基于ARM微处理器的以太网工业智能控制器.docx

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基于ARM微处理器的以太网工业智能控制器

基于ＡＲＭ微处理器的以太网工业智能控制器

郭剑锋

（北京机械工业自动化研究所．北京１０００１１）

摘要。

详细描述了采用ＡＲＭ微处理器和Ｒｅａｉｔｅｋ全双工以太网控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ设计一个以

太网通信的硬件平台的过程，并将具有ＬｗｌＰ协议栈和ｕＣ／ＯＳＩＩ实时操作系统移植到该平台上，使该系统能够实现以太网通信控制功能。

介绍了该设备的应用对象，及在该设备基础上组建一个工业以太网控制系统的应用案例。

关键词。

ＡＲＭ；以太网：

现场总线；ｕＣ／ＯＳ¨：

ＬｗｌＰ：

工业控制器中田分类号。

ＴＰ３９文章编号。

１

００９一０１

文献标识码。

Ａ

３４（２００４）０３一００７５—０３

１

现场总线与工业以太网发展现状

以太网及ＴＣＰ／１Ｐ通信技术广泛麻用于商业办公

同时达到１０Ｍｂｐｓ的速率；内置１６ＫＢ的ＳＲＡＭ，用于收发缓冲，降低对｝ｉ处理器的速度要求。

领域。

近年来，由丁陶际现场总线技术标准化上作没有达剑人们理想的结果，以太网及ＴＣＰ／ＩＰ技术逐步在自动化ｆｆ、ｌｋ中得到应用，并发展成为－种技术潮流。

Ｈ前，我国在以太网应用于工业控制方面的

研究刚刚起步，虽然已经有计多关于Ｄ啦以太网方

面的文章，但雉奉Ｊ二都是停留在理论的分析与探讨上，真正致力于工业以太网实际应用的方案和工程实例很少。

２基于ＡＲＭ的以太网工业控制系统

的实现

由于早期的微处理器速度慢，功能简单Ｈ价格昂贵，尤法处理Ｅｔｈｅｍｅｔ＋ＴＣＰ／ＩＰ的通信机制。

近年来，随着ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＣｉｒｃｕｉｔ）技术及ｓＯＣ（Ｓｙｓｔｅｍ

ＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｎ

２

刚１硬件体系结构框罔

２软件移植

硬件，Ｆ台的软件移植可分为３个部分：

Ｃｈｉｐ）技术的迅

ＲＴＬ８０１９ＡＳ驱动程序的编写、ｕｃ／ＯｓＩＩ操作系统的移植、ＬｗｌＰ协议栈的移植。

（１）ｕＣ／ＯＳ１１实时操作系统的移植

ｕＣ／ＯＳ

猛发展，国际上的芯片制造商提供了许多功能丰富、处理速度高的芯片，这使得整个网络的瓶颈效麻集中任应用现场总线的设备层上的问题得以解决。

２．１硬件平台的设计

ＡＲＭ核的ＡＴ

９ｌＲ４０００

１Ｉ是一种开放源码的实时嵌入式操作系

统，是‘个町移植、可裁剪、占先式多任务操作系统，已被应用到多种微处理器上，其人部分源码是用ＡＮＳＩＣ语言编写的。

移植上作包括以卜儿个内容：

ａ．修改ｏｓ＿ｃＰＵ．Ｈ中的常量、数据类型和宏；ｂ用ｃ语占改写

ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ

８微处理器和

３２

ＲＴＬ８０１９ＡＳ以太网控制器足硬件平台的核心器件。

采用ＡＲＭ核微处理器具有很高的性价比。

