基于DS80C400的嵌入式智能網(wǎng)橋的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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網(wǎng)橋?qū)蓚€(gè)相似的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流通進(jìn)行管理。它工作于數(shù)據(jù)鏈路層，不但能擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的距離或范圍，而且可提高網(wǎng)絡(luò)的性能、可靠性和安全性。網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2通過(guò)網(wǎng)橋連接后，網(wǎng)橋接收網(wǎng)絡(luò)1發(fā)送的數(shù)據(jù)包，檢查數(shù)據(jù)包中的地址，如果地址屬于網(wǎng)絡(luò)1,它就將其放棄，相反，如果是網(wǎng)絡(luò)2的地址，它就繼續(xù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)2.這樣可利用網(wǎng)橋隔離信息，將同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)劃分成多個(gè)網(wǎng)段（屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)），隔離出安全網(wǎng)段，防止其他網(wǎng)段內(nèi)的用戶(hù)非法訪問(wèn)。由于網(wǎng)絡(luò)的分段，各網(wǎng)段相對(duì)獨(dú)立（屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)），一個(gè)網(wǎng)段的故障不會(huì)影響到另一個(gè)網(wǎng)段的運(yùn)行。

目前，各類(lèi)智能網(wǎng)橋設(shè)計(jì)方案基本都是CPU+MAC+PHY+RTOS+TCP/IPSTACK的方式，如：PCGateway+專(zhuān)用網(wǎng)、32位MCU+RTOS、8位或16位單片機(jī)+網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包，它們?cè)趯?shí)時(shí)性、可靠性、開(kāi)發(fā)周期、實(shí)現(xiàn)難度、價(jià)格、開(kāi)放性和通信效率等方面各有千秋。

PCGateway+專(zhuān)用網(wǎng)：該方案采用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（如RS232、RS485、CANBUS等）可以連接多種單片機(jī)系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)（Gateway）又稱(chēng)網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)關(guān)在傳輸層上以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，是復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，僅用于兩個(gè)高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)互連。網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)也和路由器類(lèi)似，不同的是互連層。網(wǎng)關(guān)既可以用于廣域網(wǎng)互連，也可以用于局域網(wǎng)互連。網(wǎng)關(guān)是一種充當(dāng)轉(zhuǎn)換重任的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備。在使用不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語(yǔ)言，甚至體系結(jié)構(gòu)完全不同的兩種系統(tǒng)之間，網(wǎng)關(guān)是一個(gè)翻譯器。與網(wǎng)橋只是簡(jiǎn)單地傳達(dá)信息不同，網(wǎng)關(guān)對(duì)收到的信息要重新打包，以適應(yīng)目的系統(tǒng)的需求。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)也可以提供過(guò)濾和安全功能。大多數(shù)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行在OSI7層協(xié)議的頂層--應(yīng)用層。

32位MCU+RTOS:采用32位的高性能嵌入式處理器，在RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）平臺(tái)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，該方案可以完成很多復(fù)雜的功能。但這種方案存在如下缺點(diǎn)：高性能嵌入式處理器價(jià)格較貴，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；需要購(gòu)買(mǎi)昂貴的RTOS軟件，對(duì)開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)能力要求較高。

8位或16位單片機(jī)+網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包：該方案有如下優(yōu)點(diǎn)：不依賴(lài)PC機(jī)或高性能嵌入式處理器，真正實(shí)現(xiàn)8位或16位單片機(jī)系統(tǒng)直接接入網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)系統(tǒng)完全自給自足；使用外圍器件少，系統(tǒng)成本低。但是這種方法在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，如8位或16位單片機(jī)的資源相對(duì)較少，提供的功能有限。隨著科技的發(fā)展，一些高速度的單片機(jī)（如DS80C400）己能基本滿(mǎn)足通常的嵌入式產(chǎn)品對(duì)處理性能的要求，采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議處理，便于將來(lái)在不改變硬件的情況下，只需改變內(nèi)置程序即可升級(jí)整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的功能。本文提出以

DS80C400為處理器的CAN總線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)網(wǎng)互連的一種方案，實(shí)現(xiàn)了多路CAN總線網(wǎng)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)互聯(lián)。

1總體設(shè)計(jì)

智能（CAN-ETHERNET）網(wǎng)橋作為以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸交換的樞紐，完成從CAN到以太網(wǎng)或是從以太網(wǎng)到CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。同時(shí)，智能網(wǎng)橋還是一個(gè)Web服務(wù)器，WebServer將參數(shù)顯示和監(jiān)控等功能均通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的統(tǒng)一界面呈現(xiàn)給用戶(hù)?？蛻?hù)機(jī)不需運(yùn)行專(zhuān)用的監(jiān)控軟件，只需運(yùn)行通用的瀏覽器來(lái)調(diào)用分散在各個(gè)受控設(shè)備中的嵌入式WebServer上的監(jiān)控參數(shù)顯示頁(yè)面，就能達(dá)到監(jiān)控設(shè)備的目的。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

