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1、第七届工业仪表与自动化学术会议 1 基于 ARM 技术的嵌入式网关设计 Design of ARM-Based Embedded Gateway 吴海平王慧锋 (华东理工大学自动化与控制系，上海 200237) 摘要： 为解决楼宇自动化系统中不同串行通信协议之间的软件接口问题，从而真正实现现场设备的远程监控与管理功能。 为此提出了通过嵌入式网关实现不同串行通信协议到以太网协议的转换方案。嵌入式网关采用结构化设计，其核心的协议转 换模块采用了基于ARM7TDMI内核的 32 位处理器，内嵌 CLinux 操作系统。该网关实现了楼宇自动化系统中不同串行通 信协议之间的转换，实现了统一监控的要求。
2、关键词： 嵌入式网关协议转换模块监控 0 引言 楼宇自动化中使用了大量串行通信设备，它们采用了不同的串行通信协议，导致智能建筑管理系统（IBMS ） 和这些设备通信要时分别编写不同的软件接口，使得软件开发、维护和移植工作量增大，随着Internet 的发展， 对现场自动化设备进行远程监控的需求越来越迫切，但由于现场设备没有以太网接口，很难实现这些设备的远 程监控与管理。 一种解决上述问题的有效方法就是为这些设备开发具有以太网接口的串口网关。网关又被称为网间协议变 换器，用于连接采用不同通信协议的网络，实现网络之间的数据传输。当要求一个报文从一个网段发送到另一 个网段时，网关完成对该报文的接收、
3、翻译与转发工作。此类网关传统上都采用8 位或 16 位单片机来实现，受 到运算能力、存储空间的限制，这些网关仅能提供低速和小数据量的以太网接入，而且实时性差，不能满足楼 宇自动化大量监控数据传输要求。此外，这些网关设备只支持特定设备的协议转换，通用性较差，限制了其使 用。 基于上述情况，我们设计了基于ARM 的嵌入式可组态串口网关。在硬件上采用SAMSUNG 公司基于 ARM7TDMI 内核的 32 位处理器 S3C4510B，它具有高性能、低功耗和低成本特性，同时外接了大容量SDRAM 和 Flash 存储器，以满足大数据量实时监控要求；软件上采用嵌入式 CLinux 操作系统，内嵌多个楼宇
4、自动化 常用串行设备的通信协议，并通过开关选择所接入设备对应的串口协议。通过运行开发的应用软件最终实现串 口设备到以太网的协议转换。 1 嵌入式网关结构设计 一个嵌入式系统一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，其中嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的 核心，由硬件层、中间层、软件层和功能层组成。本嵌入式网关是为实现特定的功能而设计的，其总体结构可 简化为硬件层和软件层两部分。硬件层由高性能的微处理器和外围接口电路组成，软件层由实时操作系统和在 其上运行的软件构成，其结构如图1 所示。 应用程序 实时内核 RTOS TCP/IP串口协议任务管理 通用接口 Flash SDRAM 嵌入式微处理器
5、软件层 硬件层 图1 系统结构图 嵌入式网关主要实现串口协议和以太网协议之间的转换，采用了结构化设计方案，由协议转换模块、以太 网接口模块和串行接口模块等3 部分组成，如图2 所示。 1.1 协议转换模块 协议转换模块是嵌入式网关的核心，由嵌入式微处理器、 I/O 接口电路及外扩的大容量存储器组成。嵌入式 微处理器芯片选用SAMSUNG 公司基于 ARM7TDMI 内核的 32 位高速处理器 S3C4510B。这款处理器专门针对 第七届工业仪表与自动化学术会议 2 以太网应用，在片内集成了以太网MAC 层控制器，可以简化网络接口电路的设计并提高系统的可靠性。通过 外部总线接口 EBI 可连接
6、4 M 的 Flash 及 32 M 的 SDRAM ， 其中 Flash 存储器可存放已调试好的用户应用程序、 嵌入式操作系统或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等；而SDRAM 存储器作为系统运行时的主要区域， 系统及用户数据、堆栈均位于其中。将S3C4510B 提供的 18 个可编程的I/O 端口设置为不同的工作模式，用 于设备开关选择输入和LED 显示状态输出等。 1.2 以太网接口模块 以太网接口电路主要由MAC 控制器和物理层接口两部分组成。 我们选用主控制器芯片S3C4510B内嵌一个 以太网控制器，支持媒体独立接口MII （media independent interface
7、 ）和带缓冲 DMA 接口 BDI（buffered DMA interface） ，可在半双工或全双工模式下提供10 M/100 Mbps的以太网接入。在半双工模式下，控制器支持 CSMA/CD 协议。在全双工模式下支持IEEE802.3MAC 控制层协议、 S3C4510B未提供物理层接口， 需外接一片 物理层芯片，以提供以太网的接入通道。以太网物理层接口器件主要功能一般包括：物理编码子层、物理媒体 附件、双绞线物理媒体子层、10BASE-TX编码 /解码器和双绞线媒体访问单元等。选用Realtek 公司生产的 RTL8201 芯片作为以太网的物理层接口控制芯片，再通过RJ45就可连接到以
