摘 要: 本文設計了基于SX52BD網絡單片機的嵌入式控制器的硬件結構和相關軟件，設計了嵌入式控制器各功能模塊和相關接口電路（網絡通信接口電路和控制設備接口電路），本文設計的以太網嵌入式控制器是以SX52BD為核的新型“嵌入式WebServer”，除了編寫傳統的控制、通信軟件外，在基于以太網數據傳輸基礎上，將傳統Web功能融入控制器，給出相關的協議棧軟件設計、Java Applet客戶端的應用設計。以太網應用于工業控制系統是可行的。 關鍵字: 以太網; 控制器; 單片機; Web 1 引言 　　網絡控制系統又稱為控制網絡，基于網絡的控制系統經過近30年的發展，從原來基于模擬信號傳輸的控制系統DCS，發展到數字化、智能化、全分散的現場總線系統，給工業自動化帶來一場深層次的革命。隨著Intranet/Internet信息技術的飛速發展，現場總線新技術及應用成了科研人員關注的研究熱點，研究解決從現場控制層到管理層能實現全面的無縫信息集成，并提供全面開放的基本構架。本文對以太網分布式控制系統的重要接入設備：嵌入式控制器做了詳細設計。 2 硬件設計 　　整個控制器的硬件構成如圖1所示。 [align=center] 圖1 控制器硬件組成示意圖[/align] 　　整塊電路板由5V直流供電，它集成了速度達50MHz的SX52BD微處理器、24C256EEPROM芯片、RJ-45以太網接口，RS-232接口、RS-485接口、網頁內容下載DEBUG接口、以太網控制芯片采用RealTek公司的RTL8019AS，該芯片是一款全雙工以太網控制器，可以工作在Ethernet II和IEEE802.3, l0Base5, l0Base2, l0BaseT下，并與NE2000兼容。E2PROM主要用來存WEB頁面、圖像文件、PDF文檔等內容，因此沒有特殊要求，可自由選擇，一般32 KB左右即可，我們采用24C256芯片。SX52為核心芯片，通過它控制以太網控制芯片RTL8019AS，進而完成接入網絡的工作;而且可以通過編程來選擇通信電路類型，如RS232, RS485, MODEM等。該控制器設計最大的特點在于:用簡潔硬件構架應用平臺，使原本硬件成本所需的支出可用于相對復雜的軟件開發上，且該方案的I/O接口可以自由擴展和支配。應用程序放在Flash RAM或EEPROM里，其它要經常修改的參數和實時數據放在SRAM里。I/O采集的接口硬件電路和總線相連。 　　2.1 微處理器選型 　　SX52BD是SX系列產品，是采用CMOS工藝制造的、可配置的控制器。它的操作頻率可達到50/76/100MHz，是一種高速計算機;其大部分指令為單周期指令，運行速度可達到一般MCU的20倍;靈活的I/O特性使之具有高效的實時控制功能，正因為它的高速運行特性，設備可以用軟件模塊（虛擬外設）替代一部分過去由硬件實現的實時功能，這是SX系列的最重要的特點。下面是SX52BD的主要性能和特點： 　　① CPU性能。基于RISC結構，采用壓縮的指令系統，除branch外大部分為單周期指令;操作頻率最高可達100MHz，此時指令周期為lOns，內部中斷響應時間達30ns;可以通過運行時間內讀代碼（IREAD指令）進行快速平臺查找;它能克服一般MCU運行速度慢的缺點，使得SX系列的內部程序達到硬件實時控制功能的目的。 　　② 硬件外設特性。內部包含2個（帶8位預定標器的）16位定時器，運行方式有軟件時鐘模式、PWM模式、同步PWM/捕捉模式以及外部事件模式:有一個（帶8位預定標器的）可編程的8位定時/計數器（RTCC）和看門狗計時器（共享RTCC預定標器）;內部包含模擬比較器，這對于一般的應用來說顯得十分方便。 　　③ 由于SX系列高速運行特性，再加上靈活的I/O功能，設備就可以用軟件模塊（虛擬外設）代替那些硬件所具有的準確的實時功能。目前可以實現的虛擬外設大多用于通信設備（例如通信接口和Internet連接協議等）以及作為運行速度比較高的信號發生裝置和轉換裝置。 　　④ 編程和調試支持。可以通過串口或并口對芯片進行在線編程（例如可以接振蕩器引腳進行在線串行編程），芯片具有在線調試支持邏輯。對于實時仿真、全程調試，可以由第三工具供應商提供完備的開發環境。這些軟件支持包括:即時可用的虛擬外設模塊庫、虛擬外設綜合實例以及用于通信的應用工具包等。 　　