（电子科学与技术专业论文）基于wifi和以太网的数据传输技术研究.pdf

摘要 在i n t e r n e t 的飞速发展的今天，以太网通信技术和人们的日常生活息息相关，而 且已经成为当前主流的信息通信方式，同时随之崛起的w i f i 技术也迅速融入到社会的 各个角落。在工业控制领域，c a n 自诞生之日起，发展了二十多年，技术日益完善，该 技术从最初的汽车领域起步，到现在深入到生活的方方面面，其发展速度超过了人们 的想象。本文依据工厂项目的要求，为了实现w i f i ，以太网和c a n 总线的通信做出了 大量的研究。 在文章的开始，对以太网，c a n 总线以及w i f i 在国内外的发展和应用情况，以及 三种通讯方式的协议和技术规范进行了详细的介绍和分析，同时，根据用户的要求， 通过u a r t 作为桥梁，提出了设计方案。 在文章的中部重点部分，使用带t c p i p 的嵌入式芯片c 0 2 1 2 8 s e c ，实现了u a r tt o e t h e r n e t 的功能；使用w i f i 模块，通过c 0 2 1 2 8 实现了e t h e r n e tt ow i f i 的功能；使 用a t m e l 公司的a v rm e g a l 2 8 设计了u a r tt oc a n 的功能，并且分别对各模块，进行 了测试和分析。其中还涉及到从芯片的选择，硬件电路的实现，a t + i 语言的编制等方 面说明了开发的流程和方法。 在文章的后部，着重对系统进行了测试，以及对仍存在的问题和未完成的工作进 行了分析，并提出了解决方案和下一步研究方向。 文章设计的这几个模块，在加装了m a x 2 3 2 等电平转换芯片后，就可以方便的实现 r s 2 3 2 r s 4 8 5 转以太网w i f i c a n 的功能，而且通过简单的设置就可以实现几种通讯方 式相互结合，有很高的实际意义。 关键词：c a n ，以太网，w i f i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e i n t e r n e tt o d a y ，e t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g ya n dp e o p l e sd a i l yl i v e s ，a n d h a sb e c o m e t h em a i n s t r e a mo f i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o n ，s ot h ew i f i i nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l ，t h e c a nc h ii db i r t h ，t h ed e v e l o p m e n to fm o r et h a nt w od e c a d e s ，t e c h n o l o g yh a s i m p r o v e ds t e a d i l y ，c a rf r o mt h ei n i t i a ls t a r t i n ga r e a s ，a n dn o wd e e pi n t oe v e r y a s p e c to fo u rl i v e s t h i sa r t i c l ei no r d e rt oa c h i e v ee t h e r n e ta n dc a nb u s c o m m u n i c a t i o n sh a sm a d eal o to fr e s e a r c h i nt h ea r t i c l eb e g i n n i n go nt h ee t h e r n e t ，c a nb u s a n d w i f i i nt h e d e v e l o p m e n ta n da p p li c a t i o na th o m ea n da b r o a d ，a sw e l la s t h r e ek i n d so f c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s f o rad e t a i l e d d e s c r i p t i o na n da n a l y s i s ，w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h eu s e r sr e q u e s t ，t h r o u g hu a r t a sab r i d g e ，p r o p o s e dd e s i g n k e yp a r ti nt h