液压远程实验平台多接口网关设计.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第4 2卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Oc t ． 2 01 4 Vo l _ 4 2 No ． 2 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 0 ． 0 3 0 液压远程实验平台多接 口网关设计 李鹏 ，廖晓波 西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，四川绵阳6 2 1 0 1 0 摘要计算机网络技术的飞速发展和应用，使得基于网络的实验教学成为可能。网络实验教学通过设备的网络共享 ， 弥补传统实验教学中的不便和不足。然而在网络实验教学平台的建设过程中，连接真实实验设备和远程操作用户的网络数 据协议转换终端成为了关键。以嵌入式处理器 S T M3 2为核心，配合以太网通信模块 W5 1 0 0 、移植嵌入式操作系统 U C O S I I ， 构建了远程实验平台通信协议转换终端。通过测试 ，该通信终端运行可靠，满足实验平台建设需要，具有一定的参考价 值。 关键词 远程实验平台；多接 口通信网关 ； 串口扩展；物联网 中图分类号 T P 3 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 0 0 9 8 4 De s i g n O f M l l l t i - i nt e r f a c e Co mmu n i c a t i o n Ga t e wa y f o r Hy dr a u l i c Re mo t e Exp e r i me n t a l Pl a t f o r m L I Pe n g．LI AO Xi a o b o K e y L a b o r a t o r y o f T e s t i n g T e c h n o l o g y f o r Ma n u f a c t u r i n g P r o c e s s Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n ， S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r a p i d d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f c o mp u t e r n e t w o r k t e c h n o l o g y ma k e t h e e x p e ri me n t a l t e a c h i n g b a s e d o n n e t w o r k b e c o me p o s s i b l e ．T h e n e t w o r k e x p e rime n t a l t e a c h i n g s h a r e s e q u i p me n t s t h r o u g h n e t w o r k，ma k i n g u p f o r t h e d e f i c i e n c y o f t r a d i - t i o n a l t e a c h i n g ． Ho w e v e r ，i n t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s o f n e t w o r k e x p e rime n t a l t e a c h i n g p l a t f o r m ，t h e d a t a p r o t o c o l c o n v e r s i o n t e r mi n al c o n n e c t i n g r e al l a b o r a t o r y e q u i p me n t s a n d r e mo t e u s e r i s c rit i c a 1 ． T a k i n g e mb e d d e d p r o c e s s o r S T M3 2 a s t h e c o r e， c o o p e r a t i n g E t h e r n e t c o mmu n i c a t i o n mo d u l e W5 1 0 0， t r a n s p l a n t e d e mb e d d e d o p e r a t i n g s y s t e m U CO S I I ，t h e r e mo t e e x p e ri me n t a l p l a tf o rm c o mmu n i c a t i o n p r o - t o c o l c o n v e r s i o n t e rm i n a l w a s c o n s t ru c t e d ．