摘 要: 本文設(shè)計(jì)了基于SX52BD網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)的嵌入式控制器的硬件結(jié)構(gòu)和相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)了嵌入式控制器各功能模塊和相關(guān)接口電路（網(wǎng)絡(luò)通信接口電路和控制設(shè)備接口電路），本文設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)嵌入式控制器是以SX52BD為核的新型“嵌入式WebServer”，除了編寫傳統(tǒng)的控制、通信軟件外，在基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)Web功能融入控制器，給出相關(guān)的協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì)、Java Applet客戶端的應(yīng)用設(shè)計(jì)。以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)是可行的。 關(guān)鍵字: 以太網(wǎng); 控制器; 單片機(jī); Web 1 引言 　　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)又稱為控制網(wǎng)絡(luò)，基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，從原來(lái)基于模擬信號(hào)傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)DCS，發(fā)展到數(shù)字化、智能化、全分散的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，給工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)一場(chǎng)深層次的革命。隨著Intranet/Internet信息技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線新技術(shù)及應(yīng)用成了科研人員關(guān)注的研究熱點(diǎn)，研究解決從現(xiàn)場(chǎng)控制層到管理層能實(shí)現(xiàn)全面的無(wú)縫信息集成，并提供全面開放的基本構(gòu)架。本文對(duì)以太網(wǎng)分布式控制系統(tǒng)的重要接入設(shè)備：嵌入式控制器做了詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2 硬件設(shè)計(jì) 　　整個(gè)控制器的硬件構(gòu)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(dá)50MHz的SX52BD微處理器、24C256EEPROM芯片、RJ-45以太網(wǎng)接口，RS-232接口、RS-485接口、網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容下載DEBUG接口、以太網(wǎng)控制芯片采用RealTek公司的RTL8019AS，該芯片是一款全雙工以太網(wǎng)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(lái)存WEB頁(yè)面、圖像文件、PDF文檔等內(nèi)容，因此沒(méi)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(guò)它控制以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，進(jìn)而完成接入網(wǎng)絡(luò)的工作;而且可以通過(guò)編程來(lái)選擇通信電路類型，如RS232, RS485, MODEM等。該控制器設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)在于:用簡(jiǎn)潔硬件構(gòu)架應(yīng)用平臺(tái)，使原本硬件成本所需的支出可用于相對(duì)復(fù)雜的軟件開發(fā)上，且該方案的I/O接口可以自由擴(kuò)展和支配。應(yīng)用程序放在Flash RAM或EEPROM里，其它要經(jīng)常修改的參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)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(chǎn)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(dá)到50/76/100MHz，是一種高速計(jì)算機(jī);其大部分指令為單周期指令，運(yùn)行速度可達(dá)到一般MCU的20倍;靈活的I/O特性使之具有高效的實(shí)時(shí)控制功能，正因?yàn)樗母咚龠\(yùn)行特性，設(shè)備可以用軟件模塊（虛擬外設(shè)）替代一部分過(guò)去由硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)功能，這是SX系列的最重要的特點(diǎn)。下面是SX52BD的主要性能和特點(diǎn)： 　?、?CPU性能?；赗ISC結(jié)構(gòu)，采用壓縮的指令系統(tǒng)，除branch外大部分為單周期指令;操作頻率最高可達(dá)100MHz，此時(shí)指令周期為lOns，內(nèi)部中斷響應(yīng)時(shí)間達(dá)30ns;可以通過(guò)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)讀代碼（IREAD指令）進(jìn)行快速平臺(tái)查找;它能克服一般MCU運(yùn)行速度慢的缺點(diǎn)，使得SX系列的內(nèi)部程序達(dá)到硬件實(shí)時(shí)控制功能的目的。 　?、?硬件外設(shè)特性。內(nèi)部包含2個(gè)（帶8位預(yù)定標(biāo)器的）16位定時(shí)器，運(yùn)行方式有軟件時(shí)鐘模式、PWM模式、同步PWM/捕捉模式以及外部事件模式:有一個(gè)（帶8位預(yù)定標(biāo)器的）可編程的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（RTCC）和看門狗計(jì)時(shí)器（共享RTCC預(yù)定標(biāo)器）;內(nèi)部包含模擬比較器，這對(duì)于一般的應(yīng)用來(lái)說(shuō)顯得十分方便。 　　