（电路与系统专业论文）基于arm的数字化家园网关设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：随着社会和科学技术的发展，以及家居环境的数字化，家用设施越来 越信息化、网络化，并提出了信息交互的要求，同时对家用设施进行组网和统一 管理提上日程。当代主流解决方案是通过嵌入式家园网关把家用设施联合成为一 个局域网，并在此基础上实现了家用设施的管理。同时网关可以完成局域网内和 到i n t e m e t 的通信转换，实现远程控制。 本文对嵌入式家园网关的软件及部分硬件进行了深入的研究和探讨。设计出 了一个基本的家园网关。本文的主要工作在于以下几个方面： ( 1 ) 利用$ 3 c 2 4 1 0 开发板，依托l i n u x 操作系统，通过使用m c p 2 5 1 5c a n 总 线控制器，组成一个基本的家园网关。 ( 2 ) 完成了在l i n u x 下对m c p 2 5 1 5c a n 总线控制器的驱动，网络通信程序、 节点管理程序及协议转换程序的编写，这些程序组成了整个系统的三个层 次，包括网络层，协议转换管理层及驱动层。通过这些分层的协同工作， 实现了家园网关中关于t c p i p 协议和c a n 总线协议的互相转换。 ( 3 ) 在c a n 总线协议的基础上创新性地提出了应用层协议的设计方案，这个 协议使得家园网关在c a n 总线上具备管理能力及可靠的批量数据传输能 力。 系统测试证明本方案是可行的，本文的数字化家园网关具有体积小，可靠性 高，其c a n 总线具有安装方便的优势，整个系统并有广阔的发展空间。 本论文共有图2 9 幅，表1 个，参考文献1 8 篇。 关键词：a r m ；c a n ；数字化家园；家庭网关 分类号：t p 3 6 8 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n ds o c i e t yi l l sw e l la st h e d i g i t a lo ft h eh o m ee n v i r o n m e n t ，h o u s e h o l df a c i l i t i e sw i t hi n f o r m a t i o na n dn e t w o r k c a p a b i l i t i e sa r eb e i n ga s k e dt op e r f o r mi n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，a tt h es a m et i m e ，i t s h o u l dm a k et h en e t w o r ka n dt h eu n i f i e dm a n a g e m e n tf o rh o u s e h o l df a c i l i t i e so nt h e a g e n d a c u r r e n ts o l u t i o ni sc o m b i n ea l lt h eh o u s e h o l df a c i l i t i e si n t oal o c a la r e an e t w o r k 、i mt h ee m b e d d e dh o m eg a t e w a y , a n da c h i e v e st h em a n a g e m e n to fh o m ef a c i l i t i e so n t h i sb a s i s a st h es a m et i m e ，t h eg a t e w a yc a np e r f o r mt h ec o n v e r s i o no fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nl a na n dt h ei n t e r n e t ，a c h i e v er e m o t ec o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , i tc a r r i e so u ta l li n d e p t hs t u d ya n dd i s c u s s i o no nt h es o f t w a r ea n d s o m eh a r d w a r eo ft h ee m b e d d e dh o m eg a t e w a y t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) ab a s i ch o m eg a t e w a yi ss e t u p e db a s e do nt h el i n u xo p e r a t i o ns y s t e mb y u s i n gt h em c p 2 5 15c a nc o n t r o l l e ra n d $ 3 c 2 410d e v e l o p m e n tb o a r d ( 2 ) t h ed r i v e ro fm c p 2 515c a nb u sc o n t r o l l e r , t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ，t h en o d em a n a g e m e n tp r o c e s sa n dp r o t o c o lc o n v e r s i o np r o c e s sa r e p r o g r a m m e du n d e rt h el i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ；t h e s ep r o g r a m sf o r m t h et h r e el a y e r so ft h ee n t i r es y s t e m ，i n c l u d i n gt h en e t w o r kl a y e r , t h ep r o t o c o l c o n v e r s i o nl a y e ra n dt h ed r i v e rl a y e nt h r o u g ht h e s el a y e r sw o r kt o g e t h e rt o a