em i d d l eo ft h ea r t i c l e ，u s ew i t ht c p i pe m b e d d e dc h i p c 0 2 1 2 8 s e c ，r e a l i z e du a r tt oe t h e r n e tf u n c t i o n ：u s ew i f im o d u l ec 0 2 1 2 8a c h i e v e d t h r o u g he t h e r n e tt ow i f if u n c t i o n ：u s i n ga t m e la v rm e g a l 2 8c h i po fa t m e lc o m p a n y d e s i g n e du a r tt oc a nf u n c t i o n a l i t ya n ds t a b i l i t yo fe a c hm o d u l ei st e s t e da n d a n a l y z e d w h i c ha l s oi n v o l v e st h ec h o i c ef r o mt h ec h i p ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t i m p l e m e n t a t i o n ，a t + ia n ds ot h ee t h e r n e t g u a g ed e s c r i b e st h ep r e p a r a t i o no f t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dm e t h o d s t h er e a ro ft h ea r t i c l e ，f o c u s i n go nt h es y s t e mt e s t e d ，a n dt h ep r o b l e m s t h a tr e m a i nu n f i n i s h e dw o r ka n dt h ea n a l y s i sa n dp r o p o s e ds o l u t i o n sa n df u r t h e r r e s e a r c hd i r e c t i o n s t h i sa r t i c l ed e s i g ns e v e r a lm o d u l e s ，s u c ha st h ei n s t a l l a t i o no fam a x 2 3 2 l e v e lc o n v e r t e rc h i p ，y o uc a ne a s il ya c h i e v er s 2 3 2 r s 4 8 5t oe t h e r n e t w i f i c a nf u n c t i o n a li t ya n ds i m p l es e t u pc a nb ea c h i e v e ds e v e r a lc o m m u n i c a t i o n s a p p r o a c hc o m b i n e dw i t hah i g hu s e f u l k e y w o r d s ：c a nf i e l db u s ， e t h e r n e t ， w i f i 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 以太网的发展及应用前景 1 1 2 现场总线c a n 的发展及应用前景 1 1 3w i f i 的发展及应用前景 1 2 课题背景2 1 3 国内外研究状况并提出解决方案2 1 4 论文的研究内容以及论文结构2 第二章基础概念4 2 1 现场总线c a n 的技术规范的介绍4 2 1 1 简介及基本概念5 2 1 2 传输格式与编码6 2 2 以太网协议的介绍和实现8 2 2 1t c p i p 协议的实现8 2 2 2i p 层及相关协议实现9 第三章硬件电路设计一基于c 0 2 1 2 8 芯片1 l 3 1 硬件系统的整体构架1 1 3 2 模块的分析和选择1 2 3 3 硬件电路设计15 3 3 1u a r t 转以太网1 5 3 3 2u a r t 转w i f i 15 3 3 3u a r t 转c a n 1 5 3 3 4 其他电路1 6 第四章功能实现1 8 4 1u a r t 转以太网通信的实现18 4 2u a r t 转w i f i 通信的实现2 2 4 3u a r t 转c a n 通信的实现2 5 第五章系统测试与总结3 0 5 1 系统的对比3 0 5 2 数据通信测试3 0 5 2 1r s 2 3 2 转c a n 通信测试3l 5 2 2r s 2 3 2 转w i f i 通信测试3 2 5 2 3r s 2 3 2 转以太网稳定性测试3 4 i i i 5 3 网络的架设3 6 5 4 未完成的工作3 8 5 4 1 客户环境中各被控制模块的协议的实现。