（控制理论与控制工程专业论文）泊车咪表网桥系统设计.pdf

硕士论文泊车咪表刚桥系统设计 摘要 目前我国城市泊车问题同益突出，迫切需要科学可行的的解决方案。课题组设计的 城市网络泊车管理系统是一种有效的泊车管理模式。泊车咪表网桥在整个系统中起着通 讯桥接作用，它可将泊车信息终端的信息通过c a n 总线传到泊车信息港管理机和泊车 手持机，也可将泊车信息港管理机和泊车手持机发来的信息通过网桥传给泊车信息终 端，同时具备泊车信息显示、提示等管理功能。 泊车眯表网桥是泊车管理系统的重要组成部分之一。设计将嵌入式系统和通讯技术 有机结合，提出了完整的泊车网桥解决方案。采用基于a r m 7 体系的l p c 2 2 9 2 作为核 心的处理器，通过外存储器、c f 卡接口电路、时钟电路、复位和晶振电路、电源管理 电路、显示驱动和按键电路、g p r s 通讯接口通讯电路、c a n 总线通讯接口电路、短距 离无线射频模块接口电路等的选型和设计完成了硬件系统的设计。在完成硬件平台研制 的基础上，按网桥与管理计算机、手持机：信息终端进行信息交互的实际传输模式，分 别制定了通讯协议，并依据协议进行了软件设计和系统测试。经过实际试用表明，完成 的泊车咪表网桥系统网络桥接安全可靠，通讯准确顺畅，各项指标达到了设计要求。 关键词：泊车咪表，网桥，通讯协议，嵌入式 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t am o r es c i e n t i f i ca n df e a s i b l es o l u t i o n sf o rp a r k i n gi si nag r e a tn e e da st h ep a r k i n g r o b l e m si nc h i n aa r eg e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sn o w t h ep a r k i n gm a n a g e m e n t s y s t e m d e s i g n e db yo u rr e s e a r c h i n gt e a mi sv e r ye f f i c i e n t ap a r k i n gm e t e rn e t w o r kb r i d g et a k e st h e r o l eo fc o m m u n i c a t i o ni nt h ew h o l es y s t e m w h i c hc a nt r a n s f c rt h ei n f o r m a t i o no ft h e t e r m i n a lt ot h ep a r k i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tp ca n dt h ep a r k i n gh a n d s e t sb yc a n b u s a n da l s oc a nt r a n s f e rt h ei n f o r m a t i o no ft h ep a r k i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tp ca n dt h e p a r k i n gh a n d s e t st ot h et e r m i n a lb yn e t w o r kb r i d g e f u r t h e r m o r e ，i th a st h em a n a g e m e n t f u n c t i o n ss u c ha ss h o w i n gt h ep a r k i n g i n f o r m a t i o n ，s h o w i n gt h eh i n t se t e 。 ap a r k i n gm e t e rn e t w o r kb r i d g ei so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r t si nt h ep a r k i n g m a n a g e m e n ts y s t e m a ni n t e g r a t e ds o l u t i o no ft h ep a r k i n gm e t e rn e t w o r kb r i d g eh a sb e e n d e v e l o p e db a s e do ne m b e d d e ds y s t e m sa n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h eh a r d w a r e s y s t e mw a sd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e d ，w h i c hi n c l u d e sl p c 2 2 9 2a st h ec o r ep r o c e s s o r b a s e do na r m 7s y s t e m ，t h em e m o r y ，c fc a r di n t e r f a c ec i r c u i t s ，c l o c kc i r c u i t ，c r y s t a la n d r e s e t c i r c u i t ，p o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t s ，d i s p l a y d r i v e r sa n dk e y c i r c u i t ，g p r s c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec i r c u i t s ，c a nb u sc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec i r c u i t s ，r a d i o f r e q u e n c ym o d u l e si n t e r f a c ec i r c u i t s ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw a sd e v e l o p e db a s e do nt h e p r a c t i c a li n f o r m a t i o nt r a n s f e rm o d eo ft h en e t w o r kb r i d g e 州t 1 1t h em a n a g e m e n tc o m p u t e r s ， p a r k i n gh a n d s e t sa n dt h ei n f o r m a t i o nt e r m i n a l t h es o f t w a r ew a sd e s i g n e da n dt h es y s t e m w a st e s t e da c c o r d i n gt ot h ep r o t o c o lb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h ep r a c t i c a lu s eo ft h es y s t e ms h o w st h a tt h ep a r k i n gm e t e rn e t w o r kb r i d g es y s t e mr e a c h e s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n tw i t hs a f ea n dr e l i a b l et r a n s m i s s i o na n ds m o o t l lc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：p a r k i n gm e t e r s ，n e t w o r kb r i d g e ，c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l e m b e d d e ds y s t e m s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除- r d n 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：至刍二兰；迄 泸弼年s 只灞日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文；。按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：差叁! 垂垒 卅年莎月谬日 硕士论文 泊车咪表网桥系统设计 1 绪论 1 1 概述 随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，城市汽车数量飞速增 长，城市交通拥挤现象日益严重，行车难、停车难的矛盾越来越突出。 一方面汽车数量的高速增长必然使泊车需求更加迫切，而目前我国大部分城市泊车 场建设在数量和质量上无法满足泊车的需要；另一方面有限的道路被乱停、乱放的车辆 占用，阻碍了动态交通的发展。根据有关调查统计，广州市占道停车面积达道路总面积 的4 0 ，上海市某些地段占6 4 ，武汉市占5 5 6 0 ，北京市如果解决了占道停车问 题，至少可以腾出2 5 的路面用于车辆行驶。 目前，国内大多数泊车场管理是采用人工磁卡计费管理系统，是基于独立停车场设 计的，只能完成单个泊车场的泊车管理，系统信息是封闭的，信息无法在停车场间交互， 驾驶员无法得到实时、动态的泊车信息，泊位利用率较低，这种弊端在车流量大的公共 场所更加明显，有的泊车场爆满，有的泊车场空缺，泊位利用不平衡，另外其设备无自 动车辆感应识别功能，栅栏机人工操作，并且无法实现城网控制、报警、远程财务结算、 与银行联网结算等功能，不能满足泊车的管理需求，也无法满足我国泊车市场的发展需 要。 国内先后有五十多个城市尝试引进使用咪表对路边泊车进行管理，从实际应用情况 看，社会效益和经济效益并不理想，因此在大部分城市未能推广使用。