基于ARM技术的嵌入式网关设计.

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基于 ARM 技术的嵌入式网关设计

Design of ARM-Based Embedded Gateway

吴海平王慧锋

(华东理工大学自动化与控制系,上海 200237

摘要:为解决楼宇自动化系统中不同串行通信协议之间的软件接口问题,从而真正实现现场设备的远程监控与管理功能。为此提出了通过嵌入式网关实现不同串行通信协议到以太网协议的转换方案。嵌入式网关采用结构化设计, 其核心的协议转换模块采用了基于 ARM7TDMI 内核的 32位处理器,内嵌μCLinux 操作系统。该网关实现了楼宇自动化系统中不同串行通信协议之间的转换,实现了统一监控的要求。关键词:嵌入式网关协议转换模块监控

0 引言

楼宇自动化中使用了大量串行通信设备,它们采用了不同的串行通信协议,导致智能建筑管理系统(IBMS 和这些设备通信要时分别编写不同的软件接口,使得软件开发、维护和移植工作量增大,随着 Internet 的发展, 对现场自动化设备进行远程监控的需求越来越迫切,但由于现场设备没有以太网接口,很难实现这些设备的远程监控与管理。

一种解决上述问题的有效方法就是为这些设备开发具有以太网接口的串口网关。网关又被称为网间协议变换器,用于连接采用不同通信协议的网络,实现网络之间的数据传输。当要求一个报文从一个网段发送到另一个网段时,网关完成对该报文的接收、翻译与转发工作。此类网关传统上都采用 8位或 16位单片机来实现,受到运算能力、存储空间的限制,这些网关仅能提供低速和小数据量的以太网接入,而且实时性差,不能满足楼宇自动化大量监控数据传输要求。此外,这些网关设备只支持特定设备的协议转换,通用性较差,限制了其使用。

基于上述情况,我们设计了基于 ARM 的嵌入式可组态串口网关。在硬件上采用 SAMSUNG 公司基于 ARM7TDMI 内核的 32位处理器 S3C4510B ,它具有高性能、低功耗和低成本特性,同时外接了大容量 SDRAM 和 Flash 存储器,以满足大数据量实时监控要求;软件上采用嵌入式μCLinux 操作系统,内嵌多个楼宇自动化常用串行设备的通信协议,并通过开关选择所接入设备对应的串口协议。通过运行开发的应用软件最终实现串口设备到以太网的协议转换。

1 嵌入式网关结构设计

一个嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成,其中嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心,由硬件层、中间层、软件层和功能层组成。本嵌入式网关是为实现特定的功能而设计的,其总体结构可简化为硬件层和软件层两部分。硬件层由高性能的微处理器和外围接口电路组成,软件层由实时操作系统和在其上运行的软件构成,其结构如图 1所示。

软件层

硬件层

图 1 系统结构图

嵌入式网关主要实现串口协议和以太网协议之间的转换,采用了结构化设计方案,由协议转换模块、以太网接口模块和串行接口模块等 3部分组成,如图 2所示。

1.1 协议转换模块

协议转换模块是嵌入式网关的核心, 由嵌入式微处理器、 I/O接口电路及外扩的大容量存储器组成。嵌入式微处理器芯片选用 SAMSUNG 公司基于

ARM7TDMI 内核的 32位高速处理器 S3C4510B 。这款处理器专门针对2

以太网应用,在片内集成了以太网 MAC 层控制器,可以简化网络接口电路的设计并提高系统的可靠性。通过外部总线接口 EBI 可连接 4 M的 Flash 及 32 M的SDRAM , 其中 Flash 存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等;而 SDRAM 存储器作为系统运行时的主要区域, 系统及用户数据、堆栈均位于其中。将 S3C4510B 提供的 18个可编程的I/O 端口设置为不同的工作模式,用于设备开关选择输入和 LED 显示状态输出等。

1.2 以太网接口模块

以太网接口电路主要由 MAC 控制器和物理层接口两部分组成。我们选用主控制器芯片 S3C4510B 内嵌一个以太网控制器,支持媒体独立接口 MII (media independent interface和带缓冲 DMA 接口 BDI (buffered DMA interface ,可在半双工

或全双工模式下提供 10 M/100 Mbps的以太网接入。在半双工模式下,控制器支持CSMA/CD协议。在全双工模式下支持 IEEE802.3MAC 控制层协议、 S3C4510B 未提供物理层接口, 需外接一片物理层芯片,以提供以太网的接入通道。以太网物理层接口器件主要功能一般包括:物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、 10BASE-TX 编码 /解码器和双绞线媒体访问单元等。选用 Realtek 公司生产的RTL8201芯片作为以太网的物理层接口控制芯片,再通过 RJ45就可连接到以太网。

1.3 串行接口模块

ARM 芯片通过串行接口 RS232接串行楼宇自动化设备。由于 RS-232-C 标准所定义的高、低电平信号与 S3C4510B 系统的 LVTTL 电路所定义的高、低电平信号完全不同, LVTTL 的标准逻辑“ 1” 对应 2~3.3 V电平, 标准逻辑“ 0”

对应 0~0.4 V 电平, 而 RS-232-C 标准采用负逻辑方式, 标准逻辑“ 1” 对应 -15~-5 V 电平,标准逻辑“ 0”对应 5~15 V 电平,本嵌入式网关使用 MAX232芯片来实现电路的电平转换。

通过硬件开关可以选择不同类型的串行设备连接,并实现不同串行设备与以太网间的协议转换。目前该串口网关支持 8种常用串行楼宇自动化设备。硬件开关如图 3所示,开关编号从左到右依次为 1~3,开关的上位表示 OFF ,下位表示 ON 。开关的状态与所选设备的对应关系如表 1所示。

序号开关 3开关 2开关 1所对应设备

0OFF OFF OFF 01OFF OFF ON 12OFF ON OFF 23OFF ON ON 34ON OFF OFF 45ON OFF ON 56ON ON OFF 67

ON

ON

ON

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