3 8 5 5 总结3 8 附录4 0 参考文献。4 1 j 改谢4 3 1 1 引言 1 1 1 以太网的发展及应用前景 第一章绪论昴一早三百下匕 在i n t e m e t 的飞速发展的今天，以太网通信技术和人们的日常生活息息相关，而且 已经成为当前主流的信息通信方式。同时因为其速度快、互操作性好、扩展性强、价 格便宜等优点，得到了嵌入式领域的广泛认同和应用。比如说，当一台设备需要随时 进行监控，诊断，测试和配置时，可以利用网络功能，无地域限制的实时监控，以完 成这项工作。因此，市场对嵌入式以太网设备的需求空前高涨，深入到以太网通信研 究领域的公司也越来越多，在国外，很多公司推出了整合以太网协议功能的c p u ，如 以色列的c o n n e c t i o no n e 公司推出的c 0 2 1 2 8 芯片，该芯片在内部集成网络应用包，可 供嵌入式系统开发。由此可见，人们生活中的各种设备，都有可能连上局域网，甚至 是广域网，将生活在网络中，一个嵌入式系统和i n t e m e t 相结合的时代，也就是业内称 为物联网的时代。 1 1 2 现场总线c a n 的发展及应用前景 c a n 自诞生之日起【2 j ，发展了二十多年，技术日益完善，该技术从最初的汽车领 域起步，至现在深入到生活的方方面面，证明了c a n 的潜质，也展现了c a n 的未来。 尤其是2 1 世纪后，c a n 又有了长足的进步：首先，c a n 的控制器芯片品种繁多，同 时支持c a n 功能的综合性芯片也迅速增长，甚至已经成为了部分嵌入式系统的必备单 元，其次，世界范围内的同行们，在积极的推广c a n 的高层协议的制定和推广，目的 在于让现场总线产品实现国际标准化，实现不同厂家产品的互联通用。在此基础上， 我国也逐渐认识和接纳了以c a n o p e n 和d e v i c e n e t 为代表的规范。 目前的社会各个领域，尤其是工业控制领域中，c a n 总线应用已经非常的广泛， 其在过程控制自动化，制造加工自动化等自动控制领域，以及远程数据采集，医疗领 域都有着广泛的应用。由于各种领域的情况各不相同，同时底层的硬件设备由多家厂 商分别控制和开发，所以，在利益的驱使下，这种现场总线的标准至今都难以统一起 来，使得该领域中共存着几十种现场总线的标准。这些标准都有其各自的特点，同时 各种标准也在其厂家的推动下，在各自的领域形成了优势。所以，今后的很长时间内， 将面对几大总线模式并存的现象里，在某些复杂的环境中，一个网络里甚至会有几种 总线标准的设备通过各自的网管和设备连接在一起，实现控制和数据共享的情况。 1 1 3w i f i 的发展及应用前景 这几年来，w i f i 在人们生活中迅速普及起来，尤其是无线路由器的广泛使用，促 进了无线网络的发展，已经成为了人们生活中不可或缺的一部分，由此可见w i f i 正在 日益普及，将在未来几年内迅速发展。 w i f i 作为高速有线接入技术的补充，因为其可移动性，价格低廉等特点受到人们 的青睐，同时，还可实现局部区域内的高速无线接入，发挥w i f i 无需布线、投资少等 优点，w i f i 技术在宽带应用上将作为高速有线接入技术的重要补充也得到人们的认可。 1 2 课题背景 根据工厂要求如下： 1 ) 在不更改现有设备的基础上，增加c a n 接口设备与i n t e r n e t 的连接功能， 2 ) 无需设置，或仅需简单的设置就可以将设备加入网络，实现即插即用。 3 ) 成本低廉，开发周期短。 4 ) 由于工厂环境复杂，布线成本高。部分位置考虑采用w l f i 来进行网络的连接。 5 ) 要兼容工厂内部控制和采集通讯协议。 1 3 国内外研究状况并提出解决方案 国内：在国内很少有企业生产出专用的c a n e n t h e r n e t 的设备，即使有，也 是需要对现有设备进行软件或者硬件上的改造。同时也有一部分厂家是作为国外代理 在国内销售，因此造价高昂，成本过高，不符合厂商要求。而针对w i f i 的转换设备更 是难寻 3 1 。 国外：大部分产品都是基于a r m 7 的嵌入式网络开发的基础上实现的，速度快， 稳定性强，但是价格高，售后困难，不利于大规模使用和推广。同时，上位机软件主 要为英文，同时部分设备不兼容，需要重新设计软件，开发周期长。 根据客户需求，列出系统的原理框图如图1 1 所示。 1 4 论文的研究内容以及论文结构 第一章中，阐述了以太网，c a n 总线以及w i f i 在国内外的发展和应用情况，同 时，根据用户的要求，提出自己的方案，并对方案进行了简单的介绍和结构分解。 第二章中，对三种通讯方式的协议和技术规范进行了详细的介绍和分析，同时， 提出了解决方法。 