T e s t s s h o w t h a t t h e c o mmu n i c a t i o n t e r mi n a l o p e r a t e s s t a b l y ，me e t s t h e e x p e rime n t al p l a tf o rm c o n s t ruc t i o n n e e d an d h a s a c e r t a i n r e f e r e n c e v a l u e ． ． Ke y wo r d s N e t wo r k e x p e r i me n t al t e a c h i n g p l a t f o rm ；Mu l t i i n t e r f a c e c o mmu n i c a t i o n g a t e wa y ；E x t e n d e d s e ri al p o r t ；I n t e rue t o f t h i n g s 随着计算机网络技术的飞速发展和普及应用，给 网络实验教学带来很大的发展空间，使得基于网络的 实验教学成为可能。然后实验设备的通信接口千差万 别，如何将设备进行网络互联共享，成为一个亟待解 决 的重要 问题 。远 程实 验平 台的基 本框 图如 图 1 所 示。其总体结构分为 3 层 上层是用户层，用户通过 上位机软 件对 下位 机 的设备 进行 操作 ；中间是 网络 层，进行数据的转换传送；下层是设备层 ，接收上层 用户的操作数据进行实验操作。其中处于通信层的通 信网关通过网络接受实验者的控制和实验数据，将该 数据以各种近距离的通信方式发送给相应的实验设 备。 将嵌人式系统和 I n t e r n e t 连接起来实现远距离数据 交换 和控 制 的 本 质是 嵌入 式 系统 本 身 能够 实 现 T C P ／ I P通信协议。实现该方案总体上有两种方法 图 1 远程过程控制实验平台网络拓扑图 第一种方法是直接在嵌入式平台上实现 T C P ／ I P ，使 之直接连接上 I n t e r n e t ，这种方法通过 软件来构建 T C P ／ I P等 以太 网协议 ，软 件 设计 复 杂 ，工作 量 大 ， 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 0 1 基金项目西南科技大学继续教育研究与发展基金项 目 1 0 z w l 0 0 7 作者简介李鹏 1 9 8 0 一 ，女，硕士，讲师，主要研究方向为机电系统控制、机器人。E m a i l l i p e n g s w u s t ． e d u ． a n 。 第 2 0期 李鹏 等 液压远程实验平台多接 口网关设计 9 9 且该方案需要耗 费很 多的系 统 内存 和 系统 MC U 的计 算时间。第二类方案是直接由硬件来实现 T C P ／ I P协 议，MC U只需要通过一定 的通信方式将数据发送给 该以太网硬件设备，由该硬件设备完成以太网数据的 转发 ，该方案结构简单，需要存储 内存和 占用 C P U 的时 间少 。 文中采用 S T M 3 2 3 2位 A R M处理器 来设计该 通信网关 ，该处理器具有速度快 、容量大、性能稳 定 、在线调试方便 等优点，W5 1 0 0是 WI Z N E T T公 司推 出 的 最 先 的 固 件 网络 芯 片 ，该 芯 片 集 成 了 1 0 ／ 1 0 0 Mb ／ s以太 网控制 器 ，最 高传 输速度 为 2 5 M b ／ s ，硬件 化 了 T C P ／ I P协议 、以太 网 MA C和 P H Y 三种功能于一体。 1 系统硬件设计 1 ． 1 通 信 网关 的 总体 结构框 图 以太网通信网关主要功能是完成数据协议的转 换，它将以太网发送的数据通过工业 4 8 5总线或者短 距离无线通信方式发送给设备控制端 。其中 4 8 5通 信模块是通过 U A R T连接4 8 5芯片转换成 4 8 5总线数 据 ，无线传输模块是通过蓝牙串口模块进行数据交 换 ，其 主要 的结构框 图如 图 2所示 ，主要 由以太 网模 块 、4 8 5总线 接 口、短距 离无 线 通 信 接 口几 部 分 组 成 。 图 2 嵌入 式网关的结构框 图 1 ． 2 W5 1 0 0的接 口原理 图 W5 1 0 0芯片是一 款多功 能的单 片网络 接 口芯 片 ，其 内部 集 成 了 1 0 ／ 1 0 0 M b ／ s 以太 网控 制器 ，可 支持 自动应带 全双工／ 半双工模式 ，主要用于高 集成 、高稳定、高性能和低成本 的嵌入式系统 。