基于arm的以太网网关设计与实现毕业论文(编辑修改稿)

基于arm的以太网网关设计与实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

段有所区别，如图 所示： 图 数据帧仲裁段构成 标准格式的 ID 有 11 个位。 从 ID28 到 ID18 被依次发送。 禁止高 7 位都为隐性（禁止设定： ID=1111111XXXX）。 扩展格式的 ID 有 29 个位。 基本 ID 从 ID28 到ID18，扩展 ID 由 ID17 到 ID0 表示。 基本 ID 和标准格式的 ID 相同。 禁止高 7 位都为隐性（禁止设定：基本 ID=1111111XXXX）。 其中 RTR 位用于标识是否是远程帧（ 0，数据帧； 1，远程帧）， IDE 位为标识符选择位（ 0，使用标准标识符； 1，使用扩展标识符）， SRR 位为代替远程请求位，为隐性位，它代替了标准帧中的 RTR 位。 控制段，由 6 个位构成，表示数据段的字节数。 标准帧和扩展帧的控制段稍有不同，如图 所示： 图 数据帧控制段构成 基于 ARM 的以太网网关 设计与实现 7 上图中， r0 和 r1 为保 留位，必须全部以显性电平发送，但是接收端可以接收显性、隐性及任意组合的电平。 DLC 段为数据长度表示段，高位在前， DLC 段有效值为 0~8，但是接收方接收到 9~15 的时候并不认为是错误。 数据段，该段可包含 0~8 个字节的数据。 从最高位（ MSB）开始输出，标准帧和扩展帧在这个段的定义都是一样的 ， 如图 所示： 图 数据帧数据段构成 CRC 段，该段用于检查帧传输错误。 由 15 个位的 CRC 顺序和 1 个位的 CRC界 定符（用分隔的位）组成，标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的 ， 如图 所示： 图 数 据帧 CRC 段构成 此段 CRC 的值计算范围包括：帧起始、仲裁段、控制段、数据段。 接收方以同样的算法计算 CRC 值并进行比较，不一致时会通报错误。 ACK 段，此段用来确认是否正常接收。 由 ACK 槽（ ACK Slot）和 ACK 界定符 2 个位组成。 标准帧和扩展帧在这个段的格式也是相同的 ， 如图 所示： 图 数据帧 CRC 段构成 基于 ARM 的以太网网关 设计与实现 8 发送单元的 ACK，发送 2 个位的隐性位，而接收到正确消息的单元在 ACK 槽（ ACK Slot）发送显性位，通知发送单元正常接收结束，这个过程叫发送 ACK/返回 ACK。 发送 ACK 的是在既不处于 总线关闭态也不处于休眠态的所有接收单元中，接收到正常消息的单元（发送单元不发送 ACK）。 所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误的消息 [6]。 帧结束，这个段也比较简单，标准帧和扩展帧在这个段格式一样，由 7 个位的隐性位组成。 以太网简介 以太网作为一种应用广泛的局域网已经成为了我们生活中必不可少的一部分，它以其自身的高可靠性、方便易用等优点获得了广大用户的青睐。 工业以太网是一个新的概念，它指的是在复杂的生产现场中应用以太网技术，这就要求针对工业现场的环境的恶劣性对现有的网络进行适当的改进 ，主体部分不动，针对工业控制系统的特点对以太网技术做出改进，使之既能够适应物理上复杂恶劣的现场环境，又能够满足工业控制在通信实时性、数据安全等方面的要求。 当然，现阶段的技术还无法将网络直接连接到现场的智能化仪表与设备上，因为设备的种类太多，各自遵循的标准也不统一，而以太网技术的最初的发展也不是针对工业控制来设计的，所以在现阶段情况下，还是要将以太网通过网关与适用于工业控制的控制局域网总线连接起来实现以太网与工业设备之间的数据通信，实现到对生产现场进行监控和管理的目的。 