第三章中，使用u a r t 作为中间协议转换，提出了集成网络协议的专用芯片进行 2 了开发，分别实现c a nt ou a r t ，u a r tt oe n t h e r n e t ，e n t h e r n e tt ow i f i ，并对 系统的开发流程进行了说明。 第四章中，对该系统进行了详细的比对和选择。以及对仍存在的问题进行了分析， 并提出了解决方案和下一步研究方向。 第五章中，对系统仍存在的问题和未完成的内容进行了分析和介绍，提出了下一 步研究的方向。 图1 1 系统原理框图 t 第二章c a n 总线技术与以太网协议介绍 2 1 现场总线c a n 的技术规范的介绍 在1 9 9 1 年的9 月，b o o s c h 公司应对c a n 总线技术的大范围的应用，规范和统一 了通讯协议，并颁布的c a n 总线技术规范。这个技术规范分为a 、b 两大部分，其中 a 部分在以往的c a n 总线标准中规定c a n 报文的格式，而b 部分则明确了标准帧和 扩展帧这两个不同类型的帧。 随后，i s o 标准组织在1 9 9 4 年1 0 年，制定并发布了高速通信控制器局域网( c a n ) 的国际标准( i s o l l 8 9 8 ) ，实现了工业控制局域网络的标准化，推动了整个行业的标准 化进程【l 】。 为了保证任意两个c a n 总线设备之间的相互通讯的兼容性，这其中包括电器特性 和数据转换的解释。需要按照i s o o s i 的参考模型，将c a n 进行细分，化为不同的层 次。 这其中首先标明的就是数据链路层，在数据链路层中，含有两个不同的子层，一 个是逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。在这两个子层中，逻辑链路控制子层的 主要工作是对远程数据的发送和接收请求做出反应，同时为数据的传输提供服务，确 定报文中哪些数据是被验收的。介质控制子层是用来解释m a c 层的传输规则的，故障 的乔定，错误的检测，以及报文数据的仲裁执行，当要开始接受和发送数据时，都需 要从这一层开始工作的。同时，对于报文控制帧的结构实现，也是在这部分完成的【4 1 。 按照i s o 的标准，再往下一层是物理层，物理层的主要作用是实现物理层面的通 讯的实现，在一个网络中的不同节点之间有多种电路方面的特性，但是物理层对于所 有的节点是相同的，图1 1 详细介绍了各层的作用。 2 1 1 简介及基本概念 构； c a n 具有以下特性： ( 1 ) 可以确定报文的优先级的高低； ( 2 ) c a n 通讯可以保证和控制延迟的时间； ( 3 ) c a n 通讯的设置方式非常灵活； ( 4 ) 在时间同步后，可以进行多点接收； ( 5 ) 可以保证整个c a n 通讯系统内数据的一致性； ( 6 ) 在整个c a n 总线上是无主从结构的，但是可以通过标识符来实现多主机结 4 ( 7 ) c a n 总线具有错误检测以及标定错误报文的功能； ( 8 ) 同时，在总线处于空闲的阶段，c a n 总线收发控制器就会自动将破坏的报 文重新发送； ( 9 ) c a n 总线可以自动屏蔽节点的永久性错误【5 1 。 2 1 1 简介及基本概念 图2 1c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 c a n 具有以下特性： ( 1 0 ) 可以确定报文的优先级的高低； ( 1 1 ) c a n 通讯可以保证和控制延迟的时间； 。 ( 1 2 ) c a n 通讯的设置方式非常灵活； ( 1 3 ) 在时间同步后，可以进行多点接收； ( 1 4 ) 可以保证整个c a n 通讯系统内数据的一致性； ( 1 5 ) 在整个c a n 总线上是无主从结构的，但是可以通过标识符来实现多主机结 构； ( 1 6 ) c a n 总线具有错误检测以及标定错误报文的功能； ( 1 7 ) 同时，在总线处于空闲的阶段，c a n 总线收发控制器就会自动将破坏的报 文重新发送； ( 1 8 ) c a n 总线可以自动屏蔽节点的永久性错误【5 1 。 2 1 2 传输格式与编码 c a n 传输采用报文传输，一共有2 种不同的帧格式，其不同之处在于标识符域的 长度不同：含有1 1 位标识符的帧称之为标准帧；含有2 9 位标识符的帧称之为扩展帧【6 】。 报文传输的帧也各有不同，报文一共有4 个不同类型的帧：一种是数据帧其作用是 将发送数据，一种是远程帧，其由总线单元发出，用来请求总线再次发送具有同一标 识符的数据帧的，另一种帧是错误帧，当c a n 总线上的节点检测到总线上的任何作用 的时候，就会向总线上发出错误帧，用来告知网络上的其他节点。最后一种是过载帧， 其作用是在相邻的数据帧之间提供通讯延时，以保证数据的正确传输。 在这几种帧的格式中，数据帧和远程帧含有标准帧及扩展帧2 种格式。在本论文 中只对数据帧进行了探讨。 