它 支持 以太网介质传输层 MA C 和物理层 P H Y ， 其硬 件 T C P ／ I P协 议 可 以支 持 T C P 、U D P 、I C MP 、 I G MP 、I P V 4 、A R P 、P P P o E和 I G MP 。支持4个独立 的端口通信 ，其 内部具有 1 6 k B字节的发送和接收 缓 冲 区。其 和 MC U 的 接 口有 S P I接 口和 总 线 接 口 。图 3为 W5 1 0 0和 S T M 3 2 1 0 3采用 S P I 接 口的 接口电路 图。 图3 W5 1 0 0电路接口原理图 1 ． 3 多串口模块和 MC U的接 口 由于 当 前 很 多 设 备 都 配 置 有 U A R T 串 口， S T M 3 2 1 0 3自身共有 3个 串 口，一个作 为 4 8 5总线 的 扩展 ，一个作为串口蓝牙模块的接口。为了实现网关 对更多的串口设备数据收发控制，利用 S MT 3 2的串 口0对串口进行 了扩展 ，设计 中采用串 口扩展芯片 G M8 1 2 3 。G M 8 1 2 3可以将一个全双工的标准串口扩展 成 3个标 准串 口，并 能通过外 部引脚 控制串 口，扩展 模 式为单通道工作模式 和多通道工作模式 ，即可 以指 定一个子串口和母串口以相同的波特率单一地工作 ， 也可以让所有子串口在母串口波特率基础上分频同时 工作 。网关 串 口扩展接 口图见 图 4 。 a 结构框 图 GM 8 1 2 3 b GM8 1 2 3 原理图 图4 网关串口扩展接口原理图 1 0 0 机床与液压 第 4 2卷 2系统软件设计 2 ． 1 操作 系统任务分配 在 U C O S I I 操作系统下，根据系统任务需求，系 统主要建立了8 个进程，其依次为 串口数据发送进 程 、W5 1 0 0 s o c k e t 0～s o c k e t 3四个 进 程 、键 盘 处 理 进 程、L C D显示进程、空 闲进程。其 中串 口接收处理 任务和 W5 1 0 0接收处理任务相对紧急，因此其优先 级最高，其次是串口数据发送任务和 WS 1 0 0发送任 务优先级高，剩余的任务优先级相对较低。 2 ． 2 多串口中断服务程序设计 在 U C O S I I 操作系统下，由于 S T M3 2 1 0 3自身共 有 3 个 串 口，再加上扩展 的串 口，一共 串口个数可 以 达到 5 个 ，然而 W5 1 0 0一共有 4个 S O C K E T ，这样一 共可以建立4个独立的以太网到串口的独立通道。在 系统设计过程中，在系统内存中分配了4串口的缓冲 区 r c v u a r t b u f ，用来接收串口收到的数据，系统设计 了4个信号量 ，R c v u a r t s e ml - R c v u a r t s e m 4 。具体 流程 如图 5所示 。 厂 N 是否为串口0 中断产生 主 根据GM8 1 2 3 的地址引脚状 态读取数据到相应的缓冲区 向消息邮箱发送消息 消除中断标志 中断 退 出 图5 多串口中断处理流程图 2 ． 3 串 口发送数 据任 务 在串口数据发送任务中，由于串口是互斥设备 ， 因此每次请求数据发送前需 申请 占用，请求 U a r t S e m； 如果请求到，则申请消息邮箱；如果申请到，说明系 统需要利用串口来发送数据 ，然后打开信箱内容 ，根 据内容判断要将哪个缓冲区的数据发往哪个子串口； 然后根据 G M8 1 2 3设置其地址引脚，将数据发往不同 的子串口。其具体流程图如下串口接收处理数据任 务主要是接收串口设备发送的数据，然后将数据转化 成 S O C K E T发送出去，其流程图如图 6 所示。 图6 串口发送任务流程图 2 ． 4 WS 1 0 0驱动程 序设 计 W5 1 0 0共有 4个 S O C K E T ，内部一 共有 1 6 k B的 缓冲区，在其工作之前必须先对其进行地址设置、内 存分配等操作；同时，WS 1 0 0每个 S O C K E T可以有 两种模式，T C P和 U D P ，根据系统应用要求，可以设 置 S O C K E T的操作模式 ；同时 W5 1 0 0可以设置是客 户端模式还是服务器模式 ，在此设计为服务器模 式 。在系统初始 化之后 ，需 要进 行 S O C K E T的设 置。 其初始化流程图如图 7 所示。 W 5 1 0 0 复位 设置网关 设置 子 网掩码 ， ‘ 设置MA C 地址 设置I P 地 址 配置发送和接收缓冲区大小 配置重发次数和重发时间 配 置 中断 允许 设置本地端口号 设置 目标端 口号 设置 目标I P 地址 置S OC K E T 为T C P 模式 打 开S O CKE T N ． ‘- 一 置为服务器侦听模式 N f n 累 统初 始化 流程 圈 b S OC K ETT C P 模 式 的设 置 图7 WS 1 0 0初始化流程图 其中配置发送和接收缓冲区大小可以根据串口连 接设备发送和接收数据的大小进行配置，以满足应用 要求 。 