SX設備在實際應用中能夠提供新的思路和解決辦法，一方面它可以應用于一些常規的設備，如:過程控制器、電子設備/工具、安全/監視系統、汽車用戶、動力控制系統、私人通信設備等等;另一方面，SX通信控制器為SX堆棧的硬件平臺，它能實現執行整個TCP/IP協議、物理層及其相關的高速通信層一虛擬外設模塊，它的網絡連接協議棧工具能使單片網絡服務器和E-mail設備在嵌入式場合中應用，這些工具包括TCP/IP網絡連接協議的物理層界面，利用這些工具可以開發出一些成本低廉的嵌入式Internet設備。 　　2.2 基于SX52BD的嵌入式控制器的主要單元電路設計 　　1、用SX52BD控制的執行器開關電路 [align=center] 圖2 電磁開關接口電路[/align] 　　現代自動化控制設備中都存在一個電子與電氣電路的互相聯結問題，一方面要使電子電路的控制信號能夠控制電氣電路的執行元件（電動機、電磁鐵、電燈等）;一方面又要為電子電路的電氣提供良好的電隔離，以保護電子電路和人身的安全，電子繼電器便能完成這一橋梁作用。圖2是控制器中直接用SX52BD控制工業電路的電器開關功能單元接口電路圖。RELAY_A接SX52BD的RA3引腳，控制器主板上共設計了四路控制開關電路，控制信號分別接SX52BD的RA0-RA3引腳。 　　2、以太網接入電路 　　要將嵌入式設備無縫接入以太網絡控制系統，首先要解決的問題之一就是與以太網的接口問題，如何將通用計算網絡接口器件應用于嵌入式網絡控制器。我們采用了臺灣Realtek公司生產的TRL8019AS以太網控制器，它具有極佳的性價比，由于其優良的性能、低廉的價格，使其在市場上10MPbs網卡中占有相當的比例。其主要性能包括:（l） 適應Ethemet11、IEEE802.3、10Base5、10Bases、10BaseT;（2） 支持8位、16位數據總線;（3） 全雙工，可同時達到10MbPs的收發速率，具有睡眠模式，以降低功耗;（4） 內置16KB的SRAM，用于收發緩沖，降低對主處理器的速度要求;（5） 可連接同軸電纜和雙絞線，可自動檢測所連接的介質;（6） 100腳的TQFP封裝，減小了PCB尺寸。 　　3、與以太網通信的RS-485串行通信接口 　　RS-485總線以其抗干擾能力強、支持多節點遠距離通信和高接收靈敏度以及連線簡單等優點在控制領域得到了廣泛應用。監控系統使用基于RS-485總線構成的分布監控方式，能夠完成在惡劣的現場環境中的多種監測控制功能。 　　SX52BD處理器同時具有控制和通信的功能。正因為SX52BD嵌入式以太網控制模塊同時具備以太網的通信、RS-485串行通信以及數據運算處理能力，可以利用其作為RS -485與工業以太網的通信轉換節點。節點的作用就是將工業現場的傳感器或執行器的信號轉換為能在工業以太網上進行發送的數據包，從而與現場的其他節點直接進行通信，最終使TCP/IP協議能工作在控制系統的現場設備層。 　　RS-485通信接口電路的總體結構框圖如圖3所示。SX52BD嵌入式以太網控制模塊雖然內部支持RS-485的串行通信格式，但模塊上沒有RS-485的驅動電路，所以在控制器的模板上我們自己建立了驅動電路。本方案選用了性能較好的接口驅動芯片MAX485。MAX485為8個管腳，DIP封裝，1腳RO為數據接收端;2腳RE為數據接收允許端，低電平有效;3腳DE為數據發送允許端;6、7腳為電流環回路端;它把一個三態差分線路驅動器和一個差分線路接收器組合在一起，并共用A、B兩根總線。它的傳輸方向由DE和RE所控制，當DE=1時，驅動器優先，可進行數據發送，此時接收器呈高阻狀態;RE=0時，接收器優先，可進行數據接收，此時驅動器呈高阻狀態。 [align=center] 圖3 RS-485接口驅動電路框圖[/align] 　　4、采用光電隔離設計的數字量輸入輸出電路 　　整個嵌入式控制器我們設計了數字量輸出和數字量輸入。嵌入式微處理器是一個數字信號處理系統，它給出的控制量就是一個數字量。為了防止工業現場強電磁干擾或工頻電壓通過輸入輸出通道串入測控系統，一般要將整個控制器與外設隔離開來，即需要采用隔離技術。在數字隔離技術中，最常用的隔離手段是使用光電隔離器，因為光信號的傳送不受電場、磁場的影響，能有效地隔離信號的干擾。光電隔離器把發光器件和光敏器件組裝在一起通過光實現藕合，構成電-光-電轉換的器件，當在發光管兩端加一定電壓時，放光管通過一定的電流而發光，該光信號經光敏器件接收后又轉為電信號。光電隔離器輸入端與輸出端之間的聯系是通過“光”來實現的，所以光電隔離能實現較好的電氣隔離。 3 以太網嵌入式控制器的軟件設計 　　嵌入式控制器內的主控程序采用SASM匯編語言編寫，SX系列共有65條指令，其中基本指令57條，等效指令8條。