数据帧由以下7 个不同的位域组成：其具体的名称参见下图：其中数据域的长度 可以为0 0 报文的数据帧结构如图2 2 所示。 应答域 载帧 帧结尾 图2 2 报文的数据帧结构 为了研究多种协议间的数据通信，必须对每种协议有深入的了解，下面就对数据 帧的各部分作简单的介绍 帧起始：在帧起始的部分，其是由一个显性位组成的，首先检测总线的状态， 如果其处于空闲时，才会被允许发送信号。 仲裁域：仲裁域对于两种不同的帧格式时，其结构也是不同的。 在标准的格式里，仲裁域是由l l 为标识符和r t r 位组成，数据帧标准格式中的 仲裁域如下图所示： 6 骂l 1 1 位标识符 离l 善1 苫l d l c 图2 3 数据帧标准格式中的仲裁域结构 在扩展格式里，仲裁域包括2 9 位标识符、s r r 位、i d e 、r t r 位。数据帧扩展格 式中的仲裁域如图2 4 所示：在以往的c a n 规范标准中，保留位成为i d e ，这里为了 保证兼容性，同时方便区分两种不同的格式，本文中也这样表示。 仲裁域 e 控制域 数据域f 图2 4 数据帧扩展格式中的仲裁域结构 标识符 标识符和帧的格式一样被分成了两类，两种不同的标识符的区别在于标准格式的 标识符其长度只有1 1 位，而扩展格式的标识符有2 8 位，1 1 位的基本i d 以及1 8 位的 扩展i d ，而标准帧的标识符其实就是这1 1 位的基本i d ，在基本i d 中，规定了报文的 优先级等信息7 】 r t r 位 r t r 就是远程发送请求位，其在i d e 位和s r r 位之间，根据帧的类型的不同而不 同，例如，当r t r 位于数据帧的情况下，r t r 就是显性的，当其为隐性的，就是在远 程帧中。同时，在扩展格式时，扩展i d 的发送要位于其后。 仲裁域结构中的s r r 的作用主要是用于仲裁，当两种不同的帧发生了冲突， 同时，两种帧的标识符也是相同的情况下， 帧来对数据进行处理。这里需要注意的是， 会由仲裁位按照标准帧的优先级高于扩展 s r r 在两种格式中都为隐形位 最后还有一位是i d e 位，其只属于扩展格式中的仲裁域，以及标准格式中的 控制域。其区别在于一个为显性，一个为隐性。 控制域 控制域的结构如图所示，同样，其也根据两种不同的格式而有所不同，如在标准 格式中，会包含数据长度的信息，但扩展格式中有数据长度的信息，也有两个保留位。 仲裁域控制域j 数据域 i d e r lr 0d l c 3d l c 2d l c ld l c 0或c r c 域 保留位 数据长度代码 图2 5 控制域结构 数据长度代码d l c 如表2 1 所示。 7 缩写：d 显性( 逻辑0 ) ；r - - 隐形( 逻辑1 ) 。 表2 1 数据帧长度代码d l c 数据字节的数据长度代码 数目d l c 3d l c 2d l c ld l c 0 oddd d 1dddr 2ddr d 3ddrr 4 dr d d 5drdr 6 d rrd 7drrr 8rddd 2 2 以太网协议的介绍和实现 2 2 1t c p i p 协议的实现 按照i s o 的标准，t c p i p 在实际应用当中，将其分为了4 层，这四层的分层情况 请参照下图，其中每一层都完成不同的通信功能，如图2 6 所示。 物理传输介质 图2 6t c p i p 的体系结构 在i s o 标准中对于分层有详尽的说明，其中链路层作为硬件的接口层，成为了整 个系统的基础，其包含了e t h e m c t 等网络标准在其中9 1 。 而在网络层，可以从图中确认出相应的协议内容，如i p ，a r p 等。其中非常重要 的就是i p 层。当需要将各个网络组建成一个i n t e m e t 网络，并通过该网络进行数据的 发送和接收，那么就需要使用i p 层，其不仅仅可以实现上述的功能，还把i p 地址和 m a c 地址的数据进行了分析和处理，为数据的传输提供无连接报文分区传送的服务工 作。 更高一层的是传输层，按照i s o 的标准里的说明，在这一层中有t c p 和u d p 等 主要协议内容。这两个协议的主要目的就是要将收发来的数据进行分类，将网络上的 节点进行区分，确定这些数据是从何而来，以及这些数据要发送给谁。 以太网的数据格式是数据包，其在t c p i p 分层模型中的传输过程图2 7 所示。要 发送的数据首先要把数据内容发送到传输协议层，并且在这里要加上标识符，标明自 己的身份和目标地址，之后，传输层把打包好的数据段传给下一层网络层，按照网络 层的要求进行数据处理，同时加上一个标题，以符合i p 层的要求，同时将这个成为i p 数据包的数据段传送给了更低一层的数据链路层，在该层中会在数据段中加上一个标 题和一个标尾来完成i p 包的封装工作，形成最终的网络i p 包。最后将这段数据发送的 物理层，由物理层将数据发送到网络上，通过网络的硬件和媒介到达目的主机的物理 层中。目标主机会按照上述的反方向对数据进行处理，在各层实现拆包的工作，最后 提取出来的数据或者控制命令。 