摘 要：介紹了以32位內嵌ARM核的LPC2210為微控制器的工業以太網智能網關的設計方法，設計了CAN總線、USB總線以及以太網的接口硬件電路以及基于μC /OSⅡ的實時多任務軟件流程。該工業以太網智能網關解決了儀器儀表與以太網的數據傳輸，可實現對儀器儀表的遠程控制和訪問。 關鍵字：智能網關，ARM，實時操作系統 1. 概述 　　當前，在工業控制中廣泛采用總線技術，它把系統中的各個設備連接起來,形成一個工業網絡系統。在這個系統上面的節點有：具備智能和通信特點的傳感器、控制器、各類通信設備和計算機等。然而,由于各集團之間的利益競爭,目前的工業現場儀表總線方式非常多,有的儀表采用串口通訊方式，有的采用USB總線方式，有的采用CAN總線方式，有的采用以太網方式。這些儀表各自獨立，難以統一集中監控或管理，顯然,這些總線控制系統的發展趨勢應該是共同遵從統一的技術規范,真正形成一套開放式互聯系統,并與目前已廣泛使用的信息網絡——以太網無縫連接。因此,構建工業以太網將是工業控制網絡的主要發展方向。 　　但是，在處理器方面，目前在8位和16 位微控制器平臺上運行的TCP/IP 協議棧可以將智能控制設備、儀器儀表等接入以太網,但它僅可完成簡單、低速的數據傳輸,無法滿足工業現場的實時性和可靠性要求,尤其是在連接請求較多或控制任務較復雜時,幾乎沒有實時性可言。因此,必須采用功能更強、處理速度更快的32 位微處理器,并且運行基于特定應用的嵌入式實時操作系統進行合理的任務調度,才能滿足工業現場對實時性和可靠性的要求。本文以基于ARM內核的32位微控制器LPC2210研制工業以太網智能網關。 2. 基于ARM的智能網關硬件系統結構 　　PHILIP公司的LPC2210是基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S核結構的微控制器。ARM結構是基于精簡指令集計算機（RISC）原理設計的,由于使用了流水線技術,處理和存儲系統的所有部分都可連續工作,通常在執行一條指令的同時對下一條指令進行譯碼,并將第3條指令從存儲器中取出。同時LPC2210具有多個32位定時器、4路10位ADC或8路lO位ADC以及多達9個外部，因而它具有較高的性能，非常適合于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟modem以及其它各種類型的應用。目前，常用的通信接口有RS232、USB、CAN、以太網等接口。本智能網關以LPC2210的控制核心，設計其相應的數據傳輸硬件電路，實現幾種常用的總線形式的數據向以太網的傳輸，如圖1所示。 [align=center] 圖1 系統設計架構[/align] 3. 硬件電路設計 　　圖2為USB和CAN總線接口電路設計，CAN總線電路主要由五部分構成：微控制器LPC2210,獨立的CAN控制器SJA1000,CAN總線驅動器PCA82C250 ,高速光電耦合器6N137,電源隔離模塊。微控制器LPC2210通過控制SJA1000實現數據的發送、接收。SJA1000負責數據鏈路層的工作, 它把發送緩沖器的數據經過處理后送到82C250,把要接收的數據經過處理后放到接收緩沖器等待微處理器的讀取。82C250提供SJA1000與物理總線之間的接口。6N137和電源隔離模塊用于實現總線上各個CAN節點的電氣隔離,增強系統的抗干擾能力。CH372 是一個USB 總線的通用設備接口芯片,具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出,可以方便的掛接到單片機或DSP等控制器的系統總線上。CH372內置了USB通信中的底層協議,具有內置固件模式和外置固件模式。在內置固件模式下, CH372自動處理默認端點0的所有事務,本地端單片機只要負責數據交換，在外置固件模式下,由外部MCU根據需要自行處理各種USB 請求,從而可以實現符合各種USB 類規范的設備。 　　LPC2210的P3.23連接到SJA1000 的CS引腳,當為低電平時選中SJA1000，P0.30與SJA1000的INT引腳相連，用于USB中斷響應。P2.22和P3.21分別連接到CH372的CS和A0引腳,當P3.21為低電平、P2.22為高電平時選中CH372的命令端口;當P3.21為低電平、P2.22為低電平時選中CH372 的數據端口。 [align=center] 圖2 USB和CAN總線接口電路設計[/align] 　　圖3為RTL8019以太網接口電路，以太網接口電路分為三部分組成：微控制器LPC2210和以太網接口芯片RTL8019以及網絡接口HR901170A。