③ 由于SX系列高速運(yùn)行特性，再加上靈活的I/O功能，設(shè)備就可以用軟件模塊（虛擬外設(shè)）代替那些硬件所具有的準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)功能。目前可以實(shí)現(xiàn)的虛擬外設(shè)大多用于通信設(shè)備（例如通信接口和Internet連接協(xié)議等）以及作為運(yùn)行速度比較高的信號(hào)發(fā)生裝置和轉(zhuǎn)換裝置。 　?、?編程和調(diào)試支持。可以通過(guò)串口或并口對(duì)芯片進(jìn)行在線編程（例如可以接振蕩器引腳進(jìn)行在線串行編程），芯片具有在線調(diào)試支持邏輯。對(duì)于實(shí)時(shí)仿真、全程調(diào)試，可以由第三工具供應(yīng)商提供完備的開發(fā)環(huán)境。這些軟件支持包括:即時(shí)可用的虛擬外設(shè)模塊庫(kù)、虛擬外設(shè)綜合實(shí)例以及用于通信的應(yīng)用工具包等。 　　SX設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中能夠提供新的思路和解決辦法，一方面它可以應(yīng)用于一些常規(guī)的設(shè)備，如:過(guò)程控制器、電子設(shè)備/工具、安全/監(jiān)視系統(tǒng)、汽車用戶、動(dòng)力控制系統(tǒng)、私人通信設(shè)備等等;另一方面，SX通信控制器為SX堆棧的硬件平臺(tái)，它能實(shí)現(xiàn)執(zhí)行整個(gè)TCP/IP協(xié)議、物理層及其相關(guān)的高速通信層一虛擬外設(shè)模塊，它的網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議棧工具能使單片網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和E-mail設(shè)備在嵌入式場(chǎng)合中應(yīng)用，這些工具包括TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議的物理層界面，利用這些工具可以開發(fā)出一些成本低廉的嵌入式Internet設(shè)備。 　　2.2 基于SX52BD的嵌入式控制器的主要單元電路設(shè)計(jì) 　　1、用SX52BD控制的執(zhí)行器開關(guān)電路 [align=center] 圖2 電磁開關(guān)接口電路[/align] 　　現(xiàn)代自動(dòng)化控制設(shè)備中都存在一個(gè)電子與電氣電路的互相聯(lián)結(jié)問(wèn)題，一方面要使電子電路的控制信號(hào)能夠控制電氣電路的執(zhí)行元件（電動(dòng)機(jī)、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(hù)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(yè)電路的電器開關(guān)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(shè)計(jì)了四路控制開關(guān)電路，控制信號(hào)分別接SX52BD的RA0-RA3引腳。 　　2、以太網(wǎng)接入電路 　　要將嵌入式設(shè)備無(wú)縫接入以太網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，首先要解決的問(wèn)題之一就是與以太網(wǎng)的接口問(wèn)題，如何將通用計(jì)算網(wǎng)絡(luò)接口器件應(yīng)用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器。我們采用了臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的TRL8019AS以太網(wǎng)控制器，它具有極佳的性價(jià)比，由于其優(yōu)良的性能、低廉的價(jià)格，使其在市場(chǎng)上10MPbs網(wǎng)卡中占有相當(dāng)?shù)谋壤Ｆ渲饕阅馨?（l） 適應(yīng)Ethemet11、IEEE802.3、10Base5、10Bases、10BaseT;（2） 支持8位、16位數(shù)據(jù)總線;（3） 全雙工，可同時(shí)達(dá)到10MbPs的收發(fā)速率，具有睡眠模式，以降低功耗;（4） 內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對(duì)主處理器的速度要求;（5） 可連接同軸電纜和雙絞線，可自動(dòng)檢測(cè)所連接的介質(zhì);（6） 100腳的TQFP封裝，減小了PCB尺寸。 　　3、與以太網(wǎng)通信的RS-485串行通信接口 　　RS-485總線以其抗干擾能力強(qiáng)、支持多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信和高接收靈敏度以及連線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)在控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。監(jiān)控系統(tǒng)使用基于RS-485總線構(gòu)成的分布監(jiān)控方式，能夠完成在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的多種監(jiān)測(cè)控制功能。 　　SX52BD處理器同時(shí)具有控制和通信的功能。