图2 7 数据包在t c p 舻分层模型中的传输过程 2 2 2i p 层及相关协议实现 1 ) i p 层及报文 为了符合网络环境的复杂性，才提出了t c p i p 协议，其是为了迎合物理网络的技 9 术而设计的，其主要部分是i p 层对于网络的包容性。网络的物理特性差异性很大， t c p i p 就可以使用i p 这个协议来实现将各种各样的低层的网络协议完全统一起来，通 过硬件低层的协议内容，打包成相同的界面，统一的虚拟网络。同时i p 协议也会对更 高一层的协议，尤其是t c p 层，提供i p 地址等信息，这样就可以使得各种网络的数据 包和报文格式的巨大差别对于更高层次和级别的网络就不存在了。这种通讯方式和协 议的设定和使用其意义非常重大，因为这是i n t e m e t 互联网络的首先实现的目标，这也 就说明了i p 层是t c p f l p 层中先多网络结构互联的最关键的一层【l o l i p 层主要处理i p 包的发送与接收，在以太网链路上还要处理路由选择问题等。i p 层是t c p i p 协议核心。i p 层的主要协议时网际协议i p 和控制报文协议i c m p 。 2 ) i c m p 协议实现 为了让互联网中的路由器报告错误或提供有关的意外情况信息，t c p i p 协议中加 入了一个特殊用途的报文机制一网际控制报文协议i c m p 。与其他所有通信类似，i c m p 报文时放在i p 数据报的数据部分通过互联网传递的。主机可以与i c m p 与路由器或另 外一台主机通信。可以发送多种i c m p 报文。例如使用的p i n g 命令，就是在i c m p 基 础上编写的一个简单的诊断信息来实现的。 2 3 小结 本章中简单介绍了c a n 总线协议和以太网以及w i f i 通讯的特点和性能，并对协 议和报文内容作了简要的分析。 1 0 第三章硬件电路设计基于c 0 2 1 2 8 芯片 3 1 硬件系统的整体构架 图3 1 系统框图 上图是根据系统原理图设计的系统框图，这里我们可以看出通过u a r t 为桥梁， 使用u m 盯t oe t h e m 引w i f i ，以及c a nt ou a r t 两个基本模块就可以实现我们整个系 统的功能。 3 2 模块的分析和选择 3 2 1u a r t 转以太网模块的分析 因为以太网协议结构复杂，开发成本过高，如果使用嵌入式系统重新开发，会造 成开发周期过长，成本过高。尤其w i f i 模块的开发，其中的协议为商业产品，需要支 付使用金才能获取复杂的协议说明。所以，这里尽量选用集成的模块控制，来实现以 太网层和w i f i 层的通讯。 c 0 2 1 2 8 s e c 是一款功能强大、低成本的加密联网控制器芯片。其可以实现用户串 口与有线e t h e m e t 网络，无线w i f i 网络，以及g p r s 或c d m a 网络之间的通讯及协 议转换，解决通常的通讯要求。c 0 2 1 2 8 s e c 可以作为协处理器工作，分担主处理器的 联网加密和i p 连接功能。对于通讯加密、1 0 1 0 0 b a s e t 局域或8 0 2 1 1 b g 无线e t h e m e ti p 网络接入以及高速数据吞吐，c 0 2 1 2 8 s e c 都是一个理想的选择。c 0 2 1 2 8 s e c 固件支 持1 0 个同时主动的t c p r y d ps o c k e t 、两个侦听s o c k e t 和一个加密s s l 3 t l s l s o c k e t 2 5 1 。 c 0 2 1 2 8 s e c 加密特性包括一个硬件随机数字产生器，s h a 1 2 5 6 加密h a s h 加速 器，a e s 1 2 8 1 9 2 2 5 6 加密加速器，3 d e s 和s s l 3 t l s l 及w e p 、w p a 和w p a 2w i f i 加密。 c 0 212 8 s e c 配置了在e t h e m e t w i f i 和p s t n g r p s c d m a 间路由i p 包。在这种 称为i r o u t e r 的模式下，多个i c h i p 在没有a p 的情况下能组成一个a d h o c 网络。 c 0 2 1 2 8 s e c 可以在主处理器的内存中保存i n t e m e t 协议栈和网络配置参数。固件 能从c 0 2 1 2 8 s e c 外部s p if l a s h 运行。可以通过r s 2 3 2 、两线制接口、s p i 或u s b 来 装载固件。固件也可以远程通过s o c k e t 、f t p 或h t t p 来升级。 c 0 2 1 2 8 s e c 芯片内部包括一个3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器内核、2 5 6 k b 的 s r a m 和访问外部存储器或通讯设备的b u s 。