且有較好的傳輸特性，在工控設(shè)備中得到廣泛使用。隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在一些應(yīng)用場景中，需要將串行設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。因此，需要尋求一種方案，用來解決串行設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)問題。 本文設(shè)計了串口與網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在串口與網(wǎng)絡(luò)間透明傳輸。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鏈路與 行鏈路之間的通信數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換與傳輸 ， 對來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀進行判斷，轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)發(fā)送到串行設(shè)備上；處理來自串行設(shè)備的數(shù)據(jù)流，將其格式轉(zhuǎn)換為在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀。針對工控設(shè)備的實際需求 ， 本文 在 設(shè)計了系統(tǒng)總體方案 ， 以實現(xiàn)在 路與網(wǎng)絡(luò)接口之間進行數(shù)據(jù)傳輸 。 在應(yīng)用程序設(shè)計中，設(shè)計了數(shù)據(jù)通信和參數(shù)配置兩個模塊。數(shù)據(jù)通信模塊中，在串口與網(wǎng)口間實現(xiàn)透明傳輸 ； 在程序設(shè)計時采用信號量的同步機制 ， 實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時通信 。參數(shù)配置模塊移植 務(wù)器 ， 通過 序設(shè)計 ， 生成動態(tài)頁面 。 用戶通過瀏覽器在地址欄輸入 務(wù)器的 轉(zhuǎn)接器進行管理，遠(yuǎn)程進行系統(tǒng)的參數(shù)配置 。最后對系統(tǒng)的功能 、 性能進行了測試 。 本文設(shè)計的轉(zhuǎn)換器成本低廉 、 功能完善 、性能優(yōu)異，可滿足工控設(shè)備的應(yīng)用需求。關(guān)鍵字： 嵌入式； to is of so in As of in to to we to to a of of to so be on of of on of an so as to In In we in In is so GI in is EB s IP in of s in In we as as of . 選題背景與研究意義 . (1)內(nèi)外現(xiàn)狀分析 .(1)節(jié)安排 .(3)求分析 .(4)案設(shè)計 .(5)章小結(jié) .(9)件平臺 .(10)理及操作 . (13)行通信操作 .(15)章小結(jié) .(18)述 .(19)據(jù)通信 .(19)數(shù)配置 .(26)程間通信 .(32)章小結(jié) .(34)能測試 .(35)能測試 .(38)6總結(jié)與展望.(41)致謝. (42)參考文獻.(43)物 聯(lián)網(wǎng) ” 是 繼互聯(lián) 網(wǎng)之后 偉大的 技術(shù)創(chuàng) 新，它 將對現(xiàn) 有的產(chǎn) 業(yè)格局 形成顛 覆性 的沖擊 ,也 將成為 2 1 世 紀(jì) “ 后 ” 發(fā)展 的新引 擎 1 。 很多企 業(yè)已經(jīng) 達成了對 “讓全部設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò) ”這一觀點的廣泛認(rèn)同 。 為了能跟上信息化的步伐 ， 保持企 業(yè)的競 爭優(yōu)勢 ，必須 建立高 品位的 數(shù)據(jù)采 集、便 捷的生 產(chǎn)監(jiān)控 、及時 可靠的 聯(lián)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)。 在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中，有大量的傳感器、采集卡、讀卡器等設(shè)備，彼此相互連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)2 。由于 2 串行通信容易實現(xiàn)與維護，其應(yīng)用較為廣泛。 