基于ARM的嵌入式通信控制器的設計與應