集成b o o t l o a d e r 能通过接口从主处理器 装载固件。 c 0 2 1 2 8 s e c 外围设备包括带r m i i 的1 0 1 0 0b a s e t 以太网m a c 、两个u s a r t 、 两个s p i 、两线制接口、h p i 和e b i 高速并行接口。 c 0 2 1 2 8 s e c 有多种节能工作模式，能关闭不使用的功能块。其的封装是r o l l s 兼 容的1 2 8 p i n 的l q f p ，含一个内部1 2 vl d o 电源并能工作在工业级温度范围。 主要特征： 1 ) 具有完整的因特网协议栈。 2 ) 具有3 d e s ，s h a 1 2 5 6 ，a e s 1 2 8 1 9 2 2 5 6 ，s s l 3 t l s l 及w e pw p a l 2w i f i 加密能力。 3 ) 可通过因特网远程配置参数，升级固件。 1 2 4 ) 1 0 1 0 0 b a s e t 以太网m a c 。 5 ) 包含支持两个网站的w e b 服务器。 6 ) 丰富接口。 g p i o u s 8 u s 8 n l s m a r tc a r d u s a r t s s c 图3 2 结构框图 表3 1c 0 2 1 2 8 特性 r m l l ，m h p a r a l l e l i n t e r f a c e e b i a n a l o g 特性 c 0 2 1 2 8 主处理器接口数据速率最大3 m b p s ( t t l 串口模式) 串行数据格式 ( s e r i a l n e t 模式) 异步；二进n ；7 或8 位数据位； 奇偶无效验：1 位停止位 流量控制硬件( r t s ，c t s ) 和软件流控 t c p i p 协议i p ，u d p ，t c p ，p i n g ，d n s ，n t p ，s m t p ， p o p 3 ，m i m e ，h t t p ，f t p ，t e l e n t 加密协议 s s l 3 t l s l ，h t t p s ，f t p s ，s h a 1 2 5 6 ， a e s 1 2 8 1 9 2 2 5 6 ，3 d e s ，w e p ，珏 a 和饪! a 2 m o d e m 协议p p p ，l c p ，i p c p ，p a p ，c h a p 或脚本权限 e t h e r n e t 协议a r p ，i c m p 和d h c p 1 3 3 2 2u a r t 转w i f i 模块的分析 根据上面对c 0 2 1 2 8 s e c 芯片的分析，该芯片提供了完整的协议栈，可以使用预留 的硬件接口，对w i f i 模块进行快速开发。而且，完善的a t + i 的命令可以为提供更多 的灵活的处理方式。 3 2 3u a r t 转c a n 模块的分析 u a r t 转c a n 模块市场上有比较完善的产品可供使用，但是，其价格非常昂贵， 加上产品的应用环境对于数量的要求很高，如果全部购买别的公司的产品，可能会造 成成本过高问题，因此，在这个项目中，结合实际应用，以及作为技术储备的机会， 重新开发一款基于a t m e lm e g a l 2 8 l 芯片的u a r t 转c a n 的模块，这样在以后， 无论是r s 2 3 2t oc a n ，还是r s 4 8 5t oc a n 都能得到广泛的应用。为以后的开发缩减 时间成本。其中c a n 收发控制器使用较为常见的s j a l 0 0 0 的芯片，该芯片为独立c a n 控制芯片，兼容两种不同的操作模式，b a s i c c a n 模式，p e l i c a n 模式，这里选用p e l i c a n 模式。而收发器，这里也选用市场上应用较为成熟的t j a l 0 5 3 的产品【1 1 1 。 1 4 3 3 硬件电路设计 3 3 1u a r t 转以太网 详细电路图请参见附录图2 。在图2 中，1 部分是与高速缓存芯片相连接，用于存 储数据；2 部分是r e s e t 信号，和u s b 接口；3 部分是w i f i 信号接1 2 和c o m 2 的传输 接口；4 部分是w i f i 信号；5 部分是以太网接口。 其他清晰电路图及p c b 图请参见附录。 3 3 2u a r t 转w i f i w i 模块这里选用w i 2 w i 公司的w i r e l e s sp r o d u c t sw 2 s w 0 0 0 1 的产品，模块时一个 完整的i e e e8 0 2 1 1 b 儋的解决方案。和其他普通的模块不同，其功耗控制和协议种类 更多更完善。