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2DS80C400以太網(wǎng)控制模塊

DS80C400網(wǎng)絡(luò)微控制器是目前集成度的8051器件。集成外設(shè)包括10/100以太網(wǎng)MAC,三個(gè)串行端口，一個(gè)CAN2.0B控制器，1-Wire?主機(jī)和64個(gè)I/O引腳。為了便于訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，在ROM中提供了一個(gè)完整的、可被應(yīng)用訪問(wèn)的TCPIPv4/6網(wǎng)絡(luò)棧和OS.網(wǎng)棧支持多32個(gè)并發(fā)的TCP連接，并且能夠通過(guò)以太網(wǎng)MAC提供高達(dá)5Mbps的吞吐率。達(dá)75MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率使短指令周期僅有54ns.24位尋址方式簡(jiǎn)化了對(duì)于大容量程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，支持高達(dá)16MB的連續(xù)存儲(chǔ)空間。

緩沖區(qū)控制單元（BCU）：緩沖區(qū)控制單元（BCU）是DS80C400的以太網(wǎng)接口的中心控制單元。BCU通過(guò)一系列的SFR調(diào)節(jié)CPU,控制以太網(wǎng)模塊的讀/寫(xiě)活動(dòng)。

CSR=ControlandStatusRegister常見(jiàn)的有"指令指針寄存器","標(biāo)志寄存器","機(jī)器狀態(tài)字","程序計(jì)數(shù)器"等等，各種處理器/微機(jī)上的叫法有點(diǎn)差別，而且控制的功能也不一定相同，但都是用于控制處理器的操作。大多數(shù)這類(lèi)寄存器對(duì)用戶(hù)是不可見(jiàn)的。

命令狀態(tài)寄存器（CSR）：CSR寄存器本質(zhì)上是定義以太網(wǎng)控制器的操作特性。CSR寄存器包括下面幾項(xiàng)：

MAC物理地址：發(fā)送，接受和流控制設(shè)置；地址檢查模塊使用的組播哈希表；地址檢查模塊需要的過(guò)濾模式和好/壞幀控制；VLAN標(biāo)簽標(biāo)識(shí)符；喚醒幀過(guò)濾器；串行的MII物理設(shè)備管理總線的寄存器界面。

MediumAccessControl介質(zhì)訪問(wèn)控制層，屬于OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層下層子層--物理層。它定義了數(shù)據(jù)幀怎樣在介質(zhì)上進(jìn)行傳輸。在共享同一個(gè)帶寬的鏈路中，對(duì)連接介質(zhì)的訪問(wèn)是"先來(lái)先服務(wù)"的。物理尋址在此處被定義，邏輯拓?fù)洌ㄐ盘?hào)通過(guò)物理拓?fù)涞穆窂剑┮苍诖颂幈欢x。線路控制、出錯(cuò)通知（不糾正）、幀的傳遞順序和可選擇的流量控制也在這一子層實(shí)現(xiàn)。

MII管理模塊：MII管理模塊允許主機(jī)從32個(gè)寄存器中的任意一個(gè)讀取狀態(tài)信息。MII管理模塊通過(guò)2線的串行接口和外部物理設(shè)備進(jìn)行通信。

MIII/O模塊：MII1/0模塊支持所有的在DS80C400的MAC和外部物理設(shè)備之間的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，同時(shí)監(jiān)控由PHY提供的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號(hào)。

地址檢查模塊：以太網(wǎng)控制器的地址檢查模塊監(jiān)控所有到來(lái)包的目的地址，然后決定是地址是否能夠通過(guò)由CPU設(shè)置的過(guò)濾標(biāo)準(zhǔn)。決定幀是廣播還是組播的地址過(guò)濾的結(jié)果和位由BCU通過(guò)包的接收狀態(tài)給CPU.

接收/發(fā)送緩沖存儲(chǔ)：DS80C400以太網(wǎng)控制器使用8KB的內(nèi)部SRAM作為發(fā)送/接收包緩沖區(qū)。CPU可以使用MO指令對(duì)這個(gè)SRAM進(jìn)行讀/寫(xiě)訪問(wèn)。

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電源管理模塊：DS80C400以太網(wǎng)控制器包含了一個(gè)電源管理模塊，它可以使以太網(wǎng)控制器通過(guò)CPU進(jìn)入休眠模式，這樣當(dāng)沒(méi)有以太網(wǎng)通信要處理時(shí)以便節(jié)約能源。

以太網(wǎng)是Xerox公司發(fā)明的基帶LAN標(biāo)準(zhǔn)。它采用帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議（CSMA/CD），速率為10Mbps,傳輸介質(zhì)為同軸電纜。以太網(wǎng)是在20世紀(jì)70年代為解決網(wǎng)絡(luò)中零散的和偶然的堵塞而開(kāi)發(fā)的，而IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)是在初的以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上于1980年開(kāi)發(fā)成功的。現(xiàn)在，以太網(wǎng)一詞泛指所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)2.0版由數(shù)字設(shè)備公司、Intel公司和Xerox公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，它與IEEE802.3兼容。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以DS80C400為處理器，采用PCA82C250為CAN總線收發(fā)器，用SJA1000作總線控制器，以太網(wǎng)交換電路主要是采用五口交換芯片RTL8305SB來(lái)實(shí)現(xiàn)，用100BASE_FX光纖收發(fā)器完成以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)傳輸。以下著重介紹DS80C400MII模塊與外部物理設(shè)備之間的連接。

