1 引言
在嵌入式系統(tǒng)時(shí)代,所有的設(shè)備都要網(wǎng)絡(luò)化,這是未來科技發(fā)展的趨勢(shì)。而在自動(dòng)化領(lǐng)域有成千上萬的傳感器,控制器及其他設(shè)備。而他們之間最常用的通信接口就是 RS-232 串口。而隨著通信技術(shù)的進(jìn)步,這種簡單的通信方法越來越不能適應(yīng)需要。而高度成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為這一問題的解決提供了一種思路。在實(shí)際工作中,筆者為了通過Internet讀取只有RS-232串口的傳感器中數(shù)據(jù),基于S3C4510B設(shè)計(jì)了一個(gè)串口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的最小系統(tǒng)。
2 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)微處理器采用三星公司的硬件S3C4510B,網(wǎng)口控制芯片采用Realtek公司的RTL8201,串口控制芯片采用常見的MAX232.主要芯片都是高度集成,接線簡潔,原理清晰。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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2.1 S3C4510B簡介
S3C4510CPU芯片是samsung公司arm7TDMI系列中的一個(gè)型號(hào),其工作頻率為50MHZ,片內(nèi)集成了豐富的通用模塊,含有支持10M/100M自適應(yīng)的以太網(wǎng)控制器,可以直接通過PHY芯片引出以太網(wǎng)接口。已太網(wǎng)PHY芯片選用Intel公司的lxt972a芯片,它具有10M、100M自適應(yīng)收發(fā)功能,支持全雙工操作,經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變壓器YL18-2050S連接到RJ45,進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)包功能。此外,該系統(tǒng)還使用聊2MBFlash,16MBSDRAM和512KBSRAM作為存儲(chǔ)器。
2.2 FLASH存儲(chǔ)器接口電路
FLASH閃存閃存的英文名稱是"FlashMemory",一般簡稱為"Flash",它屬于內(nèi)存器件的一種。不過閃存的物理特性與常見的內(nèi)存有根本性的差異:目前各類DDR、SDRAM或者RDRAM都屬于揮發(fā)性內(nèi)存,只要停止電流供應(yīng)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便無法保持,因此每次電腦開機(jī)都需要把數(shù)據(jù)重新載入內(nèi)存;閃存則是一種不揮發(fā)性(Non-Volatile)內(nèi)存,在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持?jǐn)?shù)據(jù),其存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤,這項(xiàng)特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)的基礎(chǔ)。
本系統(tǒng)中采用的Flash存儲(chǔ)器日本富士公司生產(chǎn)的MBM29F016.具有16M位(2M字節(jié))、單一5V供電的閃速存儲(chǔ)器。2M字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)被分為32個(gè)64k字節(jié)的區(qū)段,因而具有靈活擦除功能。
Flash在本系統(tǒng)中用來存放uClinux操作系統(tǒng)程序代碼。系統(tǒng)上電或復(fù)位后從此處獲取指令并開始執(zhí)行。因此S3C4510B的nRCS<0>接至MBM29F016的CE#端。RES#端接系統(tǒng)服務(wù)信號(hào)。OE#接S3C4510B的nOE,
WE#端接S3C4510B的nWBE<0>.地址總線[a19~A0]與S3C4510B的地址總線[ADDR19~ADDR0]相連。16位數(shù)據(jù)總線[DQ15~DQ0]與S3C4510B的低16位數(shù)據(jù)總線[XDATA15~XDATA0].
2.3 SDRAM接口電路
SDRAM:SynchronousDynamicRandomAccessMemory,同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器,同步是指Memory工作需要同步時(shí)鐘,內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn);動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失;隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ),而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。SDRAM從發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了四代,分別是:第一代SDRSDRAM,第二代DDRSDRAM,第三代DDR2SDRAM,第四代DDR3SDRAM.(顯卡上的DDR已經(jīng)發(fā)展到DDR5)
與Flash存儲(chǔ)器相比較,SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性,但其存取速度大大高于Flash存儲(chǔ)器,且具有讀/寫的屬性。因此,SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動(dòng)代碼,在完成系統(tǒng)的初始化后,程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運(yùn)行,以提供系統(tǒng)的運(yùn)行速度。同時(shí),系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都存放在SDRAM中。與Flash存儲(chǔ)器相比,SDRAM的控制信號(hào)較多,其連接電路也相對(duì)復(fù)雜。
本系統(tǒng)采用兩片HY57V641620并聯(lián)構(gòu)成32位的SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng),其中一片為高16位,另一片為低16位。兩片HY57V641620的CLK端接的SDCLK端。兩片HY57V641620的CLE端接S3C4510B CLE端。兩片HY57V641620的A11~A0接S3C4510B ADDR<11>~ADDR<0>;高16位片的DQ15~DQ0接S3C4510B 的數(shù)據(jù)總線的高16位XDATA<31>~XDATA<16>;低16位片的DQ15~DQ0接S3C4510B的數(shù)據(jù)總線的低16位XDATA<15>~XDATA<0>.