同时，该模块作为s y s t e m i n p a c k a g e ( s i p ) 通过s p i 接口可以很方便的 连接到各种产品中，还有专用的天线接口和独立的3 3 v 供电系统，为了保证w i f i 传 输的安全性，其内部还提供了w e p ，t k i p ，w p a ，w p a 2 等安全协议【2 6 】。 其与c 0 2 1 2 8 系统的连接图参见附录。 3 3 3u a r t 转c a n 图3 4 c a n 总线控制器接口电路 1 5 图3 5c a n 总线收发器和隔离接口电路 3 3 4 其他电路 = f 图3 6c a n 总线收发器与m c u 连线图 除了上面提及的电路外，系统中还有复位电路及串口电路等，由于系统中采用的芯 片均为高速、低功耗、低工作电压，导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性 能、时钟源的稳定性等诸多方面也提出了更高的要求。在本系统中，复位电路使用的 是带存储器的电源监控芯片c a t l 0 2 5 ，提高了系统的可靠性。而为了使本电路具有很 1 6 大的实用范围和使用的灵活性，电路增设了r s 2 3 2 串口。在电路中r s 2 3 2 串口的主要 是完成程序在线下载，在线调试时输出相关代码运行信息对系统参数( c a ni d 、c a n 波特率、以太网物理地址、口地址、网关地址和子网掩码) 进行相关设置，运行相关 网络测试命令已测试网络的连接性能等简单功能。这样，可以灵活方便的修改网关参 数，适应不同环境，同时也考虑到以后的扩展。同时将程序稍加改动以完成，以太网 与r s 2 3 2 串口相互通信及r s 2 3 2 与c a n 总线相互通信等。串口实用的芯片是m a x 2 3 2 、 对于这些电路，这里也不一一赘述了【1 5 】。 3 4 小结 本段详细介绍了c 0 2 1 2 8 s e c 该主处理芯片的特性以及各个模块的硬件电路的原理 图和设计方案。 4 1u a r t 转以太网通信的实现 第四章功能实现 u a r t 转以太网通信是通过对透明传输模式( s e r i a l n e tm o d e ) 来实现的。 当模块进入s e r i a l n e t 模式后，在重新上电后还会自动进入s e r i a l n e t 模式，并且 会自动连接已设定好的服务器( h s r v ) ，或者自动建立侦听端口( l p i 玎) 。这样的话 可以最小程度的减少对主机程序的更改，实现即插即用( p l u g a n d p l a y ) 。 关于透明传输的选项主要集中在i c h i p c o n f i g f u l lc o n f i g u r a t i o n s e r i a l n e t 这个选 项卡里，文中摘录其中比较重要的内容进行说明和设置【2 5 1 。 r 喇r p 嘲0 0 州。8 一f 轴- e1 锄 图4 1i c h i p c o n f i g 相关参数主要有： f c h r 指令名：缓冲字符( f l u s hc h a r a c t e r ) 指令解释：设定发送缓冲区的缓冲字符，每当遇到这个字符，所有当前缓冲区中 的字符都将被发送。可以理解为发送字符。可以设置为a za z0 9 1 6 进制的格式为“l x ” 例如：但在设定为宰，在们需要发送的字符串后面嵌入一个木，模块遇到水就会把前 面的字符串发送。 设定指令：a t + i f c 肽= f l u s hc h r 在这里对这个设定值默认为空。 m c b f 指令名：最大缓冲区字符数( m a x i m u mc h a r a c t e r sb e f o r es o c k e tf l u s h ) 指令解释：设定最大缓冲区字节数，当缓冲区的字符数到达设定值时，就将自动 缓冲。可以理解为发送缓存的池大小。 例如：设定m c b f 参数为3 0 ，当从串口传送到模块的字符累计到3 0 个字符时， 这3 0 个字符就会一起发送。 设定指令：a t + i m c b f = n 单位( 字节) 这里设置为3 0 ( a t + i m x b f 一3 0 ) m t t f 指令名：最大缓冲超时( m a xt i m e o u tt os o c k e tf l u s h ) 指令解释：设定最大缓存超时时间，就是设定缓冲的时间，当到达这个时间后， 当前缓冲区内的字符被发送。 例如：当m t t f 设定为5 0 时，模块将每5 0 毫秒清空一次发送缓冲区，也就是将 发送缓冲区的字符全部发送出去。 设定指令：a t + i m t t f = n单位( 毫秒) 设置为默认值：0 ( a t + i m t t f = 0 ) 设置的f c h r m c b f m t t f 三个指令都与缓冲区有关系，从三个角度( 字符长度 时间) 来确定清空发送缓冲区( 也就是发送) 的时机。三个参数可以单一使用，也可 以三个参数共同起作用。具体使用方法应参照具体应用。而且需要注意的