ＡＲＭ位体系结构日莳被公认为是业界领先的３２位嵌入式ＲＩＳＣ微处理器结构。

其具有４人特点：

小体积、低功耗、成本低、高性能。

硬件体系结构如图１所示。

以太网控制器ＲＴＬ８０１９ＡＳ的主要性能：

符合

ＥＴＨＥＲＮＥＴ

Ｃ中６个简单的函数；ｃ用汇编语言改

写ＯＳ～ＣＰＵ—ＡＡＳＭ中的４个函数；

①ＯＳ—ｃＰＵ．Ｈ文件：

ＯＳ—ＣＰＵ。

Ｈ包括＃ｄｅｆｉｎｅ、ｔｙｐｅｄｅｆ定义与ＣＰＵ相关信息。

ｕＣ／ＯＳＩＩ定义了两个宏米禁止和允许中断：

ＯＳ—ＥＮＴＥＲ＿ＣＲＩＴＩＣＡＬ０和

ＩＩ与ＩＥＥＥ８０２．３标准；全双＿［，收发可

收釉日期：

２００３一Ｉ２－３１

作者筒介：

郭剑锋，咒，在读颁土研究串，主要研究方向为』＝业以太刚，嵌入式系统．现场总线技术。

第２６卷第３期２００４—０３

［７５１

万方数据

１和ＯＬＡＣＩＴｌＲＣ．ｎ．

塑ｌ兰生！

翌竺

ＯＳ—ＥＸＩＴ＿ＣＲＩＴＩＣＡＬ（）。

吏现的方法有两种：

ａ．直接调用处理器指令来禁止巾断和允许中断；ｂ．在ＯＳ—ＥＮＴＥＲ—ＣＲＩＴＩＣＡＬ（）中，先将小断状态保存到堆栈ＩｆＴ，然后禁止中断，而执行ＯＳ—ＥＸＩＴ—ＣＲＩＴＩ—ＣＡＬ（）｝Ｉ是从堆栈中恢复小断状态。

｝ｌ寸不同处理的处理器有不同的字艮，所以ｕＣ／

ＯＳ

ＩＩ的移植包括一系列的类型定义，以确保ｎｆ移植性。

如ＩＩＮＴｌ６Ｕ数据类型总是代表１６位无符号整数，将ｕＣ／ＯＳ１１移植到３２位处理器Ｉ：

，也就意味着ＩＮＴｌ６Ｕ实际被声明为无符号短整型数而不是无符号整形数。

②ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ文件：

ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔＨｏｏｋＯ、

ｏＳＴａｓｋＤｅ１ＨＯＯｋ（）、ＯＳＴａｓｋＳＷｈＯＯｋ（）、

ｏｓＴａｓｋｓｔａｔＨ００ｋ（）、ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｋＨｏｏｋ０这此Ｉ响数为崩户定义，实际需要修改的只有ＯＳＴａｓｋＳｔｋｌｉｎｉｔ（）函数。

ＯＳＴａｓｋＳｔｋｌｉｎｉｔ０Ｊ１１米初始化任务堆栈，初始状念的堆栈模拟发生一次中断后的堆栈结构。

由十任ＡＲＭ中堆栈是按３２位数据类型束进行操作，所以堆栈数据类型ＯＳ—Ｓ．ＴＫ声明为３２位无符号整数。

④ＯＳ—ＣＰＵ—Ａ

ＡＳＭ文伫这里要实现４个汇编

函数改写：

多任务启动函数中调用ＯＳＳＴａｒｔＨｉｇｈｔＲｄｙ０、任务切换函数ＯＳＣｔｘＳｗ０、中断任务切换ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ０、时钟节拍眼务函数

ＯＳＴｉｃｋＩＳＲ０。

任务切换函数ＯＳＣｔｘＳｗ０，由任务切换函数

ＯＳ—ＴＡＳＫ—ＳＷＯ进入。

如粜任务执行了某个函数，其结果改变ｒ当前任务的状态（如ＯＳＴａｓｋＳｕｓｐｅｎｄ（）、ＯＳＴｉｍｅＤｌｙ（）），或者是改变了别的任务的状态（ＯＳＴａｓｋＲｅｓｕｍ０、ＯＳＴｉｍｅＤｌｙＲｅｓｕｍｅ（））都要引起新的任务调度函数（ＯＳＳｃｈｅｄＯ）执行ＯＳ—ＴＡＳＫ—ＳＷ０。

ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ（）足在ＩＳＲ中被调用的，其代码与

ＯｓＣｔＸ

Ｓ

Ｗ（）类似。

要注意的足：

由于

ＯＳ

ＥＮＴＥＲ

０Ｓ

ＥＸＩＴＣＲｌＴＩＣＡＩ

使用的打法足方法２，所以ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ０中的常量为１０。

ＯＳＳ＇ｔａｒｔＨｉｇｈｔＲｄｙ（）由ＯＳＳｔａｒｔ（）函数调用，功能足运行优先级最高的任务。

ＯＳＴｉｃｋｌＳＲ（）是时钟节拍中断，朋户应该在ＯＳＳｔａｒｔ０运行后，ｕＣ／ＯＳ１１启动运行的第一个任务中初始化侮拍中断。

（２）ＬｗｌＰ协议栈的移植

ＬｗＩＰ协议栈杠没计时就考虑到了将来的移植问

１７６１第２６卷第３期２００４

０３

万方数据

题，因此把所有与硬件、ＯＳ、编译器相关的船份独，虹山束，放在／ｓｒｃｌａｒｃｈＬＩ录下。

因此ＬｗＩＰ杠ｕＣ／０Ｓｎ上的实现就足修改这个Ｈ录ｒ的文件，其它的文件一般不应该修改。

ｒ面分几部份分别说明相麻文件的实现原理和过程。

①与ＣＰＵ或编译器相关的ｉｎｃｌｕｄｅ文件：

／ｓｒｃ／ａｒｃｈ／ｉｎｃｌｕｄｅ／ａｒｃｈ目ｊｊ乏下ＣＣ

ｈ、ｃｐｕ

ｈ、ｐｅｒｆ．ｈ中有‘

些与ＣＰＵ或编译器相关的定义，如数据长度，字的高低位顺序等。

这麻该与用户实现ｕＣ／０ＳＩＩ时定义的数据长度等参数是一致的。

②ｓｙｓ—ａｒｃｈ操作系统相关部分ｓｙｓ—ａｒｃｈ．［ｏｈＪ巾

的内容是与ＯＳ相荚的一些结构和函数，ｌｉ要可以分为４个部份：

①ｓｙｓ—ｓｅｎｌ—ｔ信号量；②ｓｙｓ—ｍｂｏｘ＿ｔ消息；③ｓｙｓ＿ａｒｃｈ＿ｔｉｍｅｏｕｔ函数；④ｓｙｓ—ｔｈｒｅａｄ—ｎｅｗ创建新线程。

⑦ｌｉｂ＿ａｒｃｈ中库函数的实现：

ＬｗＩＰ协议栈中用到了８个外部函数，这些函数通常ｑＪｆＪ户使用的系统或编译器有关。

（３）刚络没备驱动程序的没计

网络芯片为ＲｅａｌＴｅｋ的ＲＴＬ８０１９ａｓ、芯片，这足

ＩＳＡ

１０ＢＡＳＥ—Ｔ的以太网芯片，与Ｎｅ２ｋ兼容。

ＬｗＩＰ

的网络驱动有一定的模型，Ｉｓｒｃｌｎｅｔｉｆｌｅｔｈｅｍｅｔｉｆ．ｃ文件即为驱动的模板。