8、太网。 1.3 串行接口模块 ARM 芯片通过串行接口RS232接串行楼宇自动化设备。 由于 RS-232-C 标 准所定义的高、低电平信号与S3C4510B 系统的 LVTTL 电路所定义的高、低 电平信号完全不同， LVTTL 的标准逻辑“1”对应 23.3 V 电平，标准逻辑“0” 对应 00.4 V 电平， 而 RS-232-C 标准采用负逻辑方式， 标准逻辑 “1” 对应-15 -5 V 电平，标准逻辑“ 0”对应 515 V 电平，本嵌入式网关使用MAX232 芯 片来实现电路的电平转换。 通过硬件开关可以选择不同类型的串行设备连接，并实现不同串行设备与以太网间的协议转换。目前该串
9、 口网关支持 8 种常用串行楼宇自动化设备。硬件开关如图3 所示，开关编号从左到右依次为13，开关的上位 表示 OFF，下位表示 ON。开关的状态与所选设备的对应关系如表1 所示。 序号 开关 3开关 2开关 1所对应设备 0OFFOFFOFF0 1OFFOFFON1 2OFFONOFF2 3OFFONON3 4ONOFFOFF4 5ONOFFON5 6ONONOFF6 7ONONON7 表1 开关位置与设备对应关系硬件开关配置 CLinux操作 系统初始化 调度器 出错 管理 缓冲 管理 TCP/IP 收发 管理 串口 收发 管理 时间 管理 TCP/IP 接收 进程 TCP/IP 发送 进
10、程 串口 接收 进程 串口 发送 进程 图4 软件流程图 2 嵌入式网关软件设计 基于 ARM 嵌入式串口网关的整个系统软件包括操作系统和一系列应用程序。操作系统选用 CLinux， 它是 占先式的实时内核，具有很好的实时性。各个用户程序任务相互独立，每个任务具有不同的优先级，以保证紧 急任务及时响应。 2.1 软件设计具体流程 基于 ARM 的嵌入式网关是可组态的串口网关，目前可根据硬件开关配置实现8 种不同的串行设备与以太 网之间的协议转换。在通过相应的硬件开关配置后重置本网关， CLinux 操作系统开始初始化。在初始化结束 后进入任务等待的状态，由调度器管理不同优先级的任务。具体的软件
11、流程如图4 所示。 2.2 设备驱动 设备驱动程序是 CLinux 内核和硬件之间的接口，同时也是 CLinux 内核的一部分。设备驱动程序是一组 数据结构和函数的集合。这些数据结构和函数通过定义的接口控制一个或多个设备。对用户程序而言，设备驱 动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供一致的接口。设备驱动程序位于内核的最底层，直接与硬 件进行交互。内核提供统一的系统调用，用户程序通过这些标准系统调用来访问硬件设备。 本嵌入式网关的设备驱动程序放在外扩的Flash存储器上， 通过硬件开关选定特定的驱动程序， 在网关重置， CLinux 操作系统初始化后等待命令，对其进行任务调度。 2.3
12、网络编程 在网络通信中，基于TCP/IP 协议的通信方式有很多。根据实际应用的需要，我们选用最常见的Socket 来实现 服务器端和客户端的数据通信。Socket是建立在传输层协议 (主要是 TCP 和 UDP)上的一种套接字规范，它定义 OFF ON 123 图3 串行硬件设备选择开关 第七届工业仪表与自动化学术会议 3 两台计算机间进行通信的规范。如果说两台计算机是利用一个“通道”进行通信，那么这个“通道”的两端就 是两个套接字。连接一旦建立，应用程序就可以像操作文件句柄一样，通过对套接字句柄读写来实现进程间数 据的交换， 而不必考虑具体的底层通信协议。常用流式套接字和数据报套接字，因为它
13、们提供基于TCP 和 UDP 协议的数据流接口，又分别被称为TCP 套接字和 UDP 套接字。在开发 CLinux 系统下套接字程序时，我们采 用 TCP 套接字，因为它提供了一种可靠的面向连接的数据传输方法，有自己的检错和纠错机制，并且不管是对 单个的数据报，还是对于数据包，它都提供了一种流式数据传输方式。 3 结束语 基于 ARM 的嵌入式可组态串口网关不仅实现了楼宇自动化中不同的串行设备与以太网之间的通信，而且 解决了监控中心通过以太网对楼宇自动化系统中不同串行设备的监控。本网关可实现以太网与8 种不同串行设 备的通信，通过改进可以满足对更多类型的串行设备的监控和通信。随着以太网的发展和
14、嵌入式系统设计被人 们越来越广泛的关注，这种设计方式将会在楼宇自动化领域及工业控制领域得到越来越广泛的应用。 参考文献 1 李驹光 . ARM 应用系统开发详解M. 北京 :清华大学出版社, 2003. 2 邹思轶 . 嵌入式Linux 设计与应用M. 北京 :清华大学出版社, 2002. 3 郭玉东 , 王非非 . Linux 操作系统结构分析M. 西安 :西安电子科技大学出版社, 2002. 4 柴雅静 , 向继东 . Lonworks的嵌入式以太网关设计J. 测控技术 , 2003, 22 (10) 收稿日期： 2006-01-27。 第一作者吴海平，男，1982年生，现为华东理工大学在读硕士研究生；主要从事嵌入式技术领域研究。