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嵌入式光纤收发器远程监控模块设计


魏云龙 廖一鹏

  摘 要:基于ARM芯片LPC2214与网络芯片RTL8019AS的串口网络转换器,并嵌入实时操作系统uC/OS,在不改变原有光纤收发器结构的基础上,为其添加网络监控接口,从而实现其远程监控。
  关键词:IP113F;ARM ;RTL8019AS ;uC/OS;TCP/IP;以太网
  中图分类号:TP84文献标识码:A文章编号:1672-3198(2007)12-0274-02
  
  1 IP113F芯片简介
  
  IP113F芯片是IC Plus公司生产的一款具有网管功能、超低功耗的光纤收发器。内置专为收发器设计的两口交换机内核,支持纯收发器模式,全/半双工模式均可采用相应的流量控制,支持单/多模光纤转换,支持3.3V I/O,并可通过SMI(MDC,MDIO)和IC内部MII接口对两组独立寄存器进行操作,监控或重新设置本地或远端光纤收发器的工作状态。用户可以通过串行管理接口MDC(管理数据同步时钟输入接口)和MDI0(双向管理指令接口)来访问MII寄存器, MDI0是信号线,MDC是时钟线,一个管理单元最多可同时外挂32个IP113F。数据在MDI0上是一位位传输的,是发生在MDC的上升沿跳变,MDI0上的数据通信协议如表1所示。当SMI处于空闲状态时,MDI0则处于高阻态。管理单元在MDI0上发送32位连续的“1”和“01”信号来初始化MDI0接口。
  
  2 整体功能设计
  
  系统的基本功能是32台光纤收发器同时通过同一SMI口网络转换器与远程的上位机进行通信(如图1所示)。转换器完成的具体工作是接收光端机发送过来的测试数据,自动识别其长度和来源,将其转化为网络数据格式,通过以太网发送到上位机,同时接收上位机通过以太网发送过来的控制信息,并自动识别其发送的目标,通过SMI口发送给相应的光纤收发器。根据实际需要,可以在上位机通过以太网配置SMI口网络转换器的IP地址。
  
  3 硬件结构设计
  
  转换器的硬件电路主要选用基于ARM7内核的嵌入式处理器LPC2214芯片进行整体控制,LPC2214芯片带有256KB的高速FLASH,并带有16K片内SRAM,为了满足通信过程中的数据缓存和一定的系统运行空间,片外扩展了512K字节的SRAM(IS61LV25616AL)。片外通过IIC总线扩展了256字节的EEPROM(CAT24WC02)用于保存好已设置的IP地址。选用10M全双工以太网控制器RTL8019AS芯片完成网络通讯功能,与外界的通讯口选用UTP RJ-45接口,HR61101芯片充当网卡变压器。采用通用的I/O口P0.5和.P0.6模拟SIM口的时序对IP113F进行数据采集,电路整体设计如图2。
  
  4 系统软件设计与实现
  
  4.1 引入RTOS
  光纤收发器数据采集的实时性要求比较高,若采用传统的前后台设计方法会显的过于复杂,且实时性不能保证。解决这个问题的最好方法是采用实时操作系统RTOS。uC/OS-Ⅱ操作系统是一种源代码公开的嵌入式操作系统,具有代码短小精悍,简单易学的特点,对本设计是一个理想的选择。
  uC/OS-Ⅱ完全是占先式的实时内核,基于优先级,即总是让就绪态中优先级最高的任务先运行,因此实时性比非占式的内核好。其大部分代码是用C语言编写的,可移植性强,可以在大多数8位、16位、32位以至64位微处理器上运行。uC/OS-Ⅱ在LPC2214上的移植可参考文献[2]。
  4.2 TCP/IP协议的选择与裁减
  为使SMI口转换器具有以太网接人功能,必须在ARM处理器中嵌人TCP/IP协议,参考开放系统互连(OSI)模型,在ARM中嵌人的TCP/IP协议采用简化的四层模型,即链路层、网络层、传输层、应用层。根据实际需求,结合ARM 微处理器的处理能力,设计中对完整的TCP/IP协议进行了全方位裁减。
  (1)链路层。由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成。RTL8019AS的驱动程序就是在该层实现的。
  (2)网络层。保留了完整的IP协议,对ARP协议进行简化,对于ARP包只响应ARP请求,取消RARP,只维护最简单的一个IP地址与MAC地址的映射Cache表,定时刷新。
  (3)在传输层,用于工业现场一般采用TCP或UDP协议,TCP协议提供了一种可靠的面向连接的字节流运输层服务,而UDP协议是一个简单的面向非连接的数据报的运输层协议,考虑到所设计的系统数据传输的安全性,设计中选用TCP协议。
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