c h i e v eac o n v e r s i o nb e t w e e nt c p i pp r o t o c o la n dc a n p r o t o c o lo nah o m e g a t e w a y ( 3 ) b a s eo nt h ec a nb u sp r o t o c o l ，a ni n n o v a t i v ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li s p r e l i m i n a r ym a d e ；t h i sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lg i v e st h ec a p a b i l i t i e so f m a n a g e m e n ta n dr e l i a b l eb a t c hd a t at r a n s m i s i o nt ot h eh o m eg a t e w a yo nt h e c a nb u s t e s tp r o v e st h ep r o g r a mi sf e a s i b l e i nt h i sp a p e r , t h ed i g i t a lh o m eg a t e w a yh a st h e a d v a n t a g eo fs m a l ls i z ea n dh i g hr e l i a b i l i t y , t h ec a nb u sh a st h ea d v a n t a g eo fe a s y i n s t a l l a t i o n ，t h ee n t i r es y s t e ma n dh a sav a s ts p a c ef o rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：a r m ；c a n ；d i g i t a lh o m e ；h o m eg a t e w a y c i 。a s s n 0 ：t p 3 6 8 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特，i t j j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：墚互+ 签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：垛芴a 导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年 月日 致谢 本论文的工作是在我的导师陈后金教授的悉心指导下完成的，本课题在选题 及研究过程中得到陈后金教授的悉心指导。陈老师多次询问研究进程，并为我指 点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。陈老师一丝不苟的作风， 严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时两载， 却给以终生受益无穷之道。在此衷心感谢两年来陈后金老师对我的关心和指导。 在此我还要感谢侯建军老师、刘颖老师，杜普选老师，他们的教学使我在科 研：l 作上得到了莫大的帮助，他们点点滴滴的教诲，成为了我终身宝贵的财富。 在实验室工作及撰写论文期间，何克之、李文勇、刘晓彤、王贤辰、张晋芳、 唐宇希、李雅静及赵琛等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他 们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1数字化家园网关的介绍及发展 家庭网络系统指的是融合家庭控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息 化平台，是在家庭范围内，实现信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自 动化设备、照明设备、保安( 监控) 装置及水电气热表设备、家庭求助报警等设备互 联和管理，以及数据和多媒体信息共享的系统。家庭网络系统构成了智能化家庭 设备系统，提高了家庭生活、学习、工作、娱乐的品质，是数字化家庭的发展方 向。 从功能上讲，家庭网络的核心是服务。我们构筑家庭网络的总目标是为我们 的生活带来方便，是要通过网络获取有用的信息。因此如何获取服务、获取什么 服务是家庭网络功能的核心。 从构架上看，家庭网络的核心是家庭网关。它在家庭内部以及内部到外部实 现桥接路由、协议转换、地址管理和转换、承担防火墙的职责，并提供可能的业 务。 从整体出发去构筑合理的家庭网络平台是家庭信息化的关键。 目前，涉及家庭网络包含了信息家电、数字家庭和智能家居等相关产业。国 内外大公司包括i n t e l ，海尔等己经推出相关产品，它的市场前景相当广阔。 在信息家电领域，家庭的网络化、信息化是一个极为重要的课题。海信集团 于2 0 0 0 年提出并完成了国家8 6 3 项目：数字化家庭信息系统，以国产的嵌入式操作 系统和独立开发的内部网络协议为技术背景，成功地使家庭内的家用电器和设备 都能够上网，实现了家电信息化、网络化、自动化。在该系统中，“家庭网关 是 传统网络机顶盒概念的扩展，是家庭的信息中心和内外网络交互的接口，它不仅 完成家庭上网、e m a i l 收发等功能，还为家庭内部与外界信息的交互、家用设施 的远程监控等功能提供了统一的通道，是系统中的关键设备。 1 2家庭网络化实现方案 第一种方案将家用设施直接接入i n t e m e t ，使得家用设施直接面向开放网络。 这个方案要求每个家用设施都具有以太网接口，并且其嵌入式系统支持t c p i p 协 议栈，这样使得家用设备与p c 处于等同地位，这样的方案非常易于管理，可以很 便捷地访问家用设备，控制具有相当的灵活性。 但是这种方案的主要缺点是成本过高，在家用设施上实现t c p i p ，并且还需 要重新组网，无论在人力或物力上的投资都是相当大的。 第二种方案是使用p c 机作为网关，其他家用设施通过串口，或u s b 等通信 方式与p c 机相连。网络的信息由p c 处理后，再发往相应的家用设施。这个方案 的优点是开发简单，成本也能控制，对于家用设备的要求不高，拓展性好。 