摘 要：本文介紹了一種采用嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的方法。并結(jié)合C51F023單片機(jī)和MCF5272處理器的特點(diǎn)及其工作原理，對單片機(jī)的編程策略進(jìn)行了詳盡的探討。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);C51F023; MCF5272; 轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)

引言

　　近些年，互聯(lián)網(wǎng)以其便捷、高速傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)越來越受到人們的青睞?；ヂ?lián)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入了世界的每一個(gè)角落。而在工業(yè)控制和通訊設(shè)備中，更多的卻是符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的串行口設(shè)備。如何將多個(gè)串行口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸便成了一個(gè)亟待解決的問題。本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)串口和串口、串口和網(wǎng)口之間的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)發(fā)的方案。

總體設(shè)計(jì)方案

　　設(shè)計(jì)的總體方案如圖一所示。

圖一 多串口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)方案

　　本系統(tǒng)采用核心處理模塊加協(xié)處理器的兩級設(shè)計(jì)方案。這樣設(shè)計(jì)的目的是利用協(xié)處理器緩解核心處理器的處理壓力，并解決核心處理器數(shù)據(jù)接口數(shù)量相對不足和本系統(tǒng)多路數(shù)據(jù)量接入需求的矛盾。

　　核心處理器采用摩托羅拉公司的MCF5272芯片。這款芯片在Motorola公司嵌入式處理器中屬于中低檔產(chǎn)品。但是低檔不等于低效，在主頻66M時(shí)可以達(dá)到63MIPS，接近MPC860的MIPS。并且外圍電路接口豐富，在摩托羅拉冷火系列芯片中集成度最高。該處理器集成了兩個(gè)全雙工的串口收發(fā)器，10/100M的以太網(wǎng)控制器，USB控制器，QSPI口等，非常適合于大量嵌入式應(yīng)用的場合。核心處理器的外圍擴(kuò)展芯片有FLASH、SDRAM、網(wǎng)卡芯片、USB驅(qū)動(dòng)芯片等。這就組成了一個(gè)核心處理模塊，同時(shí)我們在這個(gè)核心處理模塊上移植了µCLinux操作系統(tǒng)。利用µCLinux操作系統(tǒng)中自帶的TCP/IP協(xié)議棧能很方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　協(xié)處理器采用CYGNAL公司的C8051F023單片機(jī)。C8051F023單片機(jī)自帶有兩個(gè)通用異步全雙工串口和一個(gè)SPI口，同時(shí)可以用單片機(jī)內(nèi)部的PCA模塊來軟件模擬第3個(gè)全雙工串口。協(xié)處理器與核心處理器通過同步串行接口SPI口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。 　　在單片機(jī)端三個(gè)串口不斷地接收數(shù)據(jù)，同一化處理后通過SPI口線傳遞給MCF5272。核心處理模塊接收來自SPI口線和自身兩個(gè)串口的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭的標(biāo)志位進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。 　　整套系統(tǒng)共有5個(gè)全雙工串口和一個(gè)10/100M的以太網(wǎng)網(wǎng)口用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)了串口和串口、串口和網(wǎng)口之間數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)發(fā)。可以滿足大多數(shù)工控設(shè)備和通信系統(tǒng)的需求。

單片機(jī)中多任務(wù)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)

　　在C8051F023單片機(jī)中需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)串口的全雙工收發(fā)以及與MCF5272的通訊工作。實(shí)現(xiàn)這些功能有兩種方案，一種是采用定時(shí)輪詢各個(gè)串口和SPI口特定寄存器，以判斷是否有數(shù)據(jù)到達(dá)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，這種方案編程簡單但實(shí)時(shí)性較差;另一種方案是采用中斷機(jī)制，定義各串口的中斷向量和中斷處理程序進(jìn)行處理，這種方案編程較復(fù)雜但實(shí)時(shí)性很好。根據(jù)我們的需求，各串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，SPI口數(shù)據(jù)的收發(fā)，內(nèi)部程序定時(shí)器的運(yùn)行都是要求實(shí)時(shí)運(yùn)行的不同任務(wù)，所以采用方案二可以獲得更好的實(shí)時(shí)性。由于單片機(jī)內(nèi)部沒有嵌入操作系統(tǒng)，所以這些多個(gè)不同的任務(wù)就要依靠多中斷加上同步鎖的策略來實(shí)現(xiàn)。

