《精简的ARM-TCPIP接口的开发和研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精简的ARM-TCPIP接口的开发和研究（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西南科技大学毕业设计精简的ARM-TCP/IP接口的开发和研究摘要随着计算机的发展，网络技术应用逐步广泛，人们希望能够通过计算机和嵌入式设备通信并进行控制。本课题的设计目的就是通过一个转接装置，能实现串口和以太网接口之间的通信。本次试验主要是设计ZNE-100模块的开发板，完成RS-232串口电路及RS-485串口电路设计以及以太网接口RJ-45的电路设计，熟悉ZNE-100模块的功能及各个管脚的信号。然后用VC为软件开发平台，开发适用于工程控制的协议栈，进而嵌入以ARM为内核的协议栈控制器，尝试用现有的ARM芯片（LPC2114）代替ZNE-100模块，实现单一芯片的TCP/IP功能化。关键
2、词：嵌入式 以太网 RS-232 RS-485 协议栈 ARM TCP/IPThe ARM- TCP/ IP of simplify connects the oscular development and researchesLuo xiao-minSWUST School of information engineering 621010AbstractAs a result of development of computer and application of networks,people hope industry control which can be realized by
3、 computer and embedded system.this porject will design an interface to realize communication between Ethernet and Serial Port.Based on ZNE-100 board.Designed RS-232,RS-485 serial port circuit and ethernet port RJ-45.Embed protocol stack which be designed for industry control in protocol stack contro
4、ller with ARM core to realize the TCP/IP function of single chip.Keywords: embedded; Ethernet; RS-232; RS-485; protocol stack; ARM; TCP/IP引言随着INTERNET的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求也越来越高。当前的要求是希望工业控制设备能够支持TCP/IP以及其它INTERNET协议，从而能够通过用户熟悉的浏览器查看设备状态、设置设备参数，或者将设备采集到的数据通过网络传送到WINDOWS或UNIX/LINUX服务器上的数据库中
5、。这就要求工控系统必须具备两方面的功能：一是要在现场完成复杂的测控任务，因为通常一些任务都具有一定的实时性要求；二是要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，以实现远程监控。在目前应用的大多数测控系统中，嵌入式系统的硬件采用的是8/16位单片机；软件多采用汇编语言编程，由于这些程序仅包含一些简单的循环处理控制流程。目 录1. 绪论1.1 项目意义1.2 项目的背景1.3 课题目标1.4 课题关键问题1.5 TCP/IP网络在工业控制中的优势2实验方案3. 实验硬件设备3.1 ZNE-100转换模块3.2 ARM芯片微处理器4. TCP/IP协议下的网络通信原理4.1 网络硬件4.2 网络软件4.
6、3 TCP/IP参考模型5串口通信5.1串口通信的基本原理5.2串口信号线的接法5.3 串行接口标准6. ARM-TCP/IP接口硬件电路设计6.1 5V DC供电电源电路设计6.2 串口接口电路设计6.3 I/O线信号电路设计6.4 复位电路设计6.5 以太网接口电路设计6.6 ZNE-100模块的管脚电路设计7调试8.总结致谢参考文献附录1. 绪论1.1 项目意义随着INTERNET的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求也越来越高。当前的要求是希望工业控制设备能够支持TCP/IP以及其它INTERNET协议，从而能够通过用户熟悉的浏览器查看设备状态、设置设备参数，
7、或者将设备采集到的数据通过网络传送到WINDOWS或UNIX/LINUX服务器上的数据库中。这就要求工控系统必须具备两方面的功能：一是要在现场完成复杂的测控任务，因为通常一些任务都具有一定的实时性要求；二是要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，以实现远程监控。在目前应用的大多数测控系统中，嵌入式系统的硬件采用的是8/16位单片机；软件多采用汇编语言编程，由于这些程序仅包含一些简单的循环处理控制流程。因此，单片机与单片机或上位机之间的通信通常通过RS232、RS485来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难等问题。工业以太网已逐步完善，在工业控制领域获得越来越多的应用。工业以太网使