但是这个方案的明显缺点就是p c 机的噪音污染，对环境的要求较高及其功耗 极大，无法全天候运行，其操作系统过于复杂，可靠性不高，而且使用p c 作为网 关是一种资源上的浪费。 第三种方案就是使用嵌入式作为网关设备，嵌入式发展到当今，基本可以胜 任p c 机的大多数上作，并且没有上文提到的p c 机的各种劣势。 但这种方案的难点在于开发难度大，不过这点和使用者无关。所以这个方案 非常适合数字化家园网关的设计。 1 3网关的定义 通常相互独立的网络使用不同的编址、路由选择和连接服务规则，采用不同 体系结构的网络差异就更大。要想使这些网络的互联，就必须解决它们之间的差 异实现协议转换。这种功能通常由网关实现，网关在两个分离的网络之间解释并 翻译协议规则。其结构如图1 1 所示。 图1 1 网关结构图 f i g 1 1s t r u c t u r eo fg a t e w a y 网关的重要功能是完成网络层以上的某种协议之间的转换。网关又称协议转 换器，它将不同网络的协议进行转换。有以下三种方式支持不同种协议系统之间 的通信【1 1 。 ( 1 ) 远端业务协议封装，外部业务数据采用本地网络数据格式进行封装，当数 据到达接收端用户后，去掉本地网络的封装格式，将原有的数据内容提交 2 给应用系统。 ( 2 ) 本地业务协议封装，地业务数据采用远端数据格式进行封装，当数据传送 给接收端用户后，去掉远端网络的封装格式，将原有的数据提交给应用系 统。 ( 3 ) 协议转换，通过中间网络设备改变数据的封装格式，保证不同协议格式的 系统之间可以进行通信。 1 4 数字化家园网关的要求 一个家园网关使得家居设备可以与i n t e r n e t 上的节点互相访问。作为家园网关 的设备必须具有如下的一些功能l l j ： ( 1 ) 防火墙：因为嵌入式设备相对简单，在接入以太网络后，嵌入式设备本身 无法保证自己的网络安全性。网关设备必须提供一系列恰当的认证加密技 术，采取一定的安全策略，保护防火墙后的嵌入式设备，以保护其不受到 来自i n t e r n e t 的攻击。 ( 2 ) 协议转换：嵌入式设备网络本身可能采用多种协议，多种硬件接e 1 ，为了 完成互联，网关必须带有各种嵌入式设备的硬件接口，同时在软件层必须 能够完成各种协议同t c p i p 协议的转换。 ( 3 ) 设备状态监视和管理：这个是一个可选的功能，针对特定的应用需要定制 这一功能。需要查看的状态包括，设备是否始终保持连接，设备是否工作 正常，是否有新设备加入或离开，为设备提供必要的信息支持等等。 ( 4 ) 事务处理：如果有一特定的事件发生了，必须启动一定的程序处理这一事 件。向以太网一方发送信息，报告特定的事件发生了。 1 5 本文的工作 本文的目的是要分析家庭网络的核心家庭网关，并提出自己的家庭网关 设计方案。 本文以嵌入式家庭网关系统设计技术为背景，结合国内外当前的研究状况， 设计了一个低功耗、小体积、高可靠性的数字化家园网关。 首先对嵌入式和嵌入式系统的发展现状、基本原理、应用范围和领域等作了 全面介绍；然后对控制总线的发展，种类，特点和优势做了大概的介绍，接着详 细阐述了各个模块的采用的方案。详细说明了如何搭建数字化家园网关的系统软 件平台，包括网络部分，驱动部分，及其部分硬件设计原理。针对家庭网关的特 点，着重分析了c a n 总线协议在家庭网关中的实现，并创新性提出了基于c a n 总线协议和利用硬件特点的设备管理和数据传输协议；最后介绍了系统平台的软 件调试的结果。 本文设计的系统灵活性强，除了为进一步实现的信息家电的连接和控制提供 了功能强大的软硬件基础外，对今后研究和开发速度快、性价比高、可靠性高、 更易扩展的嵌入式家庭网关也有很高的参考价值。 4 2 数字化家园网关的构成 对于数字化家园网关这样复杂而且要求较高的系统，需要强大的处理能力的 支持，而且在功率，效率上也要符合家用网关的要求，并具有易于开发，易于管 理，易于扩展的特性。本文经过慎重筛选，认为网关应由以下几个部分组成，即 a r m 微处理器、嵌入式操作系统、以及现场总线。 2 1a r m 微处理器 2 1 1a r m 微处理器简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 既可以认为是一个公司的名字也可以认为是 对一类微处理器的通称还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品 市场，基于a i 技术的微处理器应用约占据了3 2 位s c 微处理器7 5 以上的 市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 ( 1 ) 无线通讯领域：日前己有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本在该领域的地位日益巩固。 ( 2 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片，逐步获 得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支 持，也对d s p 的应用领域提出了挑战。 ( 3 ) 消费类电子产品：a r m 技术在日前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 ( 4 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 到目前为止a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域工业控制 领域，作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据了高端微 控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展。a r m 微控制器的低功耗、高性价比、向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 2 1 2 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器是使用a r m 9 2 0 t 核、采用0 1 8 u m 工艺c m o s 标准宏单元 和存储编译器开发的。它计划用于低成本、低功耗和高性能手持设备和一般应用 的单片微处理器解决方。 $ 3 c 2 4 1 0 通过提供全面的、通用的片上外设，使系统的全部成本降到最低， 并且不需要配置额外的部件。其内部结构图如图2 1 所示。