2.4 RTL8201接口電路
RTL8201是Realtek公司生產(chǎn)的一種全雙工以太網(wǎng)控制器,由于其優(yōu)良的性能、廉價(jià)的價(jià)格,使其在市場(chǎng)上10MbpsiISA總線網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤0磾?shù)據(jù)鏈路的不同,可以將RTL8201內(nèi)部劃分為遠(yuǎn)程DMA(remote,DMA)通道和本地DMA(local DMA)通道兩部分。本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換,主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。當(dāng)主處理器要向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8201中的發(fā)送緩存區(qū),然后發(fā)出傳送數(shù)據(jù)命令。RTL8201在完成了上一幀的發(fā)送后,再完成此幀的發(fā)送。RTL8201接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較,CRC校驗(yàn)后,由FIFO存到接收緩沖區(qū),收滿一幀后,以中斷的方式通知主處理器。
由于S3C4510B片內(nèi)已有帶MII接口的MAC控制器,而RTL8201也提供了MII接口,各種信號(hào)的定義也很明確,因此RTL8201與S3C4510B的連接也比較簡單。直接將兩者的同名端連接即可。
2.5 Max232接口電路
Max232產(chǎn)品是由德州儀器公司(TI)推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含2驅(qū)動(dòng)器、2接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標(biāo)準(zhǔn),每一個(gè)接收器將TIA/EIA-232-F電平轉(zhuǎn)換成5-VTTL/CMOS電平。每一個(gè)發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。
MAX232芯片時(shí)MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器。適用于各種EIA-232E和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器,可以把輸入的+5V電源變換城RS-232C輸出電平所需10V電壓,所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。
現(xiàn)選用其中一路發(fā)送/接受。T1I接S3C4510B的TXD0端,R1O接S3C4510B的RXD0端。因?yàn)镸AX232具有驅(qū)動(dòng)能力,所以不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用uClinux作為操作系統(tǒng)。與一般全靠硬件實(shí)現(xiàn)的串口服務(wù)器比較起來,配置要復(fù)雜,需要用戶具有一定的技術(shù)背景,不過因?yàn)閹в胁僮飨到y(tǒng),其靈活性也是硬件串口服務(wù)器所不能比擬的。用戶可以通過編寫應(yīng)用程序,來隨意擴(kuò)展所需的功能。
uCLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本,是micro-Conrol-Linux的縮寫。它秉承了標(biāo)準(zhǔn)Linux的優(yōu)良特性,經(jīng)過各方面的小型化改造,形成了一個(gè)高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux.雖然它的體積很小,卻仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對(duì)各種文件系統(tǒng)完備的支持和標(biāo)準(zhǔn)豐富的API.它專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作,目前已支持多款CPU.其編譯后目標(biāo)文件可控制在幾百KB數(shù)量級(jí),并已經(jīng)被成功地移植到很多平臺(tái)上。具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1) Linux是開放源代碼的,不存在黑箱技術(shù),遍布全球的眾多Linux愛好者都是Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持者。
(2) Linux源代碼隨處可見,注釋豐富,文檔齊全,易于解決各種問題。
(3) Linux的內(nèi)核小,效率高。
(4) Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的,它提供了對(duì)包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)絡(luò),還有無線網(wǎng)絡(luò),以及光纖等的支持。
(5) Linux在內(nèi)核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中考慮適應(yīng)系統(tǒng)的可裁減性的要求??蓪o用的代碼去除掉,近一步減少內(nèi)核規(guī)模。
3.1 串口程序的設(shè)計(jì)
Linux對(duì)所有各類設(shè)備文件的輸入輸出擦作看上去就像對(duì)普通文件的輸入輸出一樣。所以Linux對(duì)串口的操作,也是通過設(shè)備文件訪問的。為了訪問串口,只需打開相應(yīng)的設(shè)備文件即可。在Linux下,默認(rèn)串行口COM1和COM2對(duì)應(yīng)的設(shè)備分別為/dev/ttyS0 和/dev/ttyS1.