DS80C400MII管理模塊通過(guò)2線串行接口與外部物理設(shè)備相連，MDC提供串行時(shí)鐘信號(hào)，MDIO則作為I/O口與外設(shè)進(jìn)行通信。MIII/O模塊支持DS80C400MAC與外部物理設(shè)備之間的發(fā)送與接收數(shù)據(jù)傳輸，并且通過(guò)外設(shè)提供的信號(hào)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。發(fā)送接口由TXCLK,TX_EN,TXD[3:0]組成，其中，TXCLK是由外設(shè)提供的發(fā)送時(shí)鐘，對(duì)于10MBPS操作，TXCLK應(yīng)當(dāng)運(yùn)行在2.5MHZ,而100MBPS,TXCLK應(yīng)至少運(yùn)行在25MHZ.TXD[3:0]四位數(shù)據(jù)總線發(fā)送幘到外設(shè)。接收接口由RXCLK、RX_DV、RX_ER、RXD[3:0]組成，其中，RXCLK是由外設(shè)提供的接收時(shí)鐘，其時(shí)鐘要求與發(fā)送接口類(lèi)同。RXD[3:0]四位數(shù)據(jù)總線接收從外設(shè)發(fā)送來(lái)的幀。RX_DV=1表示接收有效，RX_ER指出接收錯(cuò)誤。MII也能通過(guò)外設(shè)提供的CRS、COL信號(hào)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

DS80C400MII與外部物理設(shè)備連接如圖3所示：

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4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)中為重要部分之一，利用DS80C400進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)并不像標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)開(kāi)發(fā)那樣簡(jiǎn)單，在除了KEILC軟件環(huán)境外，它還需要特定的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，DS80C400內(nèi)部強(qiáng)大的ROM功能，使得系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)周期短，系統(tǒng)功能強(qiáng)大。

4.1DS80C400軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

DALLAS公司為DS80C400提供了兩種串行加載工具，MTK和JAVAKIT.其中MTK簡(jiǎn)潔好用，但是目前MTK僅僅支持WINDOWS平臺(tái)。JAVAKIT是一款基于JAVA的圖形界面程序。JAVAKIT的運(yùn)行需要以下幾個(gè)附加軟件同時(shí)運(yùn)行：JAVADevelopmentEnvironment;JavaCommunicationsAPI;TINISoftwareDevelopmentKitAVAKIT可以應(yīng)用于WINDOWS,LINUX以及MACOSX平臺(tái)，但是JAVAKIT的配置雖然比較煩鎖。

在PC機(jī)的命令行界面正確配置JAVAKIT需注意如下命令配置：

（1）setpath=%path%;X:jdkbin;

（2）setclasspath=X:jdklibcomm.jar;

（3）setclasspath=X:tinibintini.jar;%classpath%

4.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

DS80C400內(nèi)部ROM嵌入的TINIOS使各個(gè)任務(wù)相互獨(dú)立且具有不同的優(yōu)先級(jí)來(lái)保證緊急任務(wù)及時(shí)響應(yīng)，從而有效地實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。內(nèi)部嵌入的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SOCKET套接字方便了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)軟件框架如圖4所示：

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（1）任務(wù)劃分

本系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)任務(wù)的重要性，把整個(gè)模塊分成以下幾個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用任務(wù)，即系統(tǒng)監(jiān)控、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送、協(xié)議轉(zhuǎn)換、LED顯示、系統(tǒng)配置。

（2）任務(wù)實(shí)現(xiàn)

任務(wù)劃分以后，各任務(wù)便具有獨(dú)立的堆?？臻g，彼此爭(zhēng)奪CPU的使用權(quán)。一旦獲得CPU使用權(quán)，就會(huì)獨(dú)立運(yùn)行。完成特定的功能。

（3）任務(wù)的同步與調(diào)度

DS80C400內(nèi)嵌的任務(wù)調(diào)度程序有其獨(dú)到之處，用戶(hù)可以直接利用系統(tǒng)的接口函數(shù)編寫(xiě)應(yīng)用程序，不需要另行開(kāi)發(fā)。基于DS80C400的CAN-ETHERNET智能網(wǎng)橋在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，運(yùn)行狀況良好，工作穩(wěn)定。

5結(jié)束語(yǔ)

利用DS80C400微控制器作嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可以方便地開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，大大提高開(kāi)發(fā)效率，這是其它8051單片機(jī)所不能比擬的。將DS80C400用于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有十分廣闊的前景，對(duì)推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn):

[1].RS232datasheet/datasheet/RS232_585128.html.[2].RS485datasheet/datasheet/RS485_585289.html.[3].DS80C400datasheet/datasheet/DS80C40