它的片上功能包括【2 】： 一 1 8 v a r m 9 2 0 t 内核，3 3 v 存储系统，带有1 6 k b 指令和1 6 k b 数据c a c h e 及m m u 单元 - 外部存储器控制( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) l c d 控制器( 支持4 k 颜色的s t n 或2 5 6 k 色t f t 的l c d ) ，带1 个通道的 l c d 专用d m a 控制器 4 通道d m a ，具有外部请求引脚 _ 3 通道u a r t ( 支持i r d a l 0 ，1 6 字节发送f i f o 及1 6 字节接收f i f o ) ，2 通道s p i 接口 _ 1 个通道多主i i c 总线控制器，l 通道i i s 总线控制器 _1 0 版本s d 主机接口及2 1 1 版本兼容的m m c 卡协议 2 个主机接口的u s b 口，1 个设备u s b 口( 1 1 版本) 4 通道p w m 定时器，1 通道内部计时器 看门狗定时器 1 1 7 位通用目的i o 口，2 4 通道外部中断源 _ 电源控制：正常、慢速、空闲及电源关闭模式 带触摸接口的8 通道1 0 位a d c _ 带日历功能的实时时钟控制器 具有p l l 的片上时钟发生器 6 n 8 a 毛， s 2 2嵌入式操作系统 图2 1 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构 f i g 2 1 $ 3 c 2 410b l o c kd i a g r a m 7 错冒 错错镩错错 2 2 1 嵌入式操作系统的发展 嵌入式操作系统与嵌入式系统密不可分。嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、 外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，它是集软 硬件于一体的可独立工作的“器件。 嵌入式技术的发展，大致经历了四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控 制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制， 运行结束后清除内存。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这 一阶段的操作系统具有一定的兼容性和扩展性，但用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特 点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系 统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、 设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用 程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶 段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及 i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 嵌入式系统的发展对嵌入式操作系统提出了更高的要求。因此，对嵌入式操 作系统的结构、设计、用户界面等诸多方面进行深入研究，将有助于嵌入式系统 的应用和发展。 2 2 2 嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 是将日益流行的l i n u x 操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入 式计算机系统上运行的一种操作系统，它被广泛应用在移动电话、个人数字助理 ( p d a ) 、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中。嵌入式l i n u x 既继 承了i n t e m e t 上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性。嵌入式 l i n u x 的特点是版权费免费；购买费用媒介成本技术支持全世界的自由软件开发者 提供支持网络特性免费，而且性能优异，软件移植容易，代码开放，有许多应用 软件支持，应用产品开发周期短，新产品上市迅速，因为有许多公开的代码可以 参考和移植，实时性能稳定性好安全性好。 其优点有如下几项 4 1 ： 首先，l i n u x 是开放源代码的，不存在黑箱技术，遍布全球的众多l i n u x 爱好 者又是l i n u x 开发者的强大技术支持； 其次，l i n u x 的内核小、效率高，内核的更新速度很快，l i n u x 是可以定制的， 其系统内核最小只有约1 3 4 k b 。 第三，l i n u x 是免费的o s ，在价格上极具竞争力。l i n u x 还有着嵌入式操作 系统所需要的很多特色，突出的就是l i n u x 适应于多种c p u 和多种硬件平台，是 一个跨平台的系统。到目前为止，它可以支持二三十种c p u 。而且性能稳定，裁 剪性很好，开发和使用都很容易。很多c p u 包括家电业芯片，都开始做l i n u x 的 平台移植工作。移植的速度远远超过j a v a 的开发环境。也就是说，如果今天用l i n u x 环境开发产品，那么将来换c p u 就不会遇到困扰。 第四，l i n u x 内核的结构在网络方面是非常完整的，l i n u x 对网络中最常用的 t c p i p 协议有最完备的支持。提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无 线网络，令牌环网、光纤甚至卫星的支持。所以l i n u x 很适于做信息家电的开发。 还有使用l i n u x 为的是来开发无线连接产品的开发者越来越多。 第五，l i n u x 有很多工具，并且l i n u x 为众多程序员所熟悉。因此，我们要在 嵌入式系统中使用l i n u x 操作系统。 第六，l i n u x 的大小适合嵌入式操作系统_ i ，i 肌x 固有的模块性，适应性和 可配置性，使得这很容易做到。 