以太网现在已经应用很广泛，技术方面也很 成熟，然而在工业控制中，现场总线的种类和技术标准却有很多，并且各种总线之间一般情况下无法相互兼容，每一个开发厂商都有自己的标准，这种情况导致了如果一个客户选择了某一种总线用在工业控制系统中就很难改变，很难再用另一种现场总线来代替，对设备及控制系统的升级不利，有可能会影响到生产效益。 因此，针对这种情况，有必要提出一种新的技术标准，就是基于以太网技术，并且将这种技术扩展到工业中使之在将来能够发展成为适用于工业现场生产环境的统一的技术标准。 现在，国际上相关组织也开始着手做这项工作，制定出了一些工业以太网的标准，在 未来直接将以太网技术应用到工业生产现场，取代现在的现场总线技术，这是一个必然的趋势，在这方面需要做的工作还有很多。 现阶段的现场仪表设备之间的通信还是离不开现场总线，还是需要将以太网通过网关转换连接进来与设备仪表进行通信，实现上层监控网络和现场控制网络的一体化 [7]。 基于 ARM 的以太网网关 设计与实现 9 第 3章 系统 硬件 设计 本文所设计的嵌入式协议转换网 关， 实现 了 CAN 总线与以太网的互联，即 以太网能够通过网关读取 CAN 总线上的数据，同时也可以向 CAN 总线发送命令以实现上位机对现场设备的监控 ， 网关 工作示意图 如图 所示。 图 网关 工作示意 图 现场总线的信息可以通过 CAN 协议传送出去，经过协议转换功能将 CAN 协议形式转换成 TCP 协议形式，然后传送到 Ethemet 上，连接到 Ether 上的远方计算机可以通过一定的权限，在一定的平台上进行数据的接收。 同时，该计算机也可以在一定的平台上对现场下达命令，该命令在 Ethemet 上，以 TCP/IP 协议的形式传送出去，经过协议转换功能将 TCP/IP 协议形式转换成 CAN 协议形式，然后传送到 CAN 总线上，现场设备接收到命令后执行命令，这样就实现了对现场的远程监控。 硬件总体方案设计 硬件平台的选型和设 计是很重要的，因为软件开发也是基于硬件的，没有好的硬件软件设计也会受限制，因此如何选择合适的硬件平台，使其性价比高而又能满足系统控制的要求是很关键的。 网关转换的必不可少的部分是以太网控制器芯片、 CAN 控制器芯片和 CAN 收发器的选择和接口设计。 本文以 AT91SAM9G45作为核心处理器， CAN 总线控制器选用 MCP2515， CAN 收发器采用 PCA81C251芯片。 以太网控制器选用，本章介绍了本系统选择的这些器件以及关键部分硬件电路的设计。 基于 ARM 的以太网网关 设计与实现 10 C P UA T 9 1 S A M 9 G 4 5电源供电网口控制器 C A N 控制器C A N 接口R J 4 5M A X 2 3 2D B 9串口 图 硬件总体结构图 系统的 硬件组成 如图 所示 ， 方框中 中央处 理器 （ Central Processing Unit，CPU） 为本系统核心部分，集成有 AT91SAM9G45 处理器、 SDRAM 存储器、 Flash存储器 [8]。 核心模块的外围电路设计包括一下几个部分： ●电源电路 ：设计电路所需的 5V 和 电压； ●串口电路：提供系统所必需的传输控制命令的通道； ●CAN 模块： AT91SAM9G45 通过 SPI 控制 CAN 控制器； ●以太网模块： AT91SAM9G45 通过控制 DM9161，进行网络访问。 网关的硬件实物 如图 所示 ，采用的是 SBC6845 开发板。 基于 ARM 的以太网网关 设计与实现 11 图 网关硬件实物图 硬件电路设计 核心处理器 基于 ARM926EJS 的 AT91SAM9G45 集成了常用的和具有高传输速率的硬件接口，包括 LCD 控制器，电阻式触摸屏控制器，图像传感器接口，声音控制器， 10/100M 以太网控制器和高速 USB 和 SDIO 控制器。 