2 串口是工業(yè)生產(chǎn)的普遍接口，而很多儀表儀器只具有串行 2 接口 ，沒有網(wǎng)絡(luò)接口 ， 不能直接聯(lián)網(wǎng) 。 另外 ， 2 串行通信的數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離還不能完全滿足工控設(shè)備的需求。然而，串口使用已經(jīng)非常廣泛，短時間內(nèi)不會淘 汰。因此，目前應(yīng)該解決的問題是：在現(xiàn)有串口設(shè)備特性的條件下提高串口設(shè)備的傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸率及保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?3 。隨 著互聯(lián) 網(wǎng)技術(shù) 的迅猛 發(fā)展， 計算機 網(wǎng)絡(luò)采 用了分 組交換 技術(shù)及 開放 互聯(lián)參 考模型 ）的架 構(gòu)，使 得數(shù)據(jù) 通信更 加便利 。不同 硬件、 不同操 作系統(tǒng) 之間的 息交換 4 。如果串口設(shè)備能夠接入 通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸 ， 其通信距離 、 數(shù)據(jù)傳輸速率也將得到很大的改善，同時 簡化布線復(fù)雜度 。本課題正是在此背景下，設(shè)計了基于 嵌入式 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接系統(tǒng) ，在 2 串口 與網(wǎng)絡(luò) 之間的 進行數(shù) 據(jù)交換 ，并通 過網(wǎng)絡(luò) 遠(yuǎn)程管 理、控 制設(shè)備 ，以滿足嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化的需求。 2 串口 以太網(wǎng)接口與 來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀進行判斷，轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)發(fā)送到串行設(shè)備上； 處理來自串行設(shè)備的數(shù)據(jù)流，將其格式轉(zhuǎn)換為在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀 5。 現(xiàn)有 的 2 串口設(shè)備接入該轉(zhuǎn)換器 ， 使串口設(shè)備立即聯(lián)網(wǎng) ， 可以充分利用 前，國內(nèi)外越來越多的公司及其科研機構(gòu)關(guān)注了這一課題，并進行了相關(guān)的研究。 市場上主流的 2 串口 /2 /4 /8 /1 6 /3 2 個 2 串口和一個以太網(wǎng)接口，支持 口和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可通過網(wǎng)頁、 6。美 國 研制 的 串口設(shè) 備聯(lián)網(wǎng) 轉(zhuǎn) 換 器 為串口 設(shè)備提 供了全 面的網(wǎng) 絡(luò)連接 功能7。 這些功能包括 具有 可靠的 遠(yuǎn)程管理能力 、 網(wǎng)絡(luò)接口和串行接口以及 0 0 系 列 核心 模 塊 還 支 持 3 2 個 可 配置 的 I/ 個 串 行端 口 ， 來 實現(xiàn)設(shè)備連接和控制 。 核心模塊采用了 且提供免費的 處理器主頻為 2 0 0 4 提供對 D/武漢波仕公司在 2 0 1 1 年 4 月 2 5 日 ， 發(fā)布了 2 L 為 2設(shè) 備移動 聯(lián)網(wǎng)開 拓了新 領(lǐng)域， 免除了 布線的 工作， 增加串 口設(shè)備 聯(lián)網(wǎng)的 靈活性 ，將 串口設(shè)備帶入了移動互聯(lián)的新時代8。采用 2 b/g 技術(shù)，通過現(xiàn)有無線 串 口設(shè) 備 隨時 隨 地， 靈 活機 動 的聯(lián) 網(wǎng) 。 無 線 過 兩兩 互 聯(lián)，也可通過 使 2 串口與 臺 灣 于 2 0 1 1 年 1 1 月 1 4 日 推 出 了 5 8 系 列 交 換 型 串 口 設(shè)備 聯(lián)網(wǎng)服 務(wù)器， 攜 帶 8 個 以太網(wǎng) 口和 4 個 串口 ， 集 合了交 換機和 串口聯(lián) 網(wǎng)的功 能，支持 9 。 可滿足 工業(yè)控制設(shè)備的 安全需 求 ， 提供 電 源、網(wǎng) 口和串 口的浪 涌保護 ，防止 電壓變 化引發(fā) 的設(shè)備 損壞。提 供 高 等級的 1 5 ，防 止靜電 引發(fā)的 設(shè)備損 壞。