系統的開發還采用了UBICOM公司提供的匯編/編程器軟件“SXKEY52.EXE”，實現軟件在線仿真、調試和程序SIP方式編程下載。客戶端軟件采用HTML語言和Java Applet設計。 　　3.1 網絡協議棧的軟件設計 　　當數據包通過RJ-45接口傳送到RTL8019As和MCU后，系統內部的TCP/IP堆棧進行數據包解析和流向判斷，然后進行解包或者打包的動作，以繼續進行后續工作。顯然，最終的處理結果都要通過WebServer來進行。 　　通常，所謂的TCP/IP協議是一個四層協議系統，包括數據鏈路層、網絡層（含IP協議）、傳輸層（含TCP協議）和應用層，每一層負責不同的功能。基于TCP/IP協議可以實現多種功能應用。在我們設計的系統中，主要是分析HTTP，也就是WebServer在應用層的主要構成協議。其它的協議功能的實現就不再分析了。PI包含編址方案，并提供尋址功能;TCP則是在不同主機的對等進程之間提供可靠的進程間通信。與TCP兩端口所連接的實體中，一端為應用程序進程或用戶，另一端則為底層協議，如IP協議。TCP在建立連接過程中采用三次握手機制，以保證數據的可靠性。利用提供的TCP/IP協議包，可以輕松建立起TCP/IP通信。當通信建立以后，就可以在此基礎上進行后續的進一步應用功能擴展。 　　3.2 RS-485接入以太網的軟件設計 　　嵌入式控制器把傳感器的RS-485通信格式數據轉換為工業以太網接收的TCP/IP協議格式的數據包，可以通過兩個實時的任務運行實現。一個任務是模塊從RS-485串行口讀取來自傳感器的數據:另一任務則是將模塊獲得的數據從以太網接口發送到需要數據的其他網絡節點，它們通過共享數據緩存區實現數據交換。 　　3.3 Java Applet在客戶端的應用 　　Applet是運行在瀏覽器上的Java程序。它不能獨立運行，它的字節碼文件必須嵌入到另一種語言HTML的文件中，并由瀏覽器采用調用Applet方法來解釋執行，Java Applet字節碼程序可以完成特殊的Applet任務。本系統客戶端軟件實際上就是Java Applet的一個應用，用戶界面的內容可以由Applet來實現。 　　可以通過控制界面顯示控制參數的開關狀態，并通過控制面板的選取控制系統，并進行查詢。客戶端與服務器通信過程通過創建socket來實現。Socket類和ServerSocket類是用Java實現Socket通信的主要工具。創建一個ServerSocket對象就創建了一個監聽服務，創建一個Socket對象就建立一個Client與Server間的連接。用下面的語句創建一個ServerSocket類，同時在運行該語句的控制器的指定端口外建立一個監聽服務: 　　ServerSocket MyListener = new ServerSocket（8000）; 　　為了隨時監聽可能的Client請求，還應該執行如下的語句: 　　Socket LinkSocket = MyListener. accept（）; 　　當Client程序需要從Server端獲取信息及其他服務時，創建一個Socket對象: 　　Socket MySocket = new Socket（“SevrerComPuterName”，8000）; 　　本文作者創新點：在本嵌入式控制器中，嵌入式控制器的設計包括硬、軟件兩部分設計，向上與計算機通信，設計了RJ-45接口、存儲器接口等，向下與控制設備通信，設計了相應RS-232接口、RS-485接口、電磁控制開關接口等。客戶計算機上只要有SQL SERVER，SOCKET，EXPLORER等即可與嵌入式控制器通信，而嵌入式控制器上有WebServer，SOCKET，系統軟件網頁服務器程序等。 參考文獻: 　　[1] 葛永明，林繼寶.嵌入式系統以太網接口的設計[J].電子技術應用，2002，（3），17-19 　　[2] 王化祥，林慧.工業控制和應用現狀和發展趨勢[J].世界儀表與自動化，2003.10:43-45 　　[3] 馮冬芹，金建祥，褚健.淺談以太網應用于工業現場的關鍵技術[J].世界儀表與自動化，2002，6（4）:8-13 　　[4] 董小國,王蓉. 基于Web的中水遠程監控系統的設計與實現[J]. 微計算機信息, 2006, 12-1: 86-88 　　[5] 隋運峰,劉一博,謝意,周建鴻.TCP在有線電視網絡中的問題和解決方法[J].微計算機信息, 4-3:141-143 　　[6] ARM7TDMI （Rev4） Technical 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