(1) 打開串口是通過使用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開函數(shù)操作:
int fd;
/*以讀寫方式打開串口*/
fd = open( "/dev/ttyS0", O_RDWR);
if (-1 == fd){
/* 不能打開串口一*/
perror(" 提示錯(cuò)誤!");
}
(2) 設(shè)置串口
最基本的設(shè)置串口包括波特率設(shè)置,效驗(yàn)位和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置 struct termios 結(jié)構(gòu)體的各成員值。
struct termio
{ unsigned short c_iflag; /* 輸入模式標(biāo)志 */
unsigned short c_oflag; /* 輸出模式標(biāo)志 */
unsigned short c_cflag; /* 控制模式標(biāo)志*/
unsigned short c_lflag; /* local mode flags */
unsigned char c_line; /* line discipline */
unsigned char c_cc[NCC]; /* control characters */
};
(3) 發(fā)送數(shù)據(jù)
char buffer[1024];int Length;int nByte;nByte = write(fd, buffer ,Length)
(4) 讀取串口數(shù)據(jù)
使用文件操作read函數(shù)讀取,如果設(shè)置為原始模式(Raw Mode)傳輸數(shù)據(jù),那么read函數(shù)返回的字符數(shù)是實(shí)際串口收到的字符數(shù)??梢允褂貌僮魑募暮瘮?shù)來實(shí)現(xiàn)異步讀取,如fcntl,或者select等來操作。
char buff[1024];int Len;int readByte = read(fd,buff,Len);
3.2 網(wǎng)絡(luò)程序的設(shè)計(jì)
Linux系統(tǒng)是通過提供套接字(socket)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的。網(wǎng)絡(luò)程序通過socket和其它幾個(gè)函數(shù)的調(diào)用,會(huì)返回一個(gè) 通訊的文件描述符,我們可以將這個(gè)描述符看成普通的文件的描述符來操作,這就是linux的設(shè)備無關(guān)性的 好處。我們可以通過向描述符讀寫操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交流。以下介紹一下程序設(shè)計(jì)時(shí)常用的函數(shù)。
(1) socket
int socket(int domain, int type,int protocol)
domain:說明我們網(wǎng)絡(luò)程序所在的主機(jī)采用的通訊協(xié)族(AF_UNIX和AF_INET等)。
type:我們網(wǎng)絡(luò)程序所采用的通訊協(xié)議。
protocol:由于我們指定了type,所以這個(gè)地方我們一般只要用0來代替就可以了。
(2) bind
int bind(int sockfd, struct sockaddr *my_addr, int addrlen)
sockfd:是由socket調(diào)用返回的文件描述符。
addrlen:是sockaddr結(jié)構(gòu)的長度。
my_addr:是一個(gè)指向sockaddr的指針。
(3) listen
int listen(int sockfd,int backlog)
sockfd:是bind后的文件描述符。
backlog:設(shè)置請(qǐng)求排隊(duì)的最大長度。當(dāng)有多個(gè)客戶端程序和服務(wù)端相連時(shí), 使用這個(gè)表示可以介紹的排隊(duì)長度。 listen函數(shù)將bind的文件描述符變?yōu)楸O(jiān)聽套接字。返回的情況和bind一樣。
(4) accept
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr,int *addrlen)
sockfd:是listen后的文件描述符。
(5)connect
int connect(int sockfd, struct sockaddr * serv_addr,int addrlen)。
sockfd:socket返回的文件描述符。
serv_addr:儲(chǔ)存了服務(wù)器端的連接信息。其中sin_add是服務(wù)端的地址。
addrlen:serv_addr的長度。
connect函數(shù)是客戶端用來同服務(wù)端連接的。
總的來說網(wǎng)絡(luò)程序是由兩個(gè)部分組成的--客戶端和服務(wù)器端。它們的建立步驟一般是: 服務(wù)器端 socket-->bind-->listen-->accept.客戶端 socket-->connect.
4 結(jié)語
經(jīng)過幾個(gè)月的運(yùn)行,證明穩(wěn)定可靠。由于ARM系列微處理器的優(yōu)異性能,本系統(tǒng)上完全可以再加上1/2/4/8個(gè)RS-485/422/232串口,輕松連接網(wǎng)絡(luò)并管理數(shù)量眾多且分散在不同位置的串行設(shè)備。
評(píng)論
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