支 持寬溫 ，可在 8 5 的 環(huán) 境 下 可 靠 穩(wěn) 定 的 運 行 可 以 在 串 口 和 以 太 網(wǎng) 口 之 間 進 行 雙 向 數(shù) 據(jù) 傳 輸 ， 并 提 供 流 操 作 系 統(tǒng) 下 程 序 來 完 整 地 傳 輸 所 有 的 串口數(shù)據(jù)。 市場上的串口 6 位處理器，價格較高，并且功能方面也不完善 1 0 ； 轉(zhuǎn)接器是在傳輸層對串口數(shù)據(jù)進行打包 ， 不易實現(xiàn)串口 與網(wǎng)絡(luò)透明傳輸 ；沒有實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對接。因此，設(shè)計具有完善功能且性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)換器將會有很大的市 場前景。 嵌入式 包括 開發(fā)環(huán)境的搭建 。 經(jīng)過方案設(shè)計 、 優(yōu)化與反復(fù)調(diào)試 ， 在 之間 的數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換與 傳輸， 并在一 對 實現(xiàn) 了串口 ，網(wǎng)絡(luò) 對接， 通過瀏覽器對設(shè)備進行參數(shù)配置。具體章節(jié)安排如下 :第一章 首先提出了嵌入式串口與網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)出現(xiàn)的背景 ， 接著描述了該轉(zhuǎn)接系統(tǒng)在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，最后介紹的是本論文研究的主要內(nèi)容和章節(jié)安排。 第二章 針對系統(tǒng)的功能 、 性能分析 ， 設(shè)計系統(tǒng)的總體框架 ， 論證并確立了系統(tǒng)的總體方案、軟硬件選型。 第 三 章 簡 要 介 紹 下 系 統(tǒng) 的 硬 件 平 臺 ， 及 數(shù) 據(jù) 鏈 路 層 捕 獲 函 數(shù) 庫 的 使 用 ， 討 論四章 為系統(tǒng)的軟件設(shè)計 ， 主要論述了數(shù)據(jù)通信 、 參數(shù)配置和進程間交互模塊處理過程。 第五章 對系統(tǒng)進行測試。第六章 全文總結(jié)展望 ， 對該協(xié)議轉(zhuǎn)接器的研究與開發(fā)做了全文總結(jié)并提出后續(xù)的研究方向。4華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2 2 2 2 出了系統(tǒng)的應(yīng)用場景 ， 嵌入式串口 2 串口與串行終端設(shè)備交換數(shù)據(jù) ， 通過網(wǎng)絡(luò)端與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連接 。 系統(tǒng)對 根據(jù)接收標(biāo)志 ， 篩選來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀 ，轉(zhuǎn)換 成串行 數(shù)據(jù)發(fā) 送到串 行終端 設(shè)備接 口上1 1 ；處 理來自 串 行設(shè) 備的數(shù) 據(jù)流， 將其格 式 轉(zhuǎn) 換 為 在 網(wǎng) 絡(luò) 中 傳 輸 的 數(shù) 據(jù) 幀 。 系 統(tǒng) 在 無 線 環(huán) 境 下 也 可 進 行 轉(zhuǎn) 發(fā) 和 接 收 。圖 2 接器 的應(yīng)用場 景通過嵌入式串口 有的串行設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，對串口數(shù)據(jù)流進行打 包1 2 。 在數(shù) 據(jù) 鏈路 層 提供 雙 向透 明 傳輸 ， 處理 來 自串 行 設(shè)備 的 數(shù)據(jù) 流 轉(zhuǎn)換 為 網(wǎng)絡(luò)中傳播的數(shù)據(jù)幀。串口 具體的應(yīng)用數(shù)據(jù)內(nèi)容無關(guān)。本 系統(tǒng)可 實現(xiàn) 2 個 串口終 端設(shè)備 同時、 獨立的 與以太 網(wǎng)進行 數(shù)據(jù)通 信傳輸 ，非常具有市場價值。