2 ． 5 W5 1 0 0接收数据 中断服务程序 W5 1 0 0的每个 S O C K E T接收数据完成之后，将 解包后的数据放入接收缓冲区之后 ，产生中断，系统 根据 W5 1 0 0的状态寄存器查看 ，可 以查 出是 哪个 S O C K E T接 收到了数据 。接 收数 据的处理 流程 图如 图 8所示 第 2 0期 李鹏 等液压远程实验平台多接口网关设计 1 0 1 开始 ，S 0CKl g T、 读取S O 2 KE T 状蠢寄存嚣 S 0CKE T 连接成功 按收超时／ ＼／ y 据发送 完 ， ＼／ ＼ Y 『 接 收 到 数 据 N { 苎 塞 J 图 8 W5 1 0 0中断处理流程图 2 ． 6 W5 1 0 0接收数据处理任务 W5 1 0 0接收数据处理任务流程图见图9 。 图9 W5 1 0 0接收数据处理任务流程图 2 ． 7 W5 1 0 0发送数据处理任务 W5 1 0 0发送数据流程图见图 1 0 。 图 1 0 W5 1 0 0发送数据流程图 3结论 针对远程实验平台中数据信息转换的问题 ，设计 了一种可 以进行 网络数 据和串 口数据 转换 的网关 。从 硬件和软件两个方面对通信网关进行设计 ，重点介绍 了在嵌入式操作 系统 U C O S I I 下 网络数据 和 串 口数据 的转换 。该设计 在相关设计 中具有一 定的借 鉴意义 。 参考文献 [ 1 ]李成． 基于嵌入式平台的无线家庭网关设计[ D ] ． 武汉 武汉理工大学， 2 0 0 9 ． [ 2 ]郑景远． 多协议网关的设计与实现[ D] ． 西安 西安电子 科技大学， 2 0 1 0 ． [ 3 ]王晓寅． 基于实时系统的 S T M3 2网络应用 [ D] ． 上海 华东师范大学， 2 0 1 1 ． [ 4 ]杨春勇， 牛磊， 路杰， 等． 环境监测网络中的 Z i g B e e网关 服务器[ J ] ． 大地测量与地球动力学， 2 0 1 1 ， 3 1 2 1 5 6 1 5 9 ． [ 5 ]谢东． 基于 A R M的嵌入式远程测控系统 网关 的设计 [ J ] ． 现代电子技术， 2 0 0 6 1 3 8 5 8 8 ． [ 6 ]蔡皓， 冯仁剑， 万江文． 具有多种通信方式的无线传感器 网络网关 [ J ] ． 传感器技术学报． 2 0 0 8 ， 2 1 1 1 6 9 1 7 3 ． [ 7 ] 刘通良， 周建勇 ， 潘仕彬， 等． 实现基于 T C P ／ I P的多串口 转换网关 [ J ] ． 单片机与嵌入式系统应用， 2 0 0 6 3 737 5． [ 8 ]蒋峰． W5 1 0 0在远程温度采集系统中的应用[ J ] ． 化工 自动化及仪表 ， 2 0 1 1 2 2 1 42 1 7 ． [ 9 ]李春林 ， 程健． 基于 A R M和 n R F 2 4 0 1的嵌入式无线 网 络测控平台[ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 0 7 ， 2 8 8 81 5 ． 上接第9 7页 [ 2 ]汪建华 ， 姚舜， 魏 良武， 等． 搅拌摩擦焊接的传热和力学 计算模型[ J ] ． 焊接学报 ， 2 0 0 0， 2 1 4 6 1 6 4 ． [ 3 ]王希靖 ， 李晶， 达朝炳 ， 等． F S W 中搅拌针作用力及其影 响的研究 [ J ] ． 兰州理工大学学报， 2 0 0 6 ， 3 2 1 1 1 1 4． [ 4 ]杨乐平 ， 李 海涛， 杨磊 ， 等． L a b V I E W 高级程 序设计 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ]MI S H R A R S ， MA Z Y ． F r i c t i o n S t i r We l d i n g a n d P r o c e s s ． i n g [ J ] ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g R， 2 0 0 5 ， 5 0 1 ／ 2 1 7 8 ． [ 6 ]吴功柱． 搅拌摩擦焊实验平台研制与应用[ D] ． 上海 东 华大学 ， 2 0 1 1 ． [ 7 ]徐韦锋 ， 刘金合， 栾国红 ， 等． 厚板铝合金搅拌摩擦焊接 头显微组织与力学性能[ J ] ． 金属学报， 2 0 0 8 ， 4 4 1 1 1 4 0 41 4 0 8 ． [ 8 ]吴贵福 ， 颜兵兵， 贾元华， 等． 基于 L a b V I E W 的电主轴综 合 性 能测 试 与评 价 系统 [ J ] ．机 械 设 计 与 制 造， 2 01 1 1 2 9 59 6 ． 一