在ＬｗＩＰ中可以有多个网络接口，每个网络接ｕ都对应了・个ｓｔｒｔａｃｔｎｅｔｉＬ这个ｎｅｔｉｆ包含ｒ相麻网络接口的属性、收发函数。

ＬｗＩＰ、蒯用ｎｅｔｉｆ的疗法ｎｅｔｉｆ－＞ｉｎｐｕｔ０及ｎｅｔｉｆＵ＞ｏｕｔｐｕｔ０进行以太网ｐａｃｋｅｔ的收、发等操作。

杠驱动・｛－扛要做的，就是实现网络接ｒＩ的收、发、初始化以及中断处理函数。

驱动程序工作在ＩＰ协议模型的网络接口层，它提供给卜层（ＩＰ层）的接ｌ＿：

】函数如～Ｆ：

／／网卡初始化函数

ｖｏｉｄｅｔｈｅｒｎｅｔｉｆ＿ｉｎｉｔ（ｓｔｒｕｃｔｎｅｔｉｆ４ｎｅｔｉｆ）

枷日帚接收函数，从网络接ＩＩ接收以太网数据包并把其中的ＩＰ报文向ＩＰ层发送

ｖｏｉｄｅｔｈｅｍｅｔｉｆｉｎｐｕｔ（ｓｔｒｕｃｔｎｅｄｆ４ｎｅｔｉｆ）

／／嗍卡发送函数，给ＴＰ层传过来的ＩＰ报文加

上以太网包头并通过嘲络接口发送

ｅｒｒ＿ｔ

ｅｔｈｅｍｅｔｉｆｏｕｔｐｕｔ（ｓｔｒｕｃｔｎｅｔｉｆ。

ｎｅｔｉＬ

ｓｔｒｕｃｔ

ｐｂｕｆ＋Ｐ，ｓｔｒｕｃｔｉｐ—ａｄｄｒ＋ｉｐａｄｄｒ）

／／网卡中断处理函数ＩＳＲ

ｖｏｉｄｅｔｈｅｒｎｅｔｉｆｉｓｒ（ｖｏｉｄ）；

用。

蠹罢ｐ葛：

豢’”嚣鬈黧震：

。

“语束结

务ｌ违廿勺矽似

以Ｊ：

的函数都可以分为协议栈本身的处理和对网络接【＿Ｉ硬件的操作两部分。

ｕＣ／ＯＳ１１和ＬｗｌＰ系统示意图如图２所示。

｜剞２

ｕＣ／ＯＳＩｔ、ＬｗＩＰ体系结构

２．３应用实例的建立和测试

完成移植修改工作以后，就ｎｒ吼在ｕＣ／ＯＳＩＩ中初始化ＬｗｌＰ，并创建ＴＣＰ或ＵＤＰ任务进行测试，。

这部份完全足Ｃ语占的实现。

ＬｗｌＰ的初始化必须祥ｕＣ／０Ｓ１１完伞启动之后也就足在任务中进行，因为它的初始化用到ｒ信号量等Ｏｓ相笑的操作。

关键部分的代码和说明如Ｆ：

ｍａｉｎｏｆＯＳｌｎｉｔ０；

ＯＳＴａｓｋｃｒｅａｔｅ（１ｗｉｐ—ｉｎｉｔ—ｔａｓｋ，＆ＬｉｎｅＮｏｌｌ，

＆１ｗｉｐ＿ｉｎｉｔ＿ｓｔｋ［ＴＡＳＫ—ＳＴＫ—ＳＩＺＥ圳，０）；ＴＣＰ／ＩＰ协议，将能通过标准的浏览器（ＭＳ

ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ（ｕｓｒ—ｔａｓｋ，＆ＬｉｎｅＮｏｌ２，＆ｕｓｒ＿ｓｔｋ