2 2 3 开发嵌入式l i n u x 的几个问题 开发嵌入式l i n u x 主要存在下面几个问题1 5 j ： ( 1 ) l i n u x 的移植。如果l i n u x 不支持选用的平台，就需要把l i n u x 内核中 与硬件平台相关的部分改写，使之支持所选用的平台。 ( 2 )内核的裁剪。嵌入式产品的可用资源比较少，所以它的内核相对嵌入 式系统来说就显得有点大，需要进行剪裁到可利用的大小。 ( 3 )桌面系统。现代的操作系统如果没有一个友好的界面是没有说服力的。 现在的台式机l i n u x 系统使用了传统的xw i n d o w 系统的模式 c l i e n t s e r v e r 结构。和硬件有关的部分即是s e r v e r 端，实现一个标准 的显示接口；应用程序通过对s e r v e r 的服务请求，实现程序的显示。 在此之上，实现窗口的管理功能。但xw i n d o w 对于嵌入式系统来说 显得很庞大。现在国内有m i n i g u i ，国外有m i c r o w i n d o w ，都在致力 9 于嵌入式l i n u xg u i 的开发。适用于嵌入式l i n u x 上的xw m d o w 的 工作也在进行。 ( 4 )驱动程序的开发。l i n u x 内核更新的很快，许多最新的硬件驱动很快 就被支持。但嵌入式系统应用领域是多种多样的，所选用的硬件设备 也不同，并且不可能都有l i n u x 的驱动程序，因此，设备驱动程序的 开发也是重要的工作。 ( 5 ) 应用软件的开发。 ( 6 )中文的支持。 本文将在第四，第五个问题上深入分析和讨论。 2 3现场总线 2 3 1 现场总线简介 1 9 8 4 年，现场总线的概念得到正式提出。i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 对现场总线( f i e l d b u s ) 的定义为：现场总线是一种 应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、 多结点的数字通信技术。主要用于制造业、流程工业、交通、楼字、电力等方面 的自动化系统中。 现场总线的技术特征如下： ( 1 ) 全数字化通信； ( 2 ) 开放型的互联网络； ( 3 ) 互可操作性与互用性； ( 4 ) 现场设备的智能化； ( 5 ) 系统结构的高度分散性； ( 6 ) 对现场环境的适应性。 2 3 2 主流的现场总线 由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1 9 8 4 年国际电工技术委员会 国际标准协会( i e c i s a ) 就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未 完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难 以统一。 基金会现场总线( f o u n d a t i o n f i e l d b u s 简称f f ) 1 0 这是以美国f i s h e r - r o u s e m o u n t 公司为首的联合了横河、a b b 、西门子、英维 斯等8 0 家公司制定的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首的联合欧洲等地1 5 0 余家 公司制定的w o r l d f i p 协议于1 9 9 4 年9 月合并的。该总线在过程自动化领域得到了 广泛的应用，具有良好的发展前景。 基金会现场总线采用国际标准化组织i s o 的开放化系统互联o s i 的简化模型 ( 1 ，2 ，7 层) ，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。f f 分低速 h 1 和高速h 2 两种通信速率，前者传输速率为3 1 2 5 k b i t 秒，通信距离可达1 9 0 0 m ， 可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为l m b i t 秒和2 5 m b i t 秒，通 信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m ，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号i e c l1 5 8 2 标 准。f f 的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 控制器局域网) 最早由德国b o s c h 公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，得到了i n t e l 、m o t o r o l a 、n e c 等公司的支持。c a n 协议分为二层：物理层和数据链路层。c a n 的信号传输采用短帧结构，传输时间 短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。c a n 支持多主工作方式，并采 用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达 1 0 k m 5 k b p s s ，通讯速率最高可达4 0 m 1 m b p s 。目前已有多家公司开发了符合 c a n 协议的通信芯片。 l o n w o r k s 它由美国e c h e l o n 公司推出，并由m o t o r o l a 、t o s h i b a 公司共同倡导。它采用 i s o o s i 模型的全部7 层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网 络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信 介质，通讯速率从3 0 0 b i f f s 至1 5 m s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b i t s ) ， 被誉为通用控制网络。l o n w o r k s 技术采用的l o n t a l k 协议被封装到n e u r o n ( 神经 元) 的芯片中，并得以实现。采用l o n w o r k s 技术和神经元芯片的产品，被广泛应 用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制 等行业。 