Ethernet／IP通信適配器的設計與實現

1 引言

工業(yè)控制系統(tǒng)的分布化、智能化、信息化發(fā)展，要求企業(yè)從現場控制層到管理層的全面無縫信息集成。工業(yè)以太網滿足這一要求，實現了工業(yè)控制網絡與企業(yè)信息網絡的無縫連接，成為控制網絡發(fā)展的主要方向。Ether-Net／IP是當前主流的一種T業(yè)以太網，得到廣泛的認可。全球已超過100萬個安裝節(jié)點，并轉化為中國機械丁業(yè)標準。EtherNet／IP是唯一兼容于IEEE 802．3標準和TCP／IP協(xié)議的高性能I／O及運動控制網絡，其在應用層實施了成熟、先進、統(tǒng)一的CIP協(xié)議，提供了更加開放集成的工業(yè)自動化和信息化的整體解決方案。

本文研制的EtherNet／IP通信適配器可實現信息層和設備層的有機結合，作為EtherNet／IP控制網絡與其他技術之問的一個網關，將工業(yè)控制設備無縫集成到EtherNet／IP控制網絡中，提高了控制系統(tǒng)的靈活性和兼容性。目前，EtherNet／IP設備基本由國外廠商提供，國內企業(yè)使用EtherNet／IP設備需要支付昂貴的費用，本文開發(fā)的EtherNet／IP通信適配器可填補國內空白，提供一種更高性價比的工業(yè)控制設備，有著良好的應用前景。

2 Ethernet／IP協(xié)議簡介

EtherNet／IP(Ethemet／industrial protoc01)是一種適合工業(yè)環(huán)境應用的開放協(xié)議體系，實現了標準TCP／IP以太網和通用工業(yè)協(xié)議(control and information protocol，CIP)的結合，將標準TCP／IP以太網延伸到T業(yè)實時控制。EtherNet／IP使用標準TCP／IP以太網，意味著工業(yè)用戶能直接從TCP／IP以太網持續(xù)創(chuàng)新和成本降低中受益；同時，在應用層引入和ControlNet、DeviceNet相同的CIP協(xié)議是EtherNet／IP最具特色的部分，它為采用不同物理層和數據鏈路層的網絡提供統(tǒng)一的應用層協(xié)議標準，使各層網絡在應用層實現無縫連接。覆蓋各種工業(yè)應用要求；此外，采用EtherNet／IP組建的控制網絡可容易地集成到Internet／Intranet上，具有較好的一致性，解決控制網絡中互操作性的難題。

3 EtherNet／IP通信適配器的硬件設計

EtherNelflP協(xié)議制定了設備描述(device profile)規(guī)范，對完成相似功能的工業(yè)設備按對象模型進行分類，并定義特定工業(yè)設備應包括的CIP對象以及對象之間的聯(lián)系。設備描述有利于使不同廠商提供的設備行為一致。Ethemet／IP通信適配器是設備描述規(guī)范中定義的一種設備類型(類型號為0Chex)。

針對Ethemet／IP通信適配器的開發(fā)，本文采用基于ARM 920T內核的S3C2410微處理器。該處理器具有五級流水線、低功耗、高性能的特點，工作頻率可達203 MHz。利用S3C24lO出色的內核性能和豐富的外部接口，構造Ethemet／IP通信適配器的硬件系統(tǒng)，其組成結構如圖1所示。

圖1 基于$3C2410的通信處理器硬件結構

本文采用大容量的NAND Flash和SDRAM，保證系統(tǒng)軟件穩(wěn)定、快速地運行。由于$3C2410自身不含以太網接口，因此采用CS8900網卡芯片實現以太網的功能。Ethemet／IP通信適配器的硬件系統(tǒng)還包括了電源及復位電路、串行總線接口、LCD液晶顯示接口、JTAG程序實時仿真接口等部分。

4 EtherNet／IP通信適配器的底層軟件設計

在完成硬件電路設計、制作后，需設計相應的BootLoader引導程序，編寫穩(wěn)定可靠的I／0接口的驅動程序．從而為應用程序的開發(fā)提供一個硬件無關的軟件平臺。

4．1 Boot Loader的設計與實現

Boot IDader是系統(tǒng)的引導代碼，是操作系統(tǒng)和硬件之間的聯(lián)結紐帶。Boot Loader由OEM啟動代碼和主代碼兩部分組成。其中OEM啟動代碼與硬件高度相關，主要負責硬件平臺初始化；主代碼主要負責下載WindowsCE操作系統(tǒng)映像，設置合適的硬件、軟件環(huán)境，以便操作系統(tǒng)內核順利啟動。

下載Windows CE的映像文件到目標平臺的任務是由主代碼完成的。Windows CE內核映像文件通常20一30 MB。要將如此龐大的數據下載到目標設備，傳輸效率是關鍵問題。考慮傳輸效率和靈活性，以太網則是十分合理的選擇。遠程主機與Windows CE目標平臺的通信采用TFTP協(xié)議。目標平臺首先通THTP發(fā)送請求報文到遠程主機請求下載Windows CE映像文件并獲取映像文件的起始地址、長度等，然后開始接收映像文件到RAM中，校驗和確認數據是否有效后在Flash上分配有效地址空間將OS Image寫入。

4．2 I／O接口驅動程序的設計

I／O接口驅動程序采用流接口驅動模型，以中斷方式處理數據。流接口驅動程序是一個管理外圍設備的動態(tài)鏈接庫，實現一組標準的流接口函數給Windows CE內核使用，用來完成文件I／O和電源管理等。