正因?yàn)镾X52BD嵌入式以太網(wǎng)控制模塊同時(shí)具備以太網(wǎng)的通信、RS-485串行通信以及數(shù)據(jù)運(yùn)算處理能力，可以利用其作為RS -485與工業(yè)以太網(wǎng)的通信轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的作用就是將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器或執(zhí)行器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為能在工業(yè)以太網(wǎng)上進(jìn)行發(fā)送的數(shù)據(jù)包，從而與現(xiàn)場(chǎng)的其他節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信，最終使TCP/IP協(xié)議能工作在控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。 　　RS-485通信接口電路的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。SX52BD嵌入式以太網(wǎng)控制模塊雖然內(nèi)部支持RS-485的串行通信格式，但模塊上沒(méi)有RS-485的驅(qū)動(dòng)電路，所以在控制器的模板上我們自己建立了驅(qū)動(dòng)電路。本方案選用了性能較好的接口驅(qū)動(dòng)芯片MAX485。MAX485為8個(gè)管腳，DIP封裝，1腳RO為數(shù)據(jù)接收端;2腳RE為數(shù)據(jù)接收允許端，低電平有效;3腳DE為數(shù)據(jù)發(fā)送允許端;6、7腳為電流環(huán)回路端;它把一個(gè)三態(tài)差分線路驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)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(dāng)DE=1時(shí)，驅(qū)動(dòng)器優(yōu)先，可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，此時(shí)接收器呈高阻狀態(tài);RE=0時(shí)，接收器優(yōu)先，可進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器呈高阻狀態(tài)。 [align=center] 圖3 RS-485接口驅(qū)動(dòng)電路框圖[/align] 　　4、采用光電隔離設(shè)計(jì)的數(shù)字量輸入輸出電路 　　整個(gè)嵌入式控制器我們?cè)O(shè)計(jì)了數(shù)字量輸出和數(shù)字量輸入。嵌入式微處理器是一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，它給出的控制量就是一個(gè)數(shù)字量。為了防止工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過(guò)輸入輸出通道串入測(cè)控系統(tǒng)，一般要將整個(gè)控制器與外設(shè)隔離開來(lái)，即需要采用隔離技術(shù)。在數(shù)字隔離技術(shù)中，最常用的隔離手段是使用光電隔離器，因?yàn)楣庑盘?hào)的傳送不受電場(chǎng)、磁場(chǎng)的影響，能有效地隔離信號(hào)的干擾。光電隔離器把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起通過(guò)光實(shí)現(xiàn)藕合，構(gòu)成電-光-電轉(zhuǎn)換的器件，當(dāng)在發(fā)光管兩端加一定電壓時(shí)，放光管通過(guò)一定的電流而發(fā)光，該光信號(hào)經(jīng)光敏器件接收后又轉(zhuǎn)為電信號(hào)。光電隔離器輸入端與輸出端之間的聯(lián)系是通過(guò)“光”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以光電隔離能實(shí)現(xiàn)較好的電氣隔離。 3 以太網(wǎng)嵌入式控制器的軟件設(shè)計(jì) 　　嵌入式控制器內(nèi)的主控程序采用SASM匯編語(yǔ)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(tǒng)的開發(fā)還采用了UBICOM公司提供的匯編/編程器軟件“SXKEY52.EXE”，實(shí)現(xiàn)軟件在線仿真、調(diào)試和程序SIP方式編程下載?？蛻舳塑浖捎肏TML語(yǔ)言和Java Applet設(shè)計(jì)。 　　3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的軟件設(shè)計(jì) 　　當(dāng)數(shù)據(jù)包通過(guò)RJ-45接口傳送到RTL8019As和MCU后，系統(tǒng)內(nèi)部的TCP/IP堆棧進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析和流向判斷，然后進(jìn)行解包或者打包的動(dòng)作，以繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)工作。顯然，最終的處理結(jié)果都要通過(guò)WebServer來(lái)進(jìn)行。 　　通常，所謂的TCP/IP協(xié)議是一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層（含IP協(xié)議）、傳輸層（含TCP協(xié)議）和應(yīng)用層，每一層負(fù)責(zé)不同的功能?；赥CP/IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)多種功能應(yīng)用。在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，主要是分析HTTP，也就是WebServer在應(yīng)用層的主要構(gòu)成協(xié)議。其它的協(xié)議功能的實(shí)現(xiàn)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(jī)的對(duì)等進(jìn)程之間提供可靠的進(jìn)程間通信。與TCP兩端口所連接的實(shí)體中，一端為應(yīng)用程序進(jìn)程或用戶，另一端則為底層協(xié)議，如IP協(xié)議。TCP在建立連接過(guò)程中采用三次握手機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。利用提供的TCP/IP協(xié)議包，可以輕松建立起TCP/IP通信。當(dāng)通信建立以后，就可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的進(jìn)一步應(yīng)用功能擴(kuò)展。 　　