提供兩個網(wǎng)絡(luò)接口：一個是以太網(wǎng)接口，另一個是連接 統(tǒng)的主要功能如下 : 系統(tǒng)負(fù)責(zé)串口，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸 支持全雙工、可靠的數(shù)據(jù)傳輸 串口、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)可通過 可以設(shè)置接收限制標(biāo)志，來接收特定端口的數(shù)據(jù) 可對串口狀態(tài)或網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行監(jiān)控 網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 議 ： 支 持 網(wǎng)絡(luò)連接 :采用局域網(wǎng)內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，接入因特網(wǎng) 支持 對接 :不經(jīng) 過 通過兩 個轉(zhuǎn)接 器對等 連接， 數(shù)據(jù)在 兩端可 進行透 明傳輸系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)： 操作溫度 : 至 +6 5 攝氏度 電源 : +5 串口 :2 個 2 接口 串口信號： 支持常用波特率，最高速率為 2 3 0 4 0 0 串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)的最大延時為接收 1 0 0 字節(jié)的串口數(shù)據(jù)所需的時間 1 3 網(wǎng)口支持 1 0 線網(wǎng)卡的最大傳輸速率可達 5 4 需要對系統(tǒng)的總體解決方案進行設(shè)計 。 在硬件設(shè)計上 ，需要在滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)上選擇合適的硬件芯片和外圍電路 ;在軟件設(shè)計上，需要選擇 可靠且 易于開 發(fā)的實 時操作 系統(tǒng)和 合適的 協(xié)議棧 ，并設(shè) 計穩(wěn)定 的應(yīng)用 程序滿 足系 統(tǒng)功能要求1 4 。基于以上考慮，設(shè)計系統(tǒng)總體框架。6華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文網(wǎng) 絡(luò) 設(shè) 備轉(zhuǎn) 接 系 統(tǒng)串 行 2 設(shè) 備 應(yīng) 用 程 序操 作 系 統(tǒng)串 口 與 網(wǎng) 絡(luò)數(shù) 據(jù) 通 信 配 置文 件 系 統(tǒng)設(shè) 備 驅(qū) 動網(wǎng) 絡(luò) 通 信串 行 通 信 軟 件硬 件處 理 器 2 接 口網(wǎng) 絡(luò) 接 口圖 2 統(tǒng)框 圖圖 2 該協(xié)議轉(zhuǎn)接系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖 ， 主要分為硬件平臺和軟件兩大部分 。硬 件為軟 件運行 提供支 撐，是 整個系 統(tǒng)的基 礎(chǔ)。系 統(tǒng)的硬 件主要 有中央 微處理 器，存 儲電路 ，以太 網(wǎng)電路 和串口 電路組 成。軟 件部分 分為應(yīng) 用程序 和操作 系統(tǒng)兩 部分 組 成，操 作系統(tǒng) 支持串 口、網(wǎng) 絡(luò)等設(shè) 備驅(qū)動 程序， 為系統(tǒng) 穩(wěn)定運 行提供 環(huán)境。 應(yīng)用 程序部分負(fù)責(zé)串口設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸及其通信參數(shù)的配置。2 2 2 12 2 12 2 1 系統(tǒng)的硬件選擇在器件的選擇上 ， 充分考慮器件功能 、 功耗 、 可靠性 、 開發(fā)成本 、 體積等因素 ，選取最合適本系統(tǒng)的器件1 5 。 其中 ， 系統(tǒng)的硬件平臺主要基于 處理器的選型有以下參考方案：方案 1 0 單片機作為主控單元此方案的優(yōu)點是：(1 )低功耗。采用較高集成度芯片化設(shè)計，具有高速、低速兩套時鐘，五種節(jié)能模式；(2 )片內(nèi)資源豐富 ， 易于設(shè)備擴展 。 含有硬件乘法器 、 定時器 ， 4 8個 用倍頻的 3 )直接嵌入仿真處理模塊 ， 具有 采用 精簡指令集 ） 。此方案的缺點是：(1 )處理速度有限，性能較低，存儲容量小；7華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文(2 )通常運行前 根據(jù)實際情形設(shè)計適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，開發(fā)周期較長 。因此，單片機型的串口與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)接器適用于數(shù)據(jù)量很小的場合。