微控制器LPC2210通過控制RTL8019實現數據的發送、接收。RTL8019集成以太網控制器、介質訪問控制子層（MAC） 和物理層, 可以方便地設計成ISA總線的系統。另外, 它提供給微控制器簡單接口, 使微控制器只需要對其相關寄存器進行相應讀寫即可完成對以太網的操作，同時，它還具有與NE2000 兼容、軟件移植性好以及價格低廉等優點。 [align=center] 圖3 RTL8019以太網接口電路[/align] 　　電路設計為16位總線方式對RTL8019進行訪問，RTL8019的數據線SD0- SD15 與CPU 的P2.0- P2.15 連接, RTL8019工作在跳線模式，它選擇的端口I/O 基地址為300H，電路上SA6、SA7、SA10～SA19均接地，SA8、SA9接高電平，SA5與片選P3.23連接，當SA5為低電平，即選中芯片。讀寫信號線IORB、IOWB 分別接微處理器的讀寫信號線, RSTDRV為芯片復位引腳，接LPC2210的P0.6。RTL8019內置10BASE- T收發器, 所以網絡接口電路比較簡單,通過一個濾波器之后, 連接到HR90117A, 這是一個集成網絡變壓器的RJ45 接口, 使用該接口既節省了空間, 又增加了可靠性。 　　其他部分的設計電路有DS1232的看門狗電路,用于對LPC2210的上電復位，MAX232串口電平轉換電路,用于串口通訊，還有系統所用到的電源電路等。 4. 基于μC /OSII的實時多任務軟件設計 　　嵌入式實時操作系統μC /OSII是專為微控制器系統和軟件開發而設計的公開源代碼的搶占式實時多任務操作系統內核,是一段在嵌入式系統啟動后首先執行的背景程序,用戶的應用程序是運行于實時操作系統之上的各個任務，實時操作系統根據各個任務的要求，進行資源管理、消息管理、任務調度及異常處理等工作。對于對實時性和穩定性要求很高的數據采集系統來說,引入μC /OSII無疑將大大改善其性能。在實時系統中，每個任務均有一個優先級，實時系統根據各個任務的優先級，動態地切換各個任務，保證對實時性的要求。 　　智能網關軟件系統主程序流程圖如圖4，各個功能模塊可分為8個子任務，分別為串口發送、接收子任務，CAN總線數據發送、接收子任務，USB數據發送、接收子任務，以太網數據發送、接收子任務，設置其任務優先級串口發送子任務最低，以太網數據接收子任務最高，以信號量建立各個任務之間的聯系。主程序啟動后，初始化各個模塊，然后啟動各個子任務，以太網接收子任務實時等待上位機是否有數據發送給下位機，接收數據后根據收到的上位機指令設置相應信號量。USB發送子任務、CAN總線數據發送子任務以及串口通訊發送子任務實時接收設定的信號量，根據信號量的值確定是否將當前以太網接收到的數據發送到相應的下位機。USB接收子任務、CAN總線數據接收子任務以及串口通訊接收子任務實時等待下位機發送數據給上位機，當接收到數據時，設置相應信號量。以太網發送子任務實時判斷信號量，根據信號量的值將數據發送給上位機。通過本智能網關，確保將不同總線形式的數據與以太網之間實現轉換。 [align=center] 圖4 軟件系統主程序流程圖[/align] 　　基于實時多任務的用戶應用程序設計，不必同時考慮所有任務運行的各種可能交叉的情況，分別編寫各個子任務，不但大大減小程序編寫的工作量，而且減小出錯的可能性，保證最終程序具有高可靠性。 5. 結束語 　　本文的創新之處是：總結了前人工業網關的設計思想，提出了基于Arm的工業以太網智能網關的軟硬件設計，通過將儀器儀表與計算機網絡連接起來, 實現對儀表儀器的遠程采集和控制，有利于復雜工業現場多參數的集中監測。我們以5只油品帶CAN總線形式的含水儀以及10只串口通訊的流量儀表作為下位機，通過本文研制的工業以太網智能網關，系統間隔發送指令請求讀取下位機數據，然后將讀取的數據以TCP/IP方式發送到以太網上，在局域網的任何一臺PC機，鍵入智能網關的IP地址，即可觀察下位機的數據。該設計成本低、使用靈活, 將會有廣闊的市場前景。 參考文獻 　　[1] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M ].北京:北京航空航天大學出版社,2005. 　　[2] 呂昌泰,羅永剛.嵌入式以太網接口的研究與設計[J],微計算機信息,2006 年第22 卷第8-2 期,pp:68-30. 　　[3] 王軍波,鄒繼軍. USB總線與CAN總線協議轉換器設計[J]. 東華理工學院學報. 2006年9月第29卷第3期.pp:273-276.