［ＴＡＳＫＳＴＫ＿ＳＩＺＥ—１］，１）；

ＯＳＳｔａｒｔ０；）

主程序中创建ｒｌｗｉｐ＿ｉｎｉｌ＿ｔａｓｋ初始化ＬｗＩＰ任务（优先级０）和ＵＳｒ—ｔａｓｋ用户任务（优先级１）。

１ｗｉｐ—ｉｎｉｔ

ｔａｓｋ任务中除ｒ初始化硬件时钟和ＬｗｌＰ

之外，迸创建ｒｔｃｐｉｐ—ｔｈｒｅａｄ（优先级５）和ｔｃｐｅｃｈｏ＿｜ｈｒｅａｄ（优先缀６）。

实际上ｔｃｐｉｐ—ｔｈｒｅａｄ才足ＬｗｌＰ的ｔ线程，多线程的ＢｅｒｋｌｅｙＡＰＩ也是基于这个线程实现的，Ｂ¨Ｉ：

面的ｔｃｐｅｃｈｏ—ｔｈｒｅａｄ线程也要｛Ｒ靠ｔｃｐｉｐｊｈｒｅａｄ线程来与外抖通信，这样做的好处趄编程简单，结构清晰。

实用ＢｅｒｋｌｅｙＡＰＩ实现的ｔｃｐｅｃｈｏ—ｔｈｒｅａｄ足‘

个ＴＣＰｅｃｈｏ服务器，啦听７号端口，编译运行后，

用讲“ｉ地ｐ

ｉ地址７（登录号端）命令町以看到７ＶＩｅｃｈｏ万方数据

，ｓｅｒｖｅｒ的ｌＨＩ碌效果。

说明ＡＲＰ、ＩＣＭＰ、ＩＰ、ＴＣＰＩ办议都已止确运行。

３

以太网工业智能控制器的应用

最终实现了一种嵌入式【、毗以太网方案，该片

案将以较高的性能价格比应用』。

Ｔ：

业控制领域（以人刚工、№控制系统结构如图３所示）。

图３吼爪网。

：

业控制系统图

网３中以太网Ｔ业控制器便是基ｊ二ＡＲＭｆｆ，Ｊｊ：

、Ｊｋ以太网智能控制器的产－ｕ｜实例，该设备不仅可以连结多个以太嘲Ｉ／Ｏ设备，还可以级连嵌入式以太网控制器。

该设备采用＿ｒ嵌入式ｗｅｂＳｅｒｖｅｒ和ＮＩＩ］

Ｉｎｔｅｍｅｔ

Ｅｘｐｌｏｒｅｒ和ＮｅｔｓｃａｐｅＮａｖｉｇａｔｏｒ）与网络服务器进行通讯，让企业的生产完伞信息化、网络化；而级连同类的嵌入式以太湖控制器后，上层以太网控制器将执负起实时控制现场设备的任务。

其应用对象可

以是：

①车问级生产信息集成：

主要由专用牛产设备、专用测试设备、条码器，ＰｃＷＬ及以太网络设备组成；ｊ三要功能是完成４三ｌ－Ｈｊ级生产信息及产品质量信息的管理。

②管理层信息网络：

即支撑＿１二厂管理层ＭＩｓ系统的讣算机网络。

卜要完成如ＥＲＰ的信息系统。

⑦ＳＣＡＤＡ系统：

特别足．些区域广泛、含有计算机广域网技术、无线通情技术的ｓｃＡＤＡ系统，如城市供水或污水管网的ＳＣＡＤＡ系统、水利水文信息监测ＳＣＡＤＡ系统等。

｛口不Ｆ口

第２６卷第３期２００４—０３

１７７１

据美国秘威调查机构ＡＲＣ报告指出，今后以太网不仅继续垄断商、ｌｋ计算机网络通信和丁业控制系统的上层网络通信市场，也可能领导未来现场总线的发展，并有可能取代目前各种现场总线成为唯一的工业控制网络标准。

同时，美国ＶＤＣ调查报告也

町互操作的现场总线控制系统。

参考文献：

【１】唐济扬．以太刚与现场总线技术…国内外机电一体化技

术，２００２，５（５）：

７—１３．

［２】２冯冬芹，金建祥，周小文，等．Ｅｔｈｅｒｎｅｔ与现场总线［Ｊ］国内

外机电一体化技术，２００３，５：

３８４３

『３】张浩．谭克勤，朱守云现场总线与Ｊ二业以太网络应用技

术手册［Ｍ】上海：

卜海科学技术出版社，２００２

【４】马忠梅．探英慧，叶勇建．等ＡＴ９１系列ＡＲＭ核微控制器

结构与开发【Ｍ１．北京航空航天人学出版社，２００３．

【５］ＡＤＡＭＤＬｗｌＰ

ｓｏｕｒｃｅ

指山，以太网在Ｄｌｋ控制领域中的应用将越来越广

泛，市场占有率的增长也越来越快。

随着通信、网络技术以及智能仪表的发展，以太网技术有能力延伸到现场，也就是＇蜕，有可能将以太网建到现场Ｉ／（３级，从而实现办公自动化与ＩＩ二业自动化的无缝结合，形成真正意义上的全开放、

ｃｏｄｅ［ＥＢ／ＯＬｌｈｔｔｐ；／／ｗｗｗＳｉｔｓｓｄ

—ａｄａｒｒｄｌｗｉｐ／，２００３—１２・２２

ｎ＾＾＾＾＾＾ｎ＾＾＾＾＾，、＾＾＾＾ｎ＾＾＾＾＾，、＾＾＾＾，、ｎ＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾

【上接第４９页】

ｖ＝血一ａｔ

２

（１１Ｊ

。

，堕一ｍ

当Ａ＝】ｍＩｌｌ，脉冲，焊管的运行速度Ｖ。

＝８０ｍ／ｍｉｎ时，ｎ，以求得：

Ｉｉｉｌ样当Ａ＝ｌｍｍ／脉冲，焊管的运行速度ｖ．＝８０ｍ／ｍｉｎ时，町以求得：

ｓ＝１．３３３ｔ一１．４８２ｔ２（ｍ）ｖ＝１．３３３ｔ一２．９６３ｔ

２

（１２）（１３）（１４）

（ｍ／ｓ）

ａ＝一２．９６３（ｍ／ｓ２Ｊ

ｓ“３３ｆＩｌ一—Ｌ（１一Ｐ“…。

）｜＋ｏ邯６ｆ（ｍ）４

ｖ＝ｌ

．ｔ、８８５

７ｌ

、’

（５）反向运行段｜茔｜２中ＦＧ段为反向追踪段。

（７）

ＧＨ段为反向同步段。

Ⅲ段为反向减速段。

以上各段与正向运动相对应各段的速度曲线完全一致。

正

向运行段和反向运行段伺服电机所接受的脉冲数和脉冲频率完全一致，故当一个工作循环结束时，飞锯机正好停在零位，不存任二次运行的误差。

伺服Ｅ锯机采用上述运动曲线后，定尺精度达到了０～＋５ｒａｍ，已超过了我国目前普遍采用的英国ＢＳ标准（０～＋６ｒａｍ）。

３３３（１一Ｐ一４８８５２）＋０．０６６（ｍ／ｓ）

（８）

ｆ９）

口＝６．５１ｌｅ“…‘（ｍ／ｓ２）

（３）同步段如图２ＣＥ段，进入同步段后，焊管相对于飞锯机的伸出量便同定不变了，Ｄ点是飞锯车进入同步段后，经过一定的延时开始锯切的时刻，也足锯切油缸开始动作的时刻。

延时时间足由ｂ锯年的速度超调最所决定的。

延时时间越妊，锯切焊管的定尺精度越高。

Ｅ点是飞锯车同步结束的时刻，此时飞锯车已完成锯切任务，锯切油缸恢复到原位，飞锯车开始进入正向减速段。

ＤＥ段时间是由锯切油缸的锯切周期所决定的。

我们是按照锯切最大蛘管直径设定此值的。

在同步段的位移、速度、加速度分刖为：

ｓ；ｖｐｔ

Ｖ—Ｖ。

３结论

（１）到Ｕ前为止伺服飞锯机已牛产了１２箭，它们都能在各自的生产线上安全、正常的锯切焊管，这证明采用伺服电机的控制系统是完垒可行的。

（２）采用上述运动曲线后，定尺精度优于英国ＢＳ标准，证明上述曲线是合理的、较为先进的。

ａ。

０

参考文献：

【１］柴晓艳，张玉牛，等全自动数控车厢板乜冲击的控制系

统和运动分析口１．制造业自动化，２００３（２）

【２］张上华，柴晓艳，等．＠３２５全自动数控飞锯机的传动系统

ｆＪ】．重型机械，２００３（２）

（１０）

［３】徐微莉，曹柱巾，等自动控制理论与设计（第３版）【Ｍ】

海交通大学出版社，２００１

Ｌ

（４）正向减速段如幽２ＥＦ段，飞锯车受制动，按等减速运动，当速度降至零时，转入反向运行段。

在正向减速段的运动方程为：

１

．

ｓ＝Ａｘｔ一．＂－－ａｔ‘

１７８１第２６卷第３期２００４—０３

万方数据

基于ARM微处理器的以太网工业智能控制器

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷（期）：

引用次数：

郭剑锋北京机械工业自动化研究所,北京,100011制造业自动化MANUFACTURINGAUTOMATION2004，26（3）14次

参考文献（5条）

1.唐济扬以太网与现场总线技术[期刊论文]-国内外机电一体化技术2002（5）

2.冯冬芹.金建祥.周小文Ethernet与现场总线2003

3.张浩.谭克勤.朱守云现场总线与工业以太网络应用技术手册2002

4.马忠梅.徐英慧.叶勇建AT91系列ARM核微控制器结构与开发2003

5.ADAMDLwIPsourcecode2003

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