车不停在规定的 地点或停车不刷卡的现象比较普遍，公众自觉自愿自主的交费意识和道德行为尚未形 成。这些，不能简单的用“对”、“错”、“好”、“坏”来进行评价和衡量，它同我们的“文化” 及“环境”紧密相联。这种意识和行为的改变，仅仅依靠个人自觉是无法在短期内实现的， 这就需要通过管理服务技术手段的革新来实现对故意欠费、逃费行为的约束。另外，传 统固定式停车收费表管理模式存在以下问题：价格昂贵、制造成本高：管理复杂，要求 专人定期抄表；维护成本高，故障率高；功能单一，维护困难，安全保密性差。客户退 卡、充值必须到专门的营业点，不方便，漫游( 异地使用) 困难。因此，照搬国外已有 的管理办法并不能根本解决问题，我们必须从国情出发，提出切实可行的方案【z j 。 巨大的泊车需求、不合理的泊车行为、相对滞后的管理手段，使得城市泊车难问题 更加严峻。 1 2 国内外泊车咪表现状 咪表在上世纪三十年代出现后风行欧美，五十年代在澳洲广泛使用，之后逐步在亚 1 绪论 硕士论文 洲的日本和中国香港普及。 目前，国外知名的泊车设备制造商有：美国邓肯公司、韩国o t l s l g 株式会社、 英国曼彻克公司等。美国邓肯公司是世界上最早制造泊车咪表的公司，已有6 0 多年的 历史，是世界上最大的泊车咪表制造商，其生产的( e a g l e ) 鹰牌泊车咪表全球市场占有 率达5 0 。韩国o t l s l g 株式会社的s i g m a 品牌遍布全世界，在众多系列产品中塔 式及平面往返式停车设备以其独有的高效简便、节能环保等特点而驰名。英国曼彻克 ( m e t r i c ) 公司是一家老牌的停车设备制造公司，其多车位停车收费仪占有3 0 的世界 份额。国外咪表大多采用电子计时方式实现泊车的收费管理，有接触和非接触式刷卡两 种付费方式。近来出现了通过有w a p 功能的移动电话支付停车费用的互联网停车咪表 和支持手机短信预定泊位的咪表。国外这些产品在国内如北京、上海等大城市引进使用， 但使用效果不理想，表现出明显的“水土不服”，不能适应我国城市复杂的泊车环境。国 外产品主要暴露出以下问题：一是只适应于单个泊车场管理，无法对多个泊车场泊位实 时动态管理，不能提供整个城市系统解决方案。二是价格昂贵，维护费用高。三是无锁 定装置，易逃费和被盗。四是费率单一，缺乏弹性。而我们在实际运用中也存在观念落 后、管理不规范等原因，分析下来主要是咪表使用缺乏执法保障。各地管理部门基本上 只将咪表作为收费手段，而未将咪表作为管理手段。总的来说，国外公司还没有适合我 国国情的泊车资源信息化管理终端及系统【3 】。 目前我国的泊车咪表多为仿造国外技术开发的r f i c 卡泊车咪表，刷卡付费方式咪 表应用比较普遍。研发的重点放在计费管理功能上，关注的是单个车辆进出的时间以便 于计算时长进行计费收费。这样的管理实际上只是对卡所记录的内容进行管理，例如时 间信息和车牌信息等，这样做的后果是把卡与车、卡与用户孤立起来，没有将车辆与用 户进行有效关联，安全管理机制薄弱。 国内现有十几家研发、生产咪表的企业。由于研发和生产成本高、研制周期长、市 场规模小，咪表企业的经营状况普遍不妙，还未能形成行业规模。只有少数企业的产品 达到上千台，其他公司尚处于实验室阶段或者试点阶段【4 】。城市发展需要符合国情的泊 车管理设备，能够适用于泊车场和道路泊车建设，泊车场咪表能够将散布的单个泊车场 实施互联，系统信息丌放，能够得到实时、动态的泊车信息，道路泊车咪表能同时对多 个泊位进行实时管理，人机结合的模式能使泊位、收费人员得到有效的监控，避免费用 的流失。尽管目前国内咪表产业不景气，但由于咪表系统的投资与使用咪表的泊位数量 大致成正比，中国是一个人口大国，也是汽车大国，那么咪表系统的潜在市场非常广阔， 前景也被普遍看好。 2 硕士论文 泊车咪表网桥系统设计 1 3 研究内容 目前，我国城市因泊车需求量大、泊车资源利用不合理、泊车管理手段滞后造成的 行车难、停车难的问题日益突出，迫切需要科学可行的的解决方案，如能对现有资源进 行合理整合，提高泊车资源的使用效率、减少泊车费用的流失不失为一种有效的途径。 课题组以全新的观念设计出城市网络泊车管理系统，适用于泊车场和道路泊车系统建 设，该系统正是以我国城市交通信息化建设为背景，以现代信息技术为支撑，运用先进 管理手段，合理分布城市泊车资源，建立人机结合、远近结合、单个整体结合的有效管 理模式，在满足城市静态交通有序的同时，促进动态交通的顺畅。它把散布在城市的泊 车位资源、泊车咪表网桥、泊车信息终端与泊车管理服务运营作为高新信息技术开发的 核心内容，形成了一套科学的网络管理体系，将推动城市泊车的信息化发展。系统结构 图如图i3 i 所示。 圄占西强蚶垒 一城市泊车e c c f ：息带l ，5 l 驾驶员客户 一c ：二一 城市i p 、w i m a x g s m 平台 一五，一 城市交通指挥中l 图1 3l 城市网络泊车管理系统 课题的研究内容以城市网络泊车管理系统项目开发为背景，该项目的丌发涉及到的 内容众多，本人的主要任务是完成泊车眯表网桥子系统的软硬件设计及实现。在硬件方 面，选择合适的微处理器搭建硬件平台，完成眯表网桥系统、外围设各及通讯模块的选 型和电路设计。在软件方面，主要完成网桥和管理计算机、手持机及信息终端之间通讯 协议的制定，并完成系统软件程序的编写。