p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国标准( d i n l 9 2 4 5 ) 和欧洲标准( e n 5 0 1 7 0 ) 的现场总线标 准。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 系列组成。d p 用于 分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。f m s 适用于纺织、楼宇自动 化、可编程控制器、低压开关等。p a 用于过程自动化的总线类型，服从i e c l l 5 8 2 标准。p r o f i b u s 支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传 输方式。p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k b i t s 至1 2 m b i t s ，最大传输距离在9 6 k b i t s 下为1 2 0 0 m ，在1 2 m b i t s 小为2 0 0 m ，可采用中继器延长至l o k m ，传输介质为双 绞线或者光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。 2 3 3c a n 总线简介 控制器局部网( c a n - - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是b o s c h 公司为现代汽车 应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现 已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通： 具、医疗仪器以及建筑、环境 控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。 由于c a n 为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文 的标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，能提供1 1 位地址；而2 0 b 给出了标 准的和扩展的两种报文格式，提供2 9 位地址。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布 了道路交通运载工具数字信息交换高速通信控制器局部网( c a n ) 国际 标准( i s o l l 8 9 8 ) ，为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。 由于其良好的性能及独特的设计，c a n 总线越来越受到人们的重视。它在汽 车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商都采用了c a n 总线 来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于c a n 总线 本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、 航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器 械及传感器等领域发展。c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的 现场总线之一。其典型的应用协议有： s a ej 1 9 3 9 i s 0 1 1 7 8 3 、c a n o p e n 、 c a n a e r o s p a e e 、d e v i c e n e t 、n m e a2 0 0 0 等。 2 3 4c a n 总线的特点 c a n 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行 通信网络。基于c a n 总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的特点： 首先，c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先 权( 取决于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据， 且c a n 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，采用这种方法的 优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不同的数据块，这种按数据块编码的方 1 2 式，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，具有多主站运行和分散仲裁的串 行总线以及广播通信的特点。c a n 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上 其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。这些特点使 得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构， 提高系统的可靠性和系统的灵活性。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工 业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总 线时间过长，从而保证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的 错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 其次，c a n 总线通过c a n 收发器接口芯片的两个输出端c a n h 和c a n l 与 物理总线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低 电平或悬浮状态。