方案 2 采用普通的 體系結(jié)構(gòu) 1 )支持處理浮點運算能力，系統(tǒng)的軟件升級較為容易；(2 ) 技術(shù)較為成熟， 定性較高；(3 ) 與硬件相配合的軟件平臺較為成熟，開發(fā)周期較短。此方案的缺點： (1 )系統(tǒng)成本較高，移動性較差，溫度范圍較窄；(2 )積龐大，不適合用于復(fù)雜的工業(yè)場合1 6 。方案 3 采用 列微控制器 1 0 作為主控單元此方案的優(yōu)點：(1 ) 3 0 本也較為便宜，片上有較多的外圍接口；(2 )適用于工業(yè)控制中復(fù)雜惡劣的環(huán)境；(3 )應(yīng)用廣泛，可靠性較高。此方案的缺點： (1 )必 須 擴 展 圍 器 件 才 能 組 成 可 用 的 主 控 系 統(tǒng) ，性價比有待提高；(2 )常只運行 系統(tǒng)自身沒有協(xié)議棧 ，開發(fā)時還需根據(jù)實際情形添加協(xié)議棧，增加了系統(tǒng)的開發(fā)周期和開發(fā)難度。方案 4 采用 3 1 0 作為主控 方案的優(yōu)點： (1 )時鐘主頻率 2 0 3 統(tǒng)處理性能可達 1 2 )支持市場上主流嵌入式操作系統(tǒng) ： 攜帶 1 7 ；(3 )體積較小，較好的滿足工業(yè)控制設(shè)備市場需求；(4 )實用于工業(yè)現(xiàn)場，支持較寬的溫度范圍 ( 8 0 )；(5 )有片內(nèi) 可外擴 本系統(tǒng)的設(shè)計中，基于系統(tǒng)的現(xiàn)實意義考慮，可靠性和成本是其選擇 合以上四種方案，最終選擇第四種方案。2 2 2 22 2 22 2 2 系統(tǒng)的軟件選型串口與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)接器的任務(wù)是 ： 在串口鏈路和數(shù)據(jù)鏈路上雙向透明傳輸數(shù)據(jù) ，8華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文實現(xiàn)轉(zhuǎn)接器的對接 ； 轉(zhuǎn)接器接收到串口數(shù)據(jù)進行打包轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)協(xié)議格式 ，將 其傳送 到網(wǎng)絡(luò) 相應(yīng)的 設(shè)備上 ；另外 ，將收 到以太 網(wǎng)的數(shù) 據(jù)包進 行判斷 ，并傳 輸?shù)?相 應(yīng)的串 行終端 。另外 ，為便 于系統(tǒng) 升級、 維護， 使其在 因特網(wǎng) 上任意 訪問、 管理 遠(yuǎn)程的串行設(shè)備，實現(xiàn)對工控設(shè)備的智能化管理。要 實現(xiàn)功 能可靠 、性能 優(yōu)異、 開發(fā)便 捷的協(xié) 議轉(zhuǎn)接 器，軟 件上要 求有較 為齊全的 網(wǎng)絡(luò) 協(xié) 議棧 ， 并可 進 行裁 剪 1 8 ； 也要 求 系統(tǒng) 有 較強 穩(wěn) 定性 及 實時 性 ，系 統(tǒng) 及時 調(diào)度應(yīng)用程序的運行。選 擇一款 優(yōu)秀的 嵌入式 操作系 統(tǒng)，對 系統(tǒng)可 靠的運 行和開 發(fā)起著 極為關(guān) 鍵的作用 。由此 ，在軟 件設(shè)計 上主要 基于操 作系統(tǒng) 的選擇 來考慮 。以下 簡要介 紹下典 型的 嵌入式操作系統(tǒng)的特點。 2 位多任務(wù)的嵌入式操作系統(tǒng) ， 它已經(jīng)成功運用于多種手持設(shè)備中。優(yōu)點是： （ 1 ）實時性較強，內(nèi)核可以進行精簡和定制；（ 2 ）圖形界面 開發(fā)工具強大；有較好的技術(shù)支持；（ 3 ）可以連接到 現(xiàn)信息的交換。缺點是： （ 1 ）版權(quán)費用較高，不利于開發(fā)；系統(tǒng)運行占有資源較大；（ 2 ）代碼不公開，特殊芯片的驅(qū)動不好研究。 目前廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域中。 優(yōu)點是： （ 1 ）實時性很強， 由用戶定義的任務(wù)優(yōu)先級對任務(wù)實現(xiàn)調(diào)度；（ 2 ）對常見的 3 ）支持圖形界面，有較為豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。缺點是：（ 1 ）用戶對系統(tǒng)的實時調(diào)度責(zé)任較大， 2 ）代碼不公開，開發(fā)時間長，成本較高。嵌入式 一個完整的、可移植、固化、裁剪 、 可9華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文搶占的實時多任務(wù)系統(tǒng)。優(yōu)點是： （ 1 ）體積小巧，適合開發(fā)簡約實用的程序。（ 2 ）免費開源代碼，有助于系統(tǒng)定制和裁剪，開發(fā)成本低。