在此基础上，对系统进行测试和调试，以期 达到系统的设计要求和功能实现。 隰 忽一淋箩一 k ；髓， 箍翅一 g 潮 哺 乡母引 删 乡器熊 瓣噍源髭 4 1 绪论硕士论文 论文旨在阐明泊车咪表网桥系统的软硬件设计及实现，全文共分六章。 第一章是绪论，首先从停车场和道路泊车两个方面对当前我国城市泊车状况进行分 析，而后对国内外泊车咪表的应用和技术状况进行阐述，最后对课题的提出及本人在其 中的研究任务进行了说明； 第二章是泊车管理系统总体构建，对泊车管理系统的工作原理、组成模块进行了阐 述，对网桥进行了研究； 第三章是泊车咪表网桥系统的硬件设计，首先描述了硬件所要实现的功能及硬件的 构成，其次是硬件的选型和电路的设计，最后是网桥通讯接口电路的设计； 第四章是泊车咪表网系统的软件设计，按网桥与管理计算机、手持机、信息终端进 行信息交互的实际传输模式，分别制定了通讯协议，并依据协议进行了主程序软件和子 程序软件设计； 第五章是系统的测试，在完成系统软硬件设计的基础上，对系统进行测试，并对结 果进行了分析； 第六章是总结和展望，说明完成的主要工作以及工作取得的成果和创新，在此基础 上分析了系统存在的不足，并对系统的应用前景进行展望。 硕士论文拍车咪表网桥系统设计 2 泊车管理系统总体构建 城市网络泊车管理系统从行业需要出发，以现代信息、网络技术为支撑，改进管 理手段，合理分布城市泊车资源，适用于我国城市泊车场和道路泊车建设。 2 1 泊车管理系统工作原理 城市网络泊车管理系统把散布在城市的泊车位资源、泊车咪表网桥、沁；信息终 端、泊车管理中心结合为一个有机的整体，是一套科学的网络管理体系。 城市网络泊车管理系统主要由泊车信息港管理计算机、泊车咪表网桥、泊车手持 机、泊车信息终端四部分组成，如图2 1 1 所示。泊车信息终端检测车位信息，泊车手 持机是协管员的管理工具，泊车信息港管理计算机完成数据的备份和分析、发送费率 设置等信息以及会员预订车位等功能，而泊车咪表网桥则是起着衔接几个模块之间的 通讯及计时收费等功能。 图2 ，1 1 城市网络泊车管理系统f j 作原理幽 系统的工作原理是：泊车信息终端将得到的车位信息数据发送到泊车咪表网桥， 泊车咪表网桥收到数据后，对数据进行处理后转发给泊车信息港管理计算机，管理计 2 泊车管理系统总体构建硕士论文 算机对数据进行处理后，将新的数据经泊车网桥发送至泊车信息终端。泊车手持机、 泊车咪表网桥、泊车信息终端之间以同样的方式进行信息交互。 2 2 泊车管理系统的组成 2 2 1 泊车咪表网桥 泊车咪表网桥是整个管理系统的中心，是管理系统各模块间的桥梁。它可将泊车 信息终端的信息通过c a n 总线传到泊车信息港管理机和手持机，也可将泊车信息港管 理机和手持机发来的信息通过网桥传给泊车信息终端，同时具备显示泊车信息( 如车 场编号、车牌号、进出车场时间、收费标准、停车费用等) 、提示( 如车位信息、车 辆出、入车位及发生抢盗时的报警呼叫提示) 等管理功能。 功能要求：采用低功耗嵌入式c p u 系统，有大容量的f l a s h 存储器，可以容纳 5 0 0 0 条停车记录，并保证停电情况下数据保存1 0 年不丢失；i c 卡、无线i c 卡手持机 与网桥之间以非接触方式进行操作；大屏幕l c d 显示；通过r f 通讯方式，设置各种 费率，如固定费率、浮动费率和累计费率等；带有后备电源，保证在停电的情况下， 系统仍能可靠工作7 2 小时，低电压、低功耗设计，全天候工作：提供g p r s 通讯功能， 满足城市泊车信息港管理的需要；系统自动计算车辆停车时间，并根据停车费率的设 置计算停车费；每个泊车咪表网桥管理泊车位大于1 0 0 个：泊车咪表网桥与泊车信息 终端通过c a n 现场总线进行通讯，通信数率：5 0 k b p s 半双工方式的数据通信；泊车 咪表网桥供电电压：2 2 0 va c 士1 5 ；工作环境温度：3 5 + 6 5 ：全密封防水、防撞 击结构。 2 2 2 泊车信息终端 泊车信息终端采用道钉式结构，负责车辆入位区域探测，当系统不能完成确认时， 自动启动呼叫提示。通过磁阻传感器或红外光电传感器得到车辆入位和驶离车位信号， 由咪表网桥通过c a n 总线向泊车终端发出查询信号，有信号时通过咪表网桥的无线信 号向手持机发出信号，通知收费人员进行管理服务。 2 2 3 现场通讯总线网络 泊车咪表网桥与泊车信息终端间通讯采用c a n 现场总线网络，泊位信息通过c a n 总线与泊车咪表网桥进行实时交互，泊车信息港管理机和手持机信息经网桥转发c a n 总线与泊位进行数据交换。c a n 总线设计容量为一个泊车网桥连接1 1 0 个泊位。c a n 总线在停电情况下，与终端的通讯可以停止。 c a n 由于其高性能和高可靠性及独特的性能，现在已发展到过程控制、机械工业、 冶金工业等诸多领域。c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。c a n 硕士论文 泊车咪表网桥系统设计 总线具有- f 歹t j 主要特性【3 l 】： 1 ) 通信介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤。通信距离最远可达1 0 k m ( 5 k b p s ) ，最 大速率可达1 m b p s ( 4 0 m ) ； 2 ) 用数据块编码方式代替传统的站地址编码方式，用一个1 1 位或2 9 位二进制数 组成的标志码来定义2 1 1 或11 2 9 个不同的数据块，让各节点通过滤波的方法分别接收 制定标示码的数据。