关于ARM的嵌入式网络化仪表的设计

王瑜 王岩

（哈尔滨电工仪表研究所，黑龙江 哈尔滨 150081）

在传统意义上，仪表仅仅是作为一个测量、数据处理、显示结果的工具而被人们所认识。网络化仪表是适合在远程测控中使用的仪表。它是计算机技术、网络通信技术与仪表技术相结合所产生的一种新型仪表。文中设计了一种以AT91RM9200为控制器的网络化仪表，并且将Web服务器嵌入其中，使得远端客户通过Web浏览器就可以访问该仪表。

1 网络控制器设计

作为一个基于嵌入式技术的Internet系统至少应该包含以下几部分内容：以太网物理层接口单元、TCP／IP协议栈和中央处理单元。

1.1 嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。在设计嵌入式系统时，嵌入式处理器的选择是非常重要的环节。综合考虑了价格、性能、集成度和功能、设计支持及开发工具的支持等因素，以及应用中对于以太网和UART接口功能的要求以后，经过比较选择AT91RM9200工业级芯片作为网络化仪表的嵌入式处理器。

1.2 以太网接口

虽然AT91RM9200芯片没有提供物理层接口，但其内部集成有网络控制器EMAC，它是介质访问控制层(MAC)的硬件，位于0SI参考模型中物理层和逻辑链路控制层之间，集成了DMA管理所需的逻辑控制和收发FIF0，并依照IEEES02.3u规定的数据帧格式控制主机和物理层之间的信息交换。

2 监控管理软件设计

软件设计部分主要完成数据采集、数据交换、数据处理、数据查询及显示、报表生成和维护管理员操作等功能；同时向第三方程序提供接口，可根据需求进行软件升级等功能，方便资源管理，最终生成运行稳定可靠的应用系统。其设计工作主要包括嵌入式操作系统的移植、Web服务器的设计等。

2.1 嵌入式操作系统设计

本设计中的操作系统选择目前广泛应用的嵌入式C1inux。嵌入式C1inux具有高度可灵活定制内核，保持了Linux的特性：源代码公开、稳定、可裁减大小等等。

以及沿用了Linux可配置内核的特性，可以根据所要实现的内核功能对其进行重新配置。其体系结构如图1所示。

Boot Loader：负责Linux内核的启动，它用于初始化系统资源，包括SDRAM。

内核初始化：Linux内核的入口点是Start-kerne1函数。它初始化内核的其他部分，包括捕获、I RQ通道、调度、设备驱动、标定延迟循环，最重要的是能够fork"init"进程，以启动整个多任务环境。

系统调用函数／捕获函数：在执行完"init"程序后，内核对程序流不再有直接的控制权，此后，它的作用仅仅是处理异步事件(例如硬件中断)和为系统调用提供进程。

图1

设备驱动：设备驱动占据了Linux内核很大部分。同其他操作系统一样，设备驱动为它们所控制的硬件设备和操作系统提供接口。文件系统：Linux最重要的特性之一就是对多种文件系统的支持。这种特性使得Linux很容易地同其他操作系统共存。文件系统的概念使得用户能够查看存储设备上的文件和路径而无须考虑实际物理设备的文件系统类型。Linux透明地支持许多不同的文件系统，将各种安装的文件和文件系统以一个完整的虚拟文件系统的形式呈现给用户。

2.2 ARM与网卡接口芯片的设计

实现网络直接接入功能的关键是在系统内应具有直接驱动网络的控制芯片，本系统采用的网络芯片型号是RTL8019AS，它具有以下优点：10Mbps的数据传输速率，可以满足实时测控数据量不大的场合的通信质量要求；芯片的标准工作电平为DC5V，与单片机系统完全兼容；芯片遵循ISA总线标准，有8位和16位2种数据传输工作模式，有利于与MCU配合使用，MCU利用部分控制总线、地址总线和数据总线就可直接操作RTL8019AS的内部寄存器，最大限度地简化了驱动电路和驱动程序结构。

在嵌入式系统中，可以使用RTL8019AS的默认配置和一些管脚实现网卡的初始化，这样可以节省配置存储器，减小嵌入式硬件平台的体积。RTL8019AS支持即插即用和非即插即用模式。在嵌入式系统中，网卡的外设通常是不经常插拔的，所以，为了系统的精简，配置RTL8019AS为非即插即用模式。有固定的中断，有固定的端口地址，假设端口是0x300(这里的端口是相对于ISA总线来说的端口，对于ARM的总线，需要重新计算地址。这些配置可以通过RTI8019AS的外部管脚，在系统上电复位的时候，自动配置起来。

2.3 Web服务器设计

由于Internet技术的发展，嵌入式系统正在变得越来越智能化并具有越来越多的网络特性。而Web技术的飞速发展，给嵌入式系统接入Internet提供了很好的途径。从功能上看，Web服务器监听用户端的服务请求，根据用户请求的类型提供相应的服务。用户端使用WEB浏览器与Web服务器进行通信。Web服务器在接收到用户端的请求后，处理用户请求并返回需要的数据。这些数据通常以格式固定、含有

图2

文本和图片的页面出现在用户端浏览器。在嵌入式应用中，特别是在嵌入式设备中，一个Web服务器不可能是很全面的，它必须拥有足够小的容量，并且不影响嵌入式系统的整体性能，但必须具备一个Web服务器应有的特征。本设计中采用的w e b服务器的基本架构如图2所示。由上图可以看出：Web服务器以TCP／IP协议栈为基础构建，需要实现HTTP、TCP和UDP等协议。它具有IP地址，通过网络就可以将设备接入Internet。任何一个客户机，都可以通过HTTP协议与嵌入式Web服务器建立连接。嵌入式Web服务器在web浏览器和设备之间提供了统一的GUI接口，并且和所有的Web浏览器兼容，使得客户端可以像在本地一样透明地监控管理设备状况。

3 结束语

本文介绍的ARM嵌入式网络化仪表是在嵌入式操作系统平台下开发的，便于单个任务调试，单个任务的错误不会导致整个系统的崩溃。传统的嵌入式网络产品需要专门的网关以实现数据的网络传输，本系统则实现了嵌入式网关与测量控制部分的一体化，这是以后实现嵌入式产品上网的趋势。

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