缺點是： 需要使用外部的協(xié)議棧或者根據(jù)實際應(yīng)用重新設(shè)計新的協(xié)議棧。嵌入式 被廣泛應(yīng)用在移動電話 、個人數(shù)字助理 (媒體播放器、消費性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中。有以下優(yōu)點：1 件資源開放2 廣泛支持多種體系結(jié)構(gòu)的 有較少的硬件資源3 有實時處理能力4 持多種文件系統(tǒng)5 高的安全性、可靠性通過對以上操作系統(tǒng)的比較， 置優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ，資源公開 ， 開發(fā)成本較低 ， 編譯之后不到 2 綜合以上考慮選用嵌入式 6 ，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有廣泛的支持，有較為全面的文獻可供參考。首先 分析了 系統(tǒng)的 功能、 性能需 求，緊 接著給 出了系 統(tǒng)的總 體解決 方案。系統(tǒng)以設(shè)計串口 現(xiàn)串行設(shè)備和以太網(wǎng)間互聯(lián)、轉(zhuǎn)換與傳輸 。 最后 ， 給出了系統(tǒng)的軟件 ， 硬件選型 ： 選用基于 2 4 1 0 處理器搭建 硬 件平 臺 ；軟 件 選用 基于 多 線程 的 應(yīng)用 程 序編 程 。后 面 章節(jié) 將 詳細(xì) 論述系統(tǒng)的具體設(shè)計。平臺 是整個 系統(tǒng)運 行的基 礎(chǔ)，是 整個設(shè) 計實現(xiàn) 的關(guān)鍵 。系統(tǒng) 的硬件 主要有四大部分組成 ， 分別是 ： 處理器部分 ， 存儲器部分 ， 網(wǎng)絡(luò)接口部分 ， 串口接口部分 。圖 33 1 0存 儲 器 2 *2時 鐘 電 路電 源 部 分以 太 網(wǎng) 接 口 0 0 網(wǎng) 卡圖 3件平臺3 3 1 13 1 13 1 1 微處理器微 處理器 是系統(tǒng) 的核心 部分， 主要完 成以下 功能： 在以太 網(wǎng)數(shù)據(jù) 和串口 數(shù)據(jù)間建 立鏈路 ；判斷 串行數(shù) 據(jù)流的 格式， 完成對 數(shù)據(jù)流 的識別 ；通過 對網(wǎng)卡 的讀寫 來完 成 以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)的 發(fā)送和 接收； 對串口 數(shù)據(jù)流 和網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)包 的速度 的控制 ，完成 數(shù)據(jù) 緩存等。本系統(tǒng)選用以 3 該處理器是 采用 適用于高性價比、低功耗的嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備19。 2位 簡指令集 )體系結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成了大量的功能單元 ： 內(nèi)部含有 內(nèi)存管理單元 ） ， 166進的位控制器總線 （ ， 外部存儲器控制總線 ， 4路 的 3路 7個 I/ 2個 口 ， 1個 口 ， 2路 標(biāo)準(zhǔn) 、 慢速 、 休眠和掉電模式 ， 最高可運行在 203支 持址 1的地 址空間 ，共 8個 每個 據(jù)總 線1華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文為 8/16/32位，前 6個存儲器 兩個存儲 器 啟動時支持不同類型的 ， 處理器特別 適用于信息家電、工業(yè)控制、持設(shè)備、智能電話、移動終端等領(lǐng)域。3 3 1 23 1 23 1 2 以太網(wǎng)接口模塊系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口接入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送、接收數(shù)據(jù)包。本系統(tǒng)采用 產(chǎn) 的 一種 局 域網(wǎng) 處 理芯 片 0 0 A ， 1 0 0 ， 提 供 8 位 和 1 6 位 兩種接 口 ， 內(nèi) 部 集 成 了 片 內(nèi) 4 的 0 發(fā) 濾 波 器 2 0 。 0 0 A 支 持 2 太 網(wǎng) 標(biāo) 準(zhǔn) ， 并 帶 有 ， 傳 輸 數(shù) 據(jù) 幀 沖 突 后 可 自 動 重 傳 。 0 0 接收工作 ， 包括 ： 產(chǎn)生和檢測幀頭 、 沖突檢測 、生成和驗證 如果一幀的數(shù)據(jù)長度小于 4 6 個字節(jié) ， 將生成填充字段使數(shù)據(jù)幀達到以太網(wǎng)所要求的最短長度。 