网络上任意一个节点均可以主动地向其他节点发送数据，是一种 多主总线，可以方便地构成多机备份系统。网络上的节点可以定义成不同的优先级， 利用接口电路中的“线与”功能巧妙地实现了无破坏性的基于优先权的仲裁； 3 ) 数据帧中的数据字段长度最多为8 个字节，这样不仅可以满足工控领域中传送 控制命令、工作状态和测量数据的一般要求，而且保证了通讯的实时性。在每一个帧 中都有c r c 校验及其他检错措施，数据差错率低； 4 ) 网络上的节点在严重错误的情况下，具有自动关闭总线的功能，退出网络通讯， 保证总线上的其它操作不受影响。 2 2 4 泊车信息港管理计算机 泊车信息港管理计算机是由一台计算机和相应的系统管理软件及数据库组成，其 主要工作就是通过系统管理软件实现对泊车信息终端数据信息接收，对数据进行存储、 统计、分析、查询，对网桥和手持机进行参数设置，对泊车咪表网桥、手持机及工作 人员进行监控管理。同时还具备泊位预定、手机缴费等客服功能。 2 2 5 泊车手持机 泊车手持机由泊车管理员操作，具备显示泊位信息、参数设置、读卡收费、拍照 等功能。当有车辆进出时显示泊位信息，对泊车咪表网桥和泊车信息终端进行操作， 设置、修改网桥和终端的参数，预置i c 卡读取接口，可进行读卡收费，对进出车辆车 牌拍照并存储。 2 3 网桥【5 】【6 】【7 】【8 1 网桥也称为桥接器，能连接两个或多个局域网，也能把一个较大的局域网分割成 多个网段。 2 3 1 网桥的特性 如图2 3 1 1 所示，网桥工作在数据链路层，它能连接两个局域网，根据m a c 地 址来存储转发数据帧。网桥工作在数据链路层，数据链路层又分为逻辑链路控制子层 ( l l c ) 和媒体访问控制子层( m a c ) ，不同局域网结构上的差异主要体现在m a c 层，因此网桥被用于各种局域网中m a c 层的转换。 7 2 泊车管理系统总体构建 硕士论文 图2 3 1 1 工作在数据链路层中的网桥 网桥能把一个较大的局域网分割成多个网段，也能将多个局域网互连为一个逻辑 上的局域网，使局域网上的各个节点共享资源，如图2 3 1 2 所示。 节点1 节点2 网段 段b 节点7节点8 节点9 节点l o 节点1 1 节点1 2 图2 3 1 2 网络中的网桥 2 3 2 网桥的分类 网桥主要有透明网桥、转换( 翻译) 网桥、源路由网桥和生成树网桥。 透明网桥主要用于连接两个或多个局域网网段，每个局域网网段必须使用相同的 r 硕士论文 泊车咪表网桥系统设计 技术，透明网桥不修改数据帧，完全根据局域网m a c 子层信息进行转发。在转发过程 中，透明网桥对数据进行缓存，并按照要传送到的控制协议进行转发，它对任何数据 是透明的；主机感觉不到透明网桥的存在。 转换网桥是透明网桥的一种特殊形式，它主要是用来实现使用不同协议的不同局 域网之间的互连。转换网桥通过修改发送过来的一个局域网数据帧以适应要转发的目 的局域网的数据帧格式。转换网桥在转发过程中首先要存储数据。 源路由网桥主要用于网络中连接速率不同的局域网，它要求信息源提供传递数据 帧到达目的主机所需要的路由信息，它不需要保存转发数据，信息源在发送数据时先 通过“路由探询过程”来获得到达终点的路由信息。每个源路由网桥通过网络的途径标 识和探询帧进行数据的转发。 用生成树网桥连接的网络中不允许有回路，生成树网桥彼此之间传递特殊的信息， 来使他们能计算生成树。生成树网桥的主要目标是提高网络循环连接的可用性，同时 消除网络连接带来的问题。 当网络上两个节点之间有几条路径连接，根据生成树算法，每个网桥都把它的根 端口和其他端口连接到网络上，把网桥中被选择为指定端口的端口置为转发状态，剩 下的端口则处于阻塞状态，同时每个网桥每隔一定时间就向网络中广播自己的标识和 局域网中其他网桥的生成树表，根据生成树算法，选择最好的路径置为转发状态。一 旦最佳路径发生故障，则重新计算，把原来处于阻塞状态的端口置为转发状态，保证 网络连接的唯一性。 2 3 3 网桥的操作 获取地址表：网桥接收到数据帧以后，根据自己内存中存储的地址表进行转发， 地址表是由网络主机m a c 地址和网桥的端口号组成，网桥必须获得m a c 地址和网桥 端口之间的对应关系。网桥与局域网或网段相连时，会监测该网上的所有局域网数据 帧，一旦监测到某个端口上节点发来的数据帧，就提取该数据帧的源m a c 地址，并将 该m a c 地址和接收该帧的端口之间的对应关系加入到该网桥的地址表中去。 转发或过滤数据帧：在局域网中，当节点1 向节点7 发送数据帧时，网桥收到数 据帧，通过查找网桥中的地址表，找到了该数据帧的目的地址和网桥端口的对应关系， 就把该数据帧转发到该端口。需要注意的是，当网桥在某接口处收到广播帧或多播帧 时，网桥需要向其余的端口进行转发。如图2 3 3 1 所示。 当节点1 向节点2 发送数据帧时，由于节点1 和节点2 处于同一个物理网段，所 以网桥并不转发数据帧，而是选择丢弃数据帧即过滤数掘帧。 9 2 泊车管理系统总体构建硕士论文 节点l节点2 节占5节占6 厂 。