3.2 RS-485接入以太網(wǎng)的軟件設(shè)計(jì) 　　嵌入式控制器把傳感器的RS-485通信格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)接收的TCP/IP協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包，可以通過(guò)兩個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。一個(gè)任務(wù)是模塊從RS-485串行口讀取來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù):另一任務(wù)則是將模塊獲得的數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)接口發(fā)送到需要數(shù)據(jù)的其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，它們通過(guò)共享數(shù)據(jù)緩存區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 　　3.3 Java Applet在客戶端的應(yīng)用 　　Applet是運(yùn)行在瀏覽器上的Java程序。它不能獨(dú)立運(yùn)行，它的字節(jié)碼文件必須嵌入到另一種語(yǔ)言HTML的文件中，并由瀏覽器采用調(diào)用Applet方法來(lái)解釋執(zhí)行，Java Applet字節(jié)碼程序可以完成特殊的Applet任務(wù)。本系統(tǒng)客戶端軟件實(shí)際上就是Java Applet的一個(gè)應(yīng)用，用戶界面的內(nèi)容可以由Applet來(lái)實(shí)現(xiàn)。 　　可以通過(guò)控制界面顯示控制參數(shù)的開關(guān)狀態(tài)，并通過(guò)控制面板的選取控制系統(tǒng)，并進(jìn)行查詢?？蛻舳伺c服務(wù)器通信過(guò)程通過(guò)創(chuàng)建socket來(lái)實(shí)現(xiàn)。Socket類和ServerSocket類是用Java實(shí)現(xiàn)Socket通信的主要工具。創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket對(duì)象就創(chuàng)建了一個(gè)監(jiān)聽(tīng)服務(wù)，創(chuàng)建一個(gè)Socket對(duì)象就建立一個(gè)Client與Server間的連接。用下面的語(yǔ)句創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket類，同時(shí)在運(yùn)行該語(yǔ)句的控制器的指定端口外建立一個(gè)監(jiān)聽(tīng)服務(wù): 　　ServerSocket MyListener = new ServerSocket（8000）; 　　為了隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)可能的Client請(qǐng)求，還應(yīng)該執(zhí)行如下的語(yǔ)句: 　　Socket LinkSocket = MyListener. accept（）; 　　當(dāng)Client程序需要從Server端獲取信息及其他服務(wù)時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)Socket對(duì)象: 　　Socket MySocket = new Socket（“SevrerComPuterName”，8000）; 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在本嵌入式控制器中，嵌入式控制器的設(shè)計(jì)包括硬、軟件兩部分設(shè)計(jì)，向上與計(jì)算機(jī)通信，設(shè)計(jì)了RJ-45接口、存儲(chǔ)器接口等，向下與控制設(shè)備通信，設(shè)計(jì)了相應(yīng)RS-232接口、RS-485接口、電磁控制開關(guān)接口等?？蛻粲?jì)算機(jī)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(tǒng)軟件網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器程序等。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 葛永明，林繼寶.嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，（3），17-19 　　[2] 王化祥，林慧.工業(yè)控制和應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].世界儀表與自動(dòng)化，2003.10:43-45 　　[3] 馮冬芹，金建祥，褚健.淺談以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].世界儀表與自動(dòng)化，2002，6（4）:8-13 　　[4] 董小國(guó),王蓉. 基于Web的中水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006, 12-1: 86-88 　　[5] 隋運(yùn)峰,劉一博,謝意,周建鴻.TCP在有線電視網(wǎng)絡(luò)中的問(wèn)題和解決方法[J].微計(jì)算機(jī)信息, 4-3:141-143 　　[6] ARM7TDMI （Rev4） Technical Reference Manual. 　　[EB/OL].http://www.arm.com/pdfs/DDI0210B_7TDMI_R4.pdf 　　[7] 顧詠楓, 陳章龍.嵌入式Linux 裁剪方法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2003.24（9）：1697-1700 　　[8] 俞建新等.嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)綜合實(shí)驗(yàn)9例[M].北京：清華大學(xué)出版社.2006