0 0 A 工作過程是 ： 首先對網(wǎng)絡(luò)線路進行偵聽 。 如果線路忙 ， 進行等待 ， 直到線 路空閑 為止， 否則， 立即發(fā) 送該數(shù) 據(jù)幀。 發(fā)送過 程中， 在發(fā)送 數(shù)據(jù)前 添加以 太網(wǎng) 幀頭 （ 包括先導(dǎo)字段 、 幀的開始標(biāo)志及 ， 在生成 4 字節(jié)的 將 此數(shù)據(jù) 幀發(fā)送 到以太 網(wǎng)上。 在接收 時，收 到以太 網(wǎng)的數(shù) 據(jù)幀經(jīng) 過解碼 、剝除 幀的頭部和地址檢驗等操作后 ， 緩存在片內(nèi)的 經(jīng)過了 由初始化配置信息通知主機網(wǎng)卡，最后，將此數(shù)據(jù)幀傳送到主機的存儲區(qū)中 2 1 。 0 0 A 與處理器連接方式如圖 3 示 ： 其中基地址 0 0 _硬件連接有 關(guān)。 0 0 A 連 接到 2 4 1 0 的 0 0 A 的 基地址 是 0 0 0 0 0 0 0 ， 其內(nèi) 部寄 存 器默 認(rèn) 基地 址 為 0 0 , 所 以在 0 0 A 在 2 4 1 0 的 映射 空 間中 的 地址 為0 0 0 0 3 0 02 2 。12華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖 3接方式3 3 1 33 1 33 1 3 串口模塊圖 3 口原 理圖圖 3 串口一般用 串口通信通常只需 3 個引腳即可實現(xiàn) ， 分別是發(fā)送 、 接收和地線 ， 其他引腳用于握手協(xié)議 。由 于串口 通信屬 于異步 通信， 可以在 進行通 信時不 使用握 手協(xié)議 。 串 口部分 主要完成 的是對 串口數(shù) 據(jù)流的 提取及 對 串口數(shù) 據(jù)的進 行電平 轉(zhuǎn)換和 處理。 接 收來自 數(shù)據(jù) 并轉(zhuǎn)換 為連續(xù) 的串行 數(shù)據(jù)流 發(fā)送到 器上 ，同時 接收 控制器的傳輸數(shù)據(jù)流并轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)發(fā)送給 具體通信過程是 ： 行數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)含有起始位、數(shù)據(jù) 位、奇 偶校驗 位和停 止位。 串口數(shù) 據(jù)的傳 輸是從 一個起 始位（ 電平信 號為 “ 0 ” ）開始 ， 后面的數(shù)據(jù)位為 7 位或 8 位 ， 一個可選的奇偶位和停止位 （ 電平信號為 “ 1 ” ） 。接收 控制器 發(fā)現(xiàn)起 始位時 ，將與 發(fā)送控 制器的 時鐘頻 率同步 2 3 。若 選擇了 奇偶校 驗方式 ， 奇偶校驗位可用來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。 在串口接收過程中 ， 并 對接收 的數(shù)據(jù) 進行奇 偶校驗 ，若校 驗沒有 錯誤就 將數(shù)據(jù) 流從串 行轉(zhuǎn)換 成并行 發(fā)送 給 微 處 理 器 。 本 文 使 用 了 2 路 通 過 電 平 轉(zhuǎn) 換 芯 片 3 2 ， 把 3 的 2 C 的邏輯電平進行傳輸，微處理器通過串行接口與串口設(shè)備的通信。 3 3 1 43 1 43 1 4 存儲器模塊本系統(tǒng)使用了 中， ， 操 作 系 統(tǒng) 和 應(yīng) 用 程 序 代 碼 。 本 系 統(tǒng) 擴 展 了 1 片 6 4 0 8 ， 外接 2 片 k4 1 6 3 2 芯片構(gòu)建 3 2 位的 將 連接在 芯片的 ，最 終可通 過主控 芯片訪 問 區(qū)域。 當(dāng)系統(tǒng)啟動時， 讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼調(diào)入 同時系統(tǒng)及用戶堆棧 、 運行數(shù)據(jù)也都存放在 為系統(tǒng)的高速運行提供 充足 的存儲空間 2 4 。23 23 23 2 1 1 1 1 鏈路層捕獲機制在使用共享式的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中 ， 網(wǎng)段內(nèi)的主機都能收到任意站點傳來的數(shù)據(jù) 。數(shù)據(jù)捕獲程序使用 為訪問數(shù)據(jù)鏈路的手段。 卡驅(qū)動在接收到數(shù)據(jù)包后，拷貝一份遞交給 濾器根據(jù)用戶定義的規(guī)則對數(shù)據(jù)進行過濾，決定是否接收此數(shù)據(jù)包以及需要拷貝該數(shù)據(jù)包 的哪些內(nèi)容，然后將過濾后的數(shù)據(jù)傳給 5。