厂 网桥 厂 厂 节点3 局域网b 节点4 节点7节点8 图2 3 3 1 连接两个局域网的网桥 如果节点l 向节点7 发送数据帧，在网桥地址表中没有找到目的m a c 地址和网桥 端口的对应关系，网桥就会把这个发往未知目的m a c 地址的数据帧向除该帧源端口外 的其余端口进行转发，这种情况下，网桥实际上充当的是集线器的角色，确保使信息 没有停止发送。 2 3 4 网桥的功能 网桥在连接网络时，能够起到网络互连、连接相同或不同类型局域网时的服务、 将网络分段、降低网络上的信息流量、克服网络物理上的限制的作用。 网桥作为连接两个或两个以上的局域网或网段，还必须具备以下几个功能： 过滤和转发：过滤速率表示网桥在同一网络中接受、检查和再生帧的能力：而转 发速率则表示网络向不同网络传送帧的能力。较高的过滤和转发速率代表着网桥具有 着高性能。 选择性转发：具有选择性转发能力的网桥可以配置为根据事先定义的源地址和目 的地址选择性转发数据帧。依靠选择性转发能力，可以定义数据帧在网络间传送的路 由，并允许或禁止在预定义的主机之间传送信息。 对多端口的支持：网桥除了支持构成网桥的两个基本端口外，还应支持额外的端 口，这样网桥能连接更多的局域网。 对局域网接口的支持：网桥支持的局域网物理接口包括以太网同轴和粗同轴电缆、 i e e e l 0 b a s e t 及其它类型的双绞线。 透明性：网桥被看作是对数据透明的，对在同一地理区域内互连的不同网络而言， 网桥通常对数据传送是透明的。 帧翻译：当网桥互连两个不同类型的局域网时，网桥必须对数据帧进行翻译，从 硕士论文 泊车咪表网桥系统设计 而使一个局域网上的数据帧能适应另一个局域网上的数据帧。 选径方式：网桥的选径能力决定其互连的局域网的能力及性能水平。透明网桥能 自动生成路由表，这种网桥称为自学习型网桥，这也是最基本的网桥选径方式。 3 泊车咪表网桥系统的硬件设计 硕士论文 3 泊车咪表网桥系统的硬件设计 网桥相当于网络中的桥梁，负责连接不同或相同结构的局域网，实现异构局域网 物理结构和网络通讯协议上的桥接。本人所研究的泊车咪表网桥系统在整个城市网络 泊车管理系统中负责与泊车信息港管理计算机、泊车信息终端及泊车手持机间的通讯， 它可将泊车信息终端的信息通过c a n 总线传到上位管理系统和手持机，也可将上位管 理系统和手持机发来的信息通过网桥传给泊车信息终端，通过它能使管理系统快速有 效地对现场设备进行监控管理。 3 1 网桥硬件概述 3 1 1 网桥硬件实现功能 泊车网桥硬件电路部分主要由四个功能模块组成。第一部分是网桥内部数据处理 模块，第二部分是网桥与泊车信息港管理计算机的通讯模块，第三部分是网桥与泊车 信息终端的通讯模块，第四部分网桥与泊车手持机的通讯模块。 同时，网桥要具备数据备份功能，及向内部提供完备的工作电源功能。 3 1 2 网桥硬件构成 根据网桥硬件所要实现的功能，设计网桥的硬件总体结构如下图所示。 数据存储器 微处理器 嵌入式 c p u r f 无线通讯 图3 1 2 1 泊车咪表网桥硬什组成框图 网桥内部控制器是由带复位电路的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器是一种集成 电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力( 如算术运算，逻辑运算、数据传送、 1 2 些 j 1 一 - 一 i l 通讯接口电路 ，1，墅i!liiii 硕士论文 泊车咪表网桥系统设计 中断处理的微处理器( c p u ) ，随机存取数据存储器( r a m ) ，只读程序存储器( r o m ) ，输 入输出电路( i o 口) ，可能还包括定时计数器，串行通信d ( s c i ) ，显示驱动电路( l c d 驱动电路) ，脉宽调制电路( p w m ) ，模拟多路转换器及a d 转换器等电路集成到一块单 块芯片上，构成一个小而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、 高效地完成程序设计者事先规定的任务。嵌入式微处理器可分为8 位、1 6 位和3 2 位的 三种规格，每种规格又根据应用领域的不同分为不同的型号，对于各种控制系统的通 信接口控制和本文所设计的网桥来说，3 2 位单片机比较合适【3 2 1 。 复位电路，用于系统的复位。 存储器，用于保存网桥的设置状态和记录重要的接口控制参数，在系统维修、掉 电或发生其他意外情况后，只要再次上电，网桥即可继续工作而不必再次设置和调整。 显示电路，用来提供可交互显示的窗口。 时钟电路，用来为网桥提供标准时间。 网桥和泊车信息港管理计算机的通讯接口电路，采用g p r s 无线通讯模块实现远 程通讯，同管理计算机进行信息交互。 网桥和泊车信息终端的通讯接口电路，即c a n 总线接口电路，用于接收泊车信息 终端的信息，并由内部控制器转发信息。 网桥和泊车手持机无线通讯接口电路，通过r f 射频方式与泊车手持机进行通讯。 3 2 网桥系统及外围电路设计 泊车咪表网桥系统硬件由微处理器( l p c 2 2 9 2 ) 、外存储器( s s t 3 9 v f l 6 0 和 i s s i i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ) 、c f 卡接口电路、时钟电路( p c f 8 5 6 3 ) 、复位( 7 0 8 ) 和晶振电路、e e p r o m 电路( f m 2 4 c l 6 4 ) 、电源电路( l m ) 、显示驱动和按键电路 ( t f t 3 2 2 4 b 3 5 ) 、g p r s ( h 7 1 1 8d t u ) 通讯接口电路、c a n 网络通讯接口电路； r f ( j z 8 7 1 ) 无线射频模块接口电路组成。 