8、用的是TCP/IP协议，因而便于联网，并具有高速控制网络的优点。精简的ARM-TCP/IP接口的开发和研究可以提供有效的手段，为工业级的串口通信转换为TCP通信开发一种低成本低功耗，高效率高可靠性的介入转换设备。1.2 项目的背景TCP/IP作为一种成熟的通信体制和通信系统已经成功地在世界上建立了大部分的INTERNET连接，越来越多的设备和系统需要使用TCP/IP的方式接入以太网。而且大量的旧设备如老的数字化设备：数控机床、模拟或数字方式的智能传感器、旧的图形工作站等等都需要作为一个子部分或子系统接入以太网。而全部以新的带TCP/IP以太网接入的换代设备来进行全部取代也是不可行的，这样做会造
9、成资源极大的浪费。所以研究一种精简的、模块化的智能TCP/IP接口是对这一问题的比较合适的解决。而ARM芯片的推出则为这种智能接口提供了良好的硬件基础。以PHILIP公司的LPC2114ARM7芯片结合TCP/IP的控制芯片（如REALTALK8139）制作一块智能机板，整和标准的RS232串口，是我的整个毕业设计的思路。串口通信技术在数据通信中的应用极为广泛。但是，其固有的通信距离小、抗干扰能力差等缺点使其无法满足对实时性要求较高的现代工业控制。随着近年来网络技术和以ARM为代表的32位处理器的发展，通过网络实现ARM与PC机高速、可靠的通信已成为可能。ARM的技术优势（比较NIOS） ：A
10、RM公司不做芯片，把所有的精力都方在核心的制定上，做到了“专精”；熟悉ARM体系结构的人都知道，ARM内核分级明确，NIOS的内核从性能上讲相当于ARM9。NOIS是由altera公司主推的MCU内核，由altera负责全部的设计制造，没有其他重量级厂商和公司的有利支持；与此相反，ARM公司获得了上百家公司的支持，并且拥有二十多家超级强的公司的支持，比如微软、TI、intel、philips三星、ATMEL、circus logic、夏普等，这些大公司依靠自己雄厚的技术背景，基于ARM的硬核做得非常的稳定，而我们依靠自己设计能力和文档设计出的内核存在着诸多不稳定因素，高自由度的代价就是高风险、
11、高隐患。现在国内基于arm7/9的廉价而且性能优异的开发板狂多，而且这些公司都有一定的实力基础，确保了板子的可学习性。相反，虽然altera宣称自己的NIOS可以被用于几乎所有主流的FPGA板子上，但却又推出了天价（对我们学生而言）NIOS开发套件，这是不是有点“此地无银三百两”的嫌疑？于ARM9所宣称的主频200MHz，处理速度220MIPS，各个厂商都已经臻于完美，做到了极限，然而，对于NIOS所给出的主频180MHZ，处理速度600MIPS试问众位兄弟，有几人能够实现？对于处理能力，专家说NIOS处理速度完全可以凌驾于ARM10，暂且不说理论与现实的差别，试问DSP是干什么的？哪个拼得过
12、处理速度达几十亿条的DSP？如果需要另外接DSP来实现海量数据处理功能，那么NIOS的软硬一体化还有优势吗？讲到性能比拼时，NIOS的拥护者最后的杀手理由是用双NIOS或者多NIOS来与硬核处理器抗衡，然而真正做出完美的双核NIOS的试问又有几人？虽然从理论上讲，自由的NIOS核心允许自主地制定许多外设，但是必须看到，真正地应用时，我们往往不需要很多地接口功能。ATMEL、三星等厂家确定硬核ARM的端口，自然有他们的道理，也就是说已经能够满足绝大部分需要了；从另一个角度上讲，实际NIOS设计时，几乎所有人都要受到FPGA管脚的制约，甚至因为管脚不够而限制了一些最基本的功能（比如以太网），试问N
13、IOS的“自由”何在？“制造N多端口”的荣耀与满足何在？FPGA是数字型芯片，如果需要用到模拟信号，必须外接ADC、DAC等数据采集卡，而ARM芯片厂商早早地解决了这个问题，比如PHILIPS LPC2138甚至拥有双8路（也就是16路）10位的ADC加上2路DAC！1.3 课题目标（a）提出对ARM控制器系统的TCP/IP改造方案 （b）设计实现所提出方案的硬件体系（c）设计ARM控制程序，能够将通用的2/16进制数据转换成标准的TCP/IP数据报，通过网络传输（d）联调通过1.4 课题关键问题（1） ARM控制器的硬件体系 （2） 对TCP/IP协议的解析和网卡设备的底层解析 （3） 设计
14、ARM-TCP/IP系统1.5 TCP/IP网络在工业控制中的优势以太网是当今应用最为普遍的局域网技术。早在七十年代，Xerox、Digital和Intel三家公司就开始联合开发用“以太”命名的网络技术，于1981年推出EtherNet协议，1982年推出修改版DIX Ethernet V2。在DIX协议发展的同时，美国电气和电子工程师学会IEEE 802委员会致力于制定开放式网络结构标准的制定。1983年IEEE 802委员会以DIX Ethemet V2为基础制定了IEEE 8023标准。尽管DIX Ethernet V2与IEEE8023在帧定义的细节上有所不同，但由于两者在介质访问控制
15、技术上，即标准采用的核心技术上相同，所以通常人们就把IEEE8023看作是以太网标准了。在网络的层次化结构参考模型中，最低两层是数据链路层(Layer 2)(包括MAC子层)和物理层(Layer 1)。IEEE8023就是关于物理层和媒介访问层(MAC层)的协议标准，标题为”CSMACD(载波监听多路访问冲突检测)MAC(媒介访问控制)和物理层规范”。CSMACD也称为LWT(Litsen While Talk，译为“边听边说”)。网上所有节点具有同等的访问权限。如果节点要发送数据，它必须先听一下传输媒介(线)上是否有其他节点已在传送数据，如果没有，它就可以开始发送数据。如果它听到其他节点，已在传送，它必须等待线上空闲自己才可发送。以太网上数据传送的基本单位形式是帧。以太帧除了包括所传送的内容数据的字节外，还包括源MAC地址字节和目的MAC地址字节以及其他辅助字节。MAC地址是由IEEE8023标准委员会分配给网卡制造商的。每张网卡出厂时都被赋予一个全球唯一的、共6个字节的MAC地址。以太网上的节点在监听线上的数据传输时，根据目的MAC地址是否与本节点网卡的MAC地址相符决定是否收下数据帧或将其丢弃。如果一个以上节点要发送数据且都探知线上空闲，于