支持 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序在收到或者發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時 ， 都會調(diào)用 數(shù)據(jù)鏈路收到數(shù)據(jù)包時，會向上層協(xié)議傳遞，根據(jù) 給不同的協(xié)議棧，每傳一層就剝掉一層頭部，直到傳給上層的應(yīng)用程序 2 6 。若將網(wǎng)卡設(shè)置為混14華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文雜模式，可以接收網(wǎng)段內(nèi)的所有幀，它將發(fā)送的或接收的數(shù)據(jù)包拷貝一份給 經(jīng)過濾器送至緩沖區(qū)，最后傳給應(yīng)用程序。流程如圖 3 示。過濾有內(nèi)核完成，減少了從 個包只有部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng) 以只捕獲應(yīng)用程序設(shè)置過濾的數(shù)據(jù)。應(yīng) 用 進 程 A 應(yīng) 用 進 程 區(qū) 緩 沖 區(qū)過 濾 器 過 濾 器 據(jù) 鏈 路 空 間內(nèi) 核 空 間拷 貝 收 到 的 數(shù) 據(jù) 包拷 貝 發(fā) 送 的 數(shù) 據(jù) 包圖 3 3 3 2 23 2 23 2 2 是一個在鏈路層的數(shù)據(jù)捕獲機制的函數(shù)庫 ， 主要由 數(shù) 據(jù)過 濾 器 ( 網(wǎng) 絡(luò)分 接 頭 ( 部 份組 成 ，數(shù) 據(jù) 過濾 器 決定 是 否接 收 該數(shù) 據(jù) 包， 網(wǎng) 絡(luò)分 接 頭拷 貝 從網(wǎng) 絡(luò) 設(shè)備 驅(qū) 動程 序 中接 收 數(shù)據(jù) 包 。網(wǎng)卡捕獲及發(fā)送數(shù)據(jù)包進行備份 。當(dāng)網(wǎng)口有數(shù)據(jù)包到達時 ， 由 然后將收到的數(shù)據(jù)包傳 送給 器， 用戶在 置過 濾規(guī)則 ，對接 收的數(shù) 據(jù)包進 行過濾 ，如果匹 配成功 ，數(shù)據(jù) 包經(jīng)過 內(nèi)核空 間傳送 到用戶 空間中 相應(yīng)的 應(yīng)用程 序；如 果匹配 不成 功，數(shù)據(jù)直接丟棄 25。圖 35華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文編 譯 過 濾 字 符 串設(shè) 置 過 濾 器捕 獲 數(shù) 據(jù) 包緩 沖 區(qū) 滿 或 者 超 時 時 間 到 顯 示 捕 獲 到 的 數(shù) 據(jù) 包打 開 網(wǎng) 絡(luò) 設(shè) 備結(jié) 束查 找 有 效 的 網(wǎng) 絡(luò) 設(shè) 備 1 ）查找捕獲網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 ：在 捕獲到的以太網(wǎng)網(wǎng)卡的設(shè)備名。如果系統(tǒng)中有多個設(shè)備，會返回當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備名的指針列表。2 ） 初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 ： 對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行 捕獲 ， 獲取網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)掩碼 ， 使用文件 描述符對 設(shè)備 進行 區(qū)分，命名該 捕獲設(shè)備為 “會話 ”。3 ） 創(chuàng)建 過濾規(guī)則 ： 若 只想 捕獲 特定的 數(shù)據(jù)包 ， 這個過程分為三個相互緊密關(guān)聯(lián)的階段： 將一個字符串設(shè)置為過濾 規(guī)則，并且被 編譯 成能被 格式 ，在程序里調(diào)用一個數(shù)據(jù)包的處理函數(shù) 。 然后 ， 通知 過濾出所要的那一個會話。4 ）執(zhí)行循環(huán)：在這個階段內(nèi) 當(dāng)它收到一個包就調(diào)用另一個已經(jīng)定義處理數(shù)據(jù)包的 函數(shù)，這個函數(shù)可以實現(xiàn)任何要求，它可以 處理 所 捕獲 的包并打印出結(jié)果， 也 可將結(jié)果保存為一個文件。5 ）關(guān)閉會話：在 捕獲 到所需的數(shù)據(jù)后， 結(jié)束 會話。 具有連接線少 ，