3 2 1 网桥处理器的选型1 9 j 网桥内部控制器是整个网桥的核心部件。根据本课题的要求，综合考虑装置保护 的动作速度、工作的可靠性和成本，c p u 模块采用p h i l l i p 公司生产的删7t d m i s 微处理器l p c 2 2 9 2 芯片。 l p c 2 2 9 2 是一款基于1 6 3 2 位a r m 7t d m i s ，1 4 4 引脚封装，并支持实时仿真和 跟踪的c p u ，这款微控制器特别适合自动化、工业控制、医疗系统、访问控制和故障 容限维护总线等应用领域。由于内置了宽范围的串行通信接口，也非常适合于通信网 关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。 3 泊车咪表网桥系统的硬件设计 硕士论文 3 2 1 1 特性 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s ，超小1 4 4 引脚封装； 1 6 k b 片内s r a m ； 2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器，1 2 8 位宽度接口力口速器可实现高达6 0 m h z 工 作频率； 可加密：全球首个实现可加密的a r m 微控制器； 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) ，5 1 2 字节行编程时间为l m s ，单扇区或整片擦除时间为4 0 0 m s ； e m b e d d e di c e r t 可实现断点和观察点。当使用片内r e a l m o n i t o ：软件对前台 任务进行调试时，中断服务程序可继续运行； 2 路互连的c a n 接口，带有先进的验收滤波器，另有2 路u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) ，高 速1 2 c ( 4 0 0 k b i t 5 ) 及2 路s p i 总线； 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 a s ； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 实时时钟和看门狗； 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址； 1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断引脚； c p u 工作晶振频率最大为6 0 m h z ，并内嵌片内可编程锁相环p l l ； 片内晶振频率范围：1 一3 0 m h z ； 两种低功耗模式：空闲掉电： 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 外设功能可单独使能禁止，实现功耗最优化； 双电源 c p u 操作电压范围：1 6 5 _ 1 9 5 v ( 1 8 v 士o 1 5 v ) ； i o 操作电压范围：3 0 3 6 v ( 3 0 v + 1 0 ) ，可承受5 v 电压。 3 2 1 2 结构 l p c 2 2 9 2 的结构见图3 2 1 1 ，它包含一个支持仿真的a r m 7t d m i sc p u 、与片 内存储器控制器接口的a r m 7 局部总线，与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片内外设功能的v l s i 外设总线( v p b ，a r m a m b a 总线的兼容超集) 。l p c 2 2 9 2 将a r m 7t d m i s 配置为小端( l i t t l e - e n d i a n ) 字节顺序。 1 4 硕士论文 泊车咪表网桥系统设计 图3 2 1 1l p c 2 2 9 2 结构框图 a h b 外设分配了2 m b 的地址范围，它位于4 g ba r m 存储器空间的最顶端。每 个a h b 外设都分配了1 6 k b 的地址空间。l p c 2 2 9 2 的外设功能( 中断控制器除外) 都 连接到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将a h b 总线和v p b 总线相连。v p b 外设也分配 了1 6 k b 的地址范围，从3 5 g b 地址开始。每个v p b 外设在v p b 地址空间内都分配 了1 6 k b 地址空间。 片内外设与器件引脚的连接由明脚连接模块控制。软件可以通过控制该模块让引 脚与特定的片内外设相连接。 3 2 1 3 引脚描述 l p c 2 2 9 2 微处理器共有1 4 4 个引脚，有些引脚是多个功能复用的( 见图3 2 1 2 ) 。 