)卡 芯片及其相應(yīng)的外圍電路，串口設(shè)備及其相應(yīng)的外圍電路等，本文只需要針對(duì)c a n 總線的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)即可完成家庭網(wǎng)關(guān)的整個(gè)硬件設(shè)計(jì)。 3 1c a n 總線控制器 c a n 總線基本上使用的是兩種系列的c a n 總線控制器，第一類(lèi)芯片是由 p h i l i p s 生產(chǎn)的s j a l 0 0 0 系列；第二類(lèi)芯片是由m i c r o c h i p 生產(chǎn)的m c p 2 5 1 0 、 m c p 2 5 1 5 系列。 s j a l 0 0 0 是目前使用較為廣泛的一種獨(dú)立c a n 控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和一般 工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)。 s j a l 0 0 0 與微處理器的接口可設(shè)置成i n t e l 方式或m o t o r o l a 方式。目前的大部 分單片機(jī)提供的都是i n t e l 方式接口，其數(shù)據(jù)和地址分時(shí)復(fù)用線完成，這一點(diǎn)和 $ 3 c 2 4 1 0 的總線有很大差異，s j a l 0 0 0 與s 3 c 2 4 1 0 之間的接口信號(hào)時(shí)序不完全兼 容；其二，s j a l 0 0 0 的接口電平與$ 3 c 2 4 1 0 的接口電平不一致，s j a l 0 0 0 為5 v ， $ 3 c 2 4 1 0 為3 3 v ，綜上所述，使用s j a l 0 0 0 作為a r m 節(jié)點(diǎn)c a n 總線控制器并不 是很合適。 本文采用了m c p 2 5 1 5 作為c a n 總線控制器。 m c p 2 5 1 5 是一種獨(dú)立的c a n 總線通信控制器，是m i c r o c h i p 公司首批獨(dú)立 c a n 解決方案的升級(jí)器件，最大時(shí)鐘輸入速度為4 0 m h z ，并具有一個(gè)1 0 m h z 的 高速s p i 接口，其傳輸能力較m i c r o c h i p 公司原有c a n 控制器( m c p 2 5 1 0 ) 高兩倍。 此外，m c p 2 5 1 5 還具有基于標(biāo)識(shí)符位進(jìn)行信息篩選的功能。當(dāng)需要支持d e v i c en e t 等更高層協(xié)議時(shí)，該功能有助于減少對(duì)單片機(jī)的過(guò)高要求。m c p 2 5 1 5 可利用數(shù)據(jù) 字節(jié)和標(biāo)識(shí)符位來(lái)確定某些節(jié)點(diǎn)是否應(yīng)該接收或處理c a n 報(bào)文，它還有助于在確 定的系統(tǒng)中執(zhí)行時(shí)隙功能。當(dāng)一次性模式準(zhǔn)備就緒時(shí)，無(wú)論發(fā)生任何仲裁損失或 錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu)，報(bào)文都可被一次性傳輸。 m c p 2 5