基于ARM和uC/OS的嵌入式SMI網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器設(shè)計與應(yīng)用

引言

目前，隨著互聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)的高度發(fā)展，越來越多的工業(yè)測控設(shè)備已經(jīng)將網(wǎng)絡(luò)接入功能作為其默認(rèn)配置，以實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和信息分布式處理。然而，大量工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備尚不具備網(wǎng)絡(luò)接口。在IP113F光纖收發(fā)器監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)中，下位機(jī)通過單片機(jī)與光纖收發(fā)器的SMI進(jìn)行通信以實現(xiàn)監(jiān)控，上下位機(jī)通過RS-232接口傳輸數(shù)據(jù)。南于串口傳輸距離短，工作人員每天都要到現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和診斷，不勝其煩。針對這種情況，有必要設(shè)計一個SMI到Internet的數(shù)據(jù)傳輸模塊，以便對光纖收發(fā)器的運(yùn)行狀況作遠(yuǎn)程監(jiān)測。

IP113F芯片簡介

IP113F芯片是一款具有網(wǎng)管功能、超低功耗的光纖收發(fā)器，支持3.3V I／O，主要通過SMI（MDC，MDIO）對兩組獨(dú)立寄存器進(jìn)行操作，以實現(xiàn)監(jiān)控或重新設(shè)置本地或遠(yuǎn)端光纖收發(fā)器的工作狀態(tài)。用戶可以通過串行管理接口來訪問寄存器，如圖1所示。由于IP113F的地址是5位二進(jìn)制碼，所以一個管理單元最多可同時外掛32（25）個IP113F.數(shù)據(jù)在MDIO上是一位位傳輸?shù)?，是發(fā)生在MDC的上升沿跳變，MDIO上的數(shù)據(jù)通信協(xié)議如表1所示。當(dāng)SMI處于空閑狀態(tài)時，MDIO則處于高阻態(tài)，管理單元在MDIO上發(fā)送32位連續(xù)的"1"和"01"信號來初始化MDIO接口。

整體功能設(shè)計

系統(tǒng)的基本功能是32臺光纖收發(fā)器同時通過同一個SMI網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器與遠(yuǎn)程的上位機(jī)進(jìn)行通信，如圖2所示。轉(zhuǎn)換器完成的具休工作是接收本地或遠(yuǎn)端光纖收發(fā)器發(fā)送過來的測試數(shù)據(jù)，自動識別其長度和來源，將其轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)格式，通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)，同時接收上位機(jī)通過以太網(wǎng)發(fā)送過來的控制信息，并自動識別其發(fā)送的目標(biāo)，再通過SMI口發(fā)送給相應(yīng)的光纖收發(fā)器。根據(jù)實際需要，可以在上位機(jī)中通過以太網(wǎng)配置SMI網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器的IP地址。

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)換器的硬件電路中選用基于arm7內(nèi)核的嵌入式處理器LPC2214芯片，用于進(jìn)行整體控制。LPC2214芯片帶有256KB的高速FLASH，并帶有16K片內(nèi)SRAM.為了滿足通信過程中的數(shù)據(jù)緩存和具備一定系統(tǒng)運(yùn)行空間的要求，片外利用IS61LV25616AL擴(kuò)展了512KB的SRAM.另外，通過IIC總線，片外擴(kuò)展了256字節(jié)的EEPROM，用于保存已設(shè)置的IP地址。選用10M全雙工以太網(wǎng)控制器RTL8019AS芯片完成網(wǎng)絡(luò)通信功能，HR61101芯片充當(dāng)網(wǎng)卡變壓器。采用通用I／O口，P0.5和P0.6模擬SIM的通信時序，對IP113F進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。電路整體硬件電路如圖3所示。

LPC2214具有外部存儲器接口，可以擴(kuò)展4個Bank的存儲器組（Bank0～Bank3），且Bank0～Bank3的片選信號分別為CS0-CS3，本設(shè)計中，用Bank0擴(kuò)展SRAM，Bank3擴(kuò)展RTL8019AS模塊。由于LPC2210芯片是一個8／16／32位的微處理器，可以接受16位數(shù)據(jù)位寬的讀寫。設(shè)計中將RTL8019AS芯片的16位I／O腳IOCS16B連到高電平，實現(xiàn)以16位操作模式讀寫控制寄存器的內(nèi)容，與用單片機(jī)作為處理器的設(shè)計相比，系統(tǒng)運(yùn)行效率提高。通過將RTL8019AS的65腳JP接高電平以選擇跳線工作方式，即RTL8019AS的I／O和中斷由跳線決定，不需外擴(kuò)EEPROM 93C46芯片存儲信息來控制RTL8019AS的I／O和中斷，減少了連線，提高了高頻電路的穩(wěn)定性。RTL8019AS工作在跳線模式時，其基地址為0X300.由于RTL8019AS工作電源是5V，而LPC2210的I／O電壓是3.3V，因此在總線連接上串接470Ω的保護(hù)電阻。

系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

引入RTOS

光纖收發(fā)器數(shù)據(jù)采集要求實時性比較高，若采用傳統(tǒng)的前后臺設(shè)計方法，會過于復(fù)雜，且實時性不能保證。采用實時操作系統(tǒng)RTOS可以解決這個問題。μC／OS-II操作系統(tǒng)是一種源代碼公升的RTOS，具有代碼短小精悍、簡單易學(xué)的特點，對本設(shè)計來說是一個理想的選擇。