3 泊车咪表网桥系统的硬件设计 硕士论文 幽3 2 1 2l p c 2 2 9 2 微处理器引脚图 p o 口、p l 口、p 2 口、p 3 口都是一个3 2 位双向i o 口。每个位都有独立的方向控 制。管脚的操作取决于管脚连接模块所选择的功能，多个功能复用的引脚在同一时刻 只能使用乒由的一个曲台告一苴中p 0 口的p 0 2 6 和p o 3 1 不可用以及p 1 口豹p 1 2 - p 1 1 5 ， 不可用。 3 2 2 外存储器和c f 卡接口 ， 存储器是嵌入式系统的重要组成部分，它用来存储程序和数据。l p c 2 2 9 2 处理器 片上具有1 6 k br a m 和2 5 6 k bf l a s h 存储器，在设计时，将2 5 6 k bf l a s h 用来存放系 统的启动加载程序，1 6 k br a m 用来存放系统的中间变量，但是泊车咪表网桥需要采 集存储大量泊车数据，片上存储容量显然不能满足系统对存储容量的要求，因此，在 设计中外扩了2 m 的f l a s h s s t 3 9 v f l 6 0 ，另外扩展了2 5 6 k 字的r a m i s s l 6 1 l v 2 5 6 1 6 。 1 6 硕士论文泊车咪表网桥系统设计 s s t 3 9 v f l 6 0 是一个c o m s 多功能f l a s h 器件，1 6 位数据线宽度，共2 m b 容量， 单电压的读和写操作，电压范围3 o 一3 6 v 【l o j 。 i s s i i s 6 l l v 2 5 6 1 6 a l 是一个高速4 ，1 9 4 ，3 0 4 位的静态r a m ，可组成2 6 2 ，1 4 4 个字 ( 1 6 位) 。该器件由i s s i 的高性能c m o s 技术制造而成。 i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 含有以下封装形式：j e d e c 标准4 4 脚4 0 0 m i ls o j 、4 4 脚 t s o p t y p e i i 、4 4 脚l q f p 和4 8 脚m 诚b g a ( 8 m i n x 1 0 m m ) 【j 。 在嵌入式系统中，控制器对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地址信 号，然后发出读写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据的读写。所以，l p c 2 2 9 2 与f l a s h 、r a m 和存储器连接时，只要将存储器的数据线、地址线和控制线与l p c 2 2 9 2 的地址、控制、数据信号线连接即可。 日i a dc d i l d i d 口3 d i l t 7 j o ”1 0 2 ，i d 2 0jt = 【开z d 2 i 4 c o dd 1 2 t c n 0 0 ，d 1 3 融，j oa 3 0 o o b i j ii t c s 0， 衄，o i s 2 t c ：i z c 铀c s i ：j 1 9 io，v：i j 1 _ r d dl i o n r ：i l ，啦d j ， t 计t q1 i o ，t i l oi，臂 j o ，帆口 ：7 t 叮 l jj = w cv c c 3 i 1- 5 o c s 缸 di i m j ，v ：2 柏l o il i o 琅日。 4 i t r ：r r l i 030且e 2 t * 置c r l1 0 o ta 氕， j r 0_ 0 丘f v 4 , 1 o i i o , c 3 a , ：p ； t o “s p d l ，t d d d o o t 州孙口 d lz2 j id 姑 d 1 4 r c s i ad0d = d y j d 2 ， ，0 匕：i d i o 4 9a 0 0 r r o 删 i 0 cd畸o十fd c f - 亡服d 啪v 芈 卜坐 上上v i j v i i 图3 2 2 1 外存储器和c f 接口电路图 l p c 2 2 9 2 在芯片生产时已直接配置为小端存储格式，不支持存储格式选择。处理 器将外部存储空间分为四个可单独配置的存储器组( b a n k 3 也a n k o ) ，每个存储器组 1 7 3 泊车咪表网桥系统的硬件设计硕士论文 的最大寻址空间为1 6 m ，总线宽度可为8 位、1 6 位、3 2 位。其中，处理器的b a n k o 可以用于引导程序运行。 在与外部存储器进行连接时，如外部存储器数据宽度为1 6 位，则处理器的地址线 a 0 不用( 保证半字对齐) ，如果外部存储器数据宽度为3 2 位，则处理器的地址线a 0 、 a 1 不用( 保证字对齐) 。 考虑到系统有相当大的数据量需要存储，为了便于转移保存，所以本系统中提供 a r m 的f o 口来模拟接口，c f 卡通过此接口与系统连接。外存储器和c f 卡接口电路 如图3 2 2 1 所示。 3 2 3 时钟电路和e e p r o m 系统需要一个高精度的实时时钟，要求在断电数天内仍能工作。设计中，采用一 个基于1 2 c 总线结构的时钟芯片p c f 8 5 6 3 ，利用l p c 2 2 9 2 单片机对它进行串行扩展， 并实现读写控制。 p c f 8 5 6 3 时钟芯片具有多种报警功能、定时器功能、时钟输