当处理器以 400MHz处理多组超过 100Mbps 的高速外设时， AT91SAM9G45 能够以足够的带宽去处理包括网络和本地多媒体的数据，以提供满意的用户体验。 AT91SAM9G45 支持最新 的用来存储程序和数据的 DDR2 和 NAND Flash 储存器接口。 带有一个内置的 133MHz 并且支持 37 个 DMA通道的多层总线架构，两组外部总线接口，分散的存储单元（包括一个 64KB 的 SRAM，可以根据处理器和高速外设的要求，配置成一个紧凑结合内存（ Tightly Coupled Memory，TCM），以保持高的带宽）。 I/O 接口支持 和 工作电压，这些可以为存储接口和外设 I/O 接口单独配置基于这个特点，它能够完全满足不同外设的电平需要。 而且它是以 球间距进行封装，能够给 PCB 厂商降低相应的 成本。 AT91SAM9G45 电源管理控制器使用门控时钟（ clock gating）和电池备份组件使得在活动和就绪模式下把功耗降到最低。 基于 ARM 的以太网网关 设计与实现 12 CAN 总线电路 Microchip 的 MCP2515 是一款独立控制器局域网（ Controller Area Network，CAN）协议控制器，完全支持 CAN 技术规范。 该器件能发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧。 MCP2515 自带的两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文，因此减少了主单片机（ MCU）的开销。 MCP2515 与 MCU 的 连 接 是 通 过 业 界 标 准 串 行 外 设 接 口 （ Serial Peripheral Interface， SPI）来实现的。 MCP2515 是一款独立 CAN 控制器，可简化需要与 CAN 总线连接的应用。 MCP2515 的 内部 结构 如图 所示。 该器件主要由三个部分组成： 图 MCP2515 结构框图 1） CAN 模块，包括 CAN 协议引擎、验收滤波寄存器、验收屏蔽寄存器、发送和接收缓冲器。 CAN 模块的功能是处理所有 CAN 总线上的报文接收和发送。 报文发送时，首先将报文装载到正确的报文缓冲器和控制寄存器中。 通过 SPI 接口设置控制寄 存器中的相应位或使用发送使能引脚均可启动发送操作。 通过读取相应的寄存器可以检查通讯状态和错误。 会对 CAN 总线上检测到的任何报文进行错误检查，然后与用户定义的滤波器进行匹配，以确定是否将报文移到两个接收缓冲器中的一个。 2） 用于配置该器件及其运行的控制逻辑和寄存器。 通过与其他模块连接，控制逻辑模块控制 MCP2515 的设置和运行，以便传输信息与控制。 所提供的中断引脚提高了系统的灵活性。 器件上有一基于 ARM 的以太网网关 设计与实现 13 个多用途中断引脚及各接收缓冲器的专用中断引脚，用于指示有效报文是否被接收并载入接收缓冲器。 可选择使用专用中断引脚。 通用中 断引脚和状态寄存器（通过 SPI 接口访问）也可用来确定何时接收了有效报文。 器件还有三个引脚，用来启动将装载在三个发送缓冲器之一中的报文立即发送出去。 是否使用这些引脚由用户决定；若不使用，也可利用控制寄存器（通过 SPI 接口访问）来启动报文发送。 3） SPI 协议模块。 MCU 通过 SPI 接口与该器件连接。 使用标准的 SPI 读 /写指令以及专门的 SPI 命令来读 /写所有的寄存器 [9]。 图 CAN 控制器（ MCP2515）电路原理图 图 CAN 收发器电路 以太网电路 DM9161 是一款完全集成的和 符合成本效益单芯片快速以太网 PHY，提供数据转换和数据传输等作用。 DM9161CEP 还提供了介质无关的接口，来连接所有提供。