　　硬件串口、SPI口以及定時(shí)器都有各自的中斷向量和中斷處理程序模塊，而軟件串口的接收和發(fā)送中斷則需要依賴于自定義的外部中斷向量來實(shí)現(xiàn)中斷機(jī)制。這些中斷的中斷級別都相同，如果發(fā)中斷沖突，則根據(jù)51單片機(jī)的中斷向量表，先執(zhí)行中斷向量號小的中斷處理程序，再執(zhí)行中斷向量號大的中斷處理程序。

　　如果在數(shù)據(jù)發(fā)送的同時(shí)，新的數(shù)據(jù)接收進(jìn)來并沖入發(fā)送緩存區(qū)，則會發(fā)生不可避免的通信數(shù)據(jù)出錯(cuò)。類似這樣的問題就需要同步鎖來解決?？紤]到實(shí)時(shí)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)C8051F023同步鎖的機(jī)制為：當(dāng)需要發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)幀進(jìn)入發(fā)送緩存時(shí)，中斷處理程序立刻加鎖，不允許新的數(shù)據(jù)再進(jìn)入發(fā)送緩存，直到該幀數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢再解鎖，此時(shí)新的數(shù)據(jù)才被允許進(jìn)入發(fā)送緩存區(qū)。與此同時(shí)，在單片機(jī)內(nèi)部劃分出四塊二級緩存區(qū)，將三個(gè)串口和一個(gè)SPI口接收到的數(shù)據(jù)先存入這四塊二級緩存區(qū)中，以免數(shù)據(jù)的丟失。

單片機(jī)與MCF5272的連接與通訊

　　單片機(jī)與MCF5272之間采用SPI口進(jìn)行通訊。硬件電路如圖二所示。

圖二 單片機(jī)與MCF5272連接原理圖

　　SPI為同步串行接口，要求收發(fā)同步，但是實(shí)際的運(yùn)用中，指令信號的接收和來自各串口數(shù)據(jù)的發(fā)送顯然是異步的。這就需要對SPI口進(jìn)行異步化編程設(shè)計(jì)。

　　將MCF5272的QSPI口設(shè)置為主模式，為SPI時(shí)鐘的發(fā)送方;而單片機(jī)的SPI口則設(shè)置為從模式。MCF5272在程序的運(yùn)行中，不間斷的通過QSPI口發(fā)送數(shù)據(jù)，在不發(fā)送指令幀數(shù)據(jù)時(shí)，就發(fā)送“0”數(shù)據(jù);而單片機(jī)的SPI口就會不斷的收到數(shù)據(jù)，在丟棄“0”數(shù)據(jù)外，接收到來自MCF5272有用的指令幀數(shù)據(jù)。由于SPI的收發(fā)同步的特征，MCF5272不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，便可以不斷的收到來自單片機(jī)SPI口的數(shù)據(jù)，同樣，在丟棄沒有任何意義的“0”數(shù)據(jù)后，將接收到通過各個(gè)串口傳遞而來各種不同的數(shù)據(jù)。這就實(shí)現(xiàn)了同步SPI口轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒饺p工的工作。

數(shù)據(jù)幀的同一化

　　單片機(jī)的三個(gè)串口所接收到的數(shù)據(jù)都將通過SPI接口傳遞至核心處理器MCF5272，同時(shí)核心處理器的數(shù)據(jù)也通過SPI口傳遞給單片機(jī)。這就需要單片機(jī)和MCF5272之間有一致的數(shù)據(jù)接口，以方便數(shù)據(jù)的分發(fā)和接收。我們需要對三個(gè)串口接收到和從SPI口接收到的數(shù)據(jù)幀重新定義幀格式，進(jìn)行同一化處理。同一化幀格式見圖三，其中串口源地址用來識別數(shù)據(jù)來自哪一個(gè)串口，串口目的地址用來識別數(shù)據(jù)將要發(fā)送至哪一個(gè)串口。

圖三 串行口數(shù)據(jù)幀發(fā)送格式

　　在MCF5272核心處理板上，從串口接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)同樣需要進(jìn)行同一化的處理。幀格式見圖四。

圖四 網(wǎng)口數(shù)據(jù)幀發(fā)送格式

結(jié) 語

　　整套系統(tǒng)的五個(gè)全雙工串口和一個(gè)網(wǎng)口對核心處理板來說是完全透明的。只需根據(jù)實(shí)際情況中的具體要求在µCLinux下編寫上層應(yīng)用軟件即可，因而適用于大多數(shù)的工控設(shè)備和通訊設(shè)備。如果在后端連接上無線傳輸模塊，該方案還適用于無線通信領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

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