这就保证不会出现当系统有错误，出现多节点同时向总线发送 数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且c a n 节点在错误严 重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而 保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁状态。 c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通 信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项 工作。因此，c a n 具有的完善的通信协议可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来 实现，整个网络结构简单，只有2 根现与外部相连。从而大大降低系统开发难度， 缩短了开发周期。 另外，与其它现场总线比较而言，c a n 总线是具有通信速率高，最高可达到 1 m b i t s 、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。 这些也是目前c a n 总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。 总结c a n 总线的特点如下： ( 1 ) 废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工 作； ( 2 ) 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低 的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据， 有效避免了总线冲突； ( 3 ) 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，数据传输时间短，受干扰的 概率低，重新发送的时间短； ( 4 ) 每帧数据都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性， 适于在高干扰环境下使用； 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系， 以使总线上其他操作不受影响。 1 3 业噩至盟厶主翊空位垃奎堑主位窒目囝羞啦控直 2 4 方案选择 本文设计的数字化家固网关框图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 数字化家闻网关框幽 f i g 2 - 2s t 兀l c t u r e o f d i g i t mh o m e g a t e w a y 数字化家园网关要对来自于i n t e r n e t 的数据进行接收井解析，而且还要管理控 制总线的协议及运行系统的应用程序，处理的数据噩大，任务繁多，为了得到优 异的性能和合适的价位之问的平衡。并且使开发周期尽可能的短。本文通过认真 对比，选择a r m 9 核心的$ 3 c 2 4 1 0 作为主处理器，上面运行l i n u x 操作系统，不 但可以满足处理能力的要求，并且借助l i n u x 众多的资源和开发成果，良好的网络 特性，多任务并行及其便捷的开发工具，使得开发进度大大加快。 另外c a n 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、 医疗设备、工业设蔷等方面。c a n 总线是当今自动化领域技术发展的热点之一 被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间 实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。 同时，c a n 总线是一种廉价的，易于安装的现场总线，由于大规模生产，c a n 总线模块芯片价格已经十分低廉，并且c a n 总线只需要两根双绞线进行通信，易 于在家庭环境中安装。通信距离可达1 0 k i n ，完全满足家庭控制总线的需求。 学 瞅 3 系统部分硬件设计 本文采用的是成熟的a r m 评估板进行开发，具有完善的外围设备，包括网卡 芯片及其相应的外围电路，串口设备及其相应的外围电路等，本文只需要针对c a n 总线的硬件进行设计即可完成家庭网关的整个硬件设计。 3 1c a n 总线控制器 c a n 总线基本上使用的是两种系列的c a n 总线控制器，第一类芯片是由 p h i l i p s 生产的s j a l 0 0 0 系列；第二类芯片是由m i c r o c h i p 生产的m c p 2 5 1 0 、 m c p 2 5 1 5 系列。 s j a l 0 0 0 是目前使用较为广泛的一种独立c a n 控制器，用于移动目标和一般 工业环境中的控制器局域网络。 s j a l 0 0 0 与微处理器的接口可设置成i n t e l 方式或m o t o r o l a 方式。目前的大部 分单片机提供的都是i n t e l 方式接口，其数据和地址分时复用线完成，这一点和 $ 3 c 2 4 1 0 的总线有很大差异，s j a l 0 0 0 与s 3 c 2 4 1 0 之间的接口信号时序不完全兼 容；其二，s j a l 0 0 0 的接口电平与$ 3 c 2 4 1 0 的接口电平不一致，s j a l 0 0 0 为5 v ， $ 3 c 2 4 1 0 为3 3 v ，综上所述，使用s j a l 0 0 0 作为a r m 节点c a n 总线控制器并不 是很合适。 本文采用了m c p 2 5 1 5 作为c a n 总线控制器。 m c p 2 5 1 5 是一种独立的c a n 总线通信控制器，是m i c r o c h i p 公司首批独立 c a n 解决方案的升级器件，最大时钟输入速度为4 0 m h z ，并具有一个1 0 m h z 的 高速s p i 接口，其传输能力较m i c r o c h i p 公司原有c a n 控制器( m c p 2 5 1 0 ) 高两倍。 此外，m c p 2 5 1 5 还具有基于标识符位进行信息筛选的功能。当需要支持d e v i c en e t 等更高层协议时，该功能有助于减少对单片机的过高要求。m c p 2 5 1 5 可利用数据 字节和标识符位来确定某些节点是否应该接收或处理c a n 报文，它还有助于在确 定的系统中执行时隙功能。当一次性模式准备就绪时，无论发生任何仲裁损失或 错误帧结构，报文都可被一次性传输。 m c p 2 5