基于ARM7实时网络的设计和实现[图]

随着基于TCP/IP协议的Internet网络技术的日益发展和普及，各种信息网纷纷采用TCP/IP协议，并接入Internet网。传统的测控系统由于其封闭性有被基于TCP/IP的网上测控系统取代。由于IP寻址简单，适于异构网互连，为实现分布式处理、实时监控的测控系统的实现提供了很好的条件。本文所构建的系统被用于将多个采集点的数据传给主控机，实时网络还有其他三个采集节点，主控机按顺序给各个节点发指令字，并依次从它们那里接收数据包，其通信协议采用了TCP和UDP。并以KEIL uVision3的RTL实时库为软件平台，基于ATMEL公司ARM7系列处理器，实现了完整的功能。

   1 系统的硬件构成
   1.1 系统的硬件
   系统的三个采集节点都采用ATMEL的AT91SAM7X256，该微控制器具备嵌入式10/100以太网（Ethernet）MAC、CAN、全速（12Mbps）USB2.0。它针对广泛的网络化实时嵌入式系统而设计的，AT91SAM7X256还具备一个10位模数转换器（ADC）、两个串行外围接口（SPI）、同步串行接口（SSC）、双线接口（TWI）、三个通用异步收发器（UART）、一个8级（8-level）优先中断控制器（priority inter rupt controller）和众多的监管功能。这个新型的50 MIPSMCU拥有64KB的静态存储器和256KB的25ns闪存，这种闪存支持实时控制系统所需的可确定性处理能力。
   主控机用PC机，操作系统用RedHat9.0，它主要用于轮询各个采集节点，并将从它们那里收到的数据包储存和显示出来。
   1.2 系统的拓扑结构
   实时以太网的拓扑结构与以太网相同。主机通过以太网卡连到通信电缆上。通信电缆可以是同轴电缆，也可以用非屏蔽双绞线。如果是非屏蔽双绞线，则需要用HUB。
   2 系统的软件构成
   2.1 体系结构
   实时以太网参照ISO的OSI模型，采用缩减的网络体系结构。网络体系结构分为四层：物理层、数据链路层、传输层和应用层，其中数据链路层又可细分为MAC子层和LLC子层。以太网卡实现了物理层和MAC子层能；LLC子层设计为向传输层提供无连接无确认的服务。传输层实现基于消息的数据传输，并向应用层提供网络中节点间实时数据传输服务。下面将着重讨论传输层协议的设计。
   2.2 KEIL uVision3的RTL实时库
   RealView RL-ARM是为解决基于ARM MCU的嵌入式系统中的实时及通信问题而设计的紧密耦合库集合。
   它可以非常方便地应用于所有ARM7、ARM9和Cortex-M3系列的处理器，使得在ARM处理器上运行实时程序非常容易。它包含四个部分：RTX实时内核、Flash文件系统、TCP/IP协议簇、RTL-CAN （控制域网络），Real??
   View实时库可以解决嵌入式开发中的如下几个常见问题：
   （1）多任务（可以在单CPU上管理几个工作或任务）；（2）实时控制（可以控制任务在既定时间内完成）；（3）任务间通信（可以实现系统中的任务间通信）；（4）Internet连接（通过以太网或串口（Modem））；（5）嵌入式Web服务器（包括CGI脚本）；（6）E-mail公告（通过SMTP）。
   系统的网络功能正是构建在RTL实时库之上的。下面简述一些RTL实时库的网络函数。
   （1）TCP发送函数BOOL tcp_send（U8 Socket，U8* buf，U16 dlen）；其中Socket为通信TCP Socket，它包含了对方的IP和端口信息，buf为要发送数据的首地址，dlen为发送数据包的最大值。
   （2）UDP的发送函数udp_send（U8 Socket，U8 *remip，U16 remport，U8 * buf，U16 dlen），其中Socket为通信UDP Socket，remip为对方的IP地址，remport为对方的通信端口，buf为要发送数据的首地址，dlen为发送数据包的最大值。
   （3）接收数据时，RTL实时库不像BSD Socket一样有专门的接收函数，而是利用回调机制，即收到数据时，就触发相应的回调函数。另外，对于TCP，在回调函数里它有多个响应事件，如TCP_EVT_CONREQ （连接请求）；TCP_EVT_CONNECT（已建立连接）；TCP_EVT _CLOSE（连接已关闭）；TCP_EVT_ABORT （连接异常终止）；TCP_EVT_ACK（发送的数据已被对方响应）；TCP_EVT _DATA （收到数据包），提取收到的数据并进行处理就是在该事件下完成的。然而，对于UDP，它没有各个响应事件。
   2.3 主控机的功能及系统的性能分析
   主控机的运行环境为RedH at9.0，采用标准的BSDSocket，它按顺序给各点发指令字，然后依次从它们那里接收数据包并进行存储和显示。
   按照上述的硬件和软件构建后，调试和测试后可得系统的通信速率如表1和表2所示。
   表1 PC对3个SAM7（基于TCP）

   表2 PC对3个SAM7（基于UDP）

   对照发现，UDP的传输速率可以达到TCP的约2.5倍。由于UDP协议并不提供数据传送的保证机制，如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。因此，我们把UDP协议称为不可靠的传输协议。而TCP协议中包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动向发送方发出确认消息；发送方只有在接收到该确认消息之后才继续传送其它信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。鉴于此，我们在系统在采用了以下的机制，即在PC先采集节点发送指令字时用TCP协议，而在传输采集数据包是就用UDP协议。
   3 结束语
   保证网络通信的实时性，对整个实时系统的正常可靠运转起着决定性作用。实时以太网具有实时、高速、价格便宜等优点。但也有其不足之处。如抗恶劣环境能力差；传输层在主机实现，占用了主机的资源；与主机上程序的协调运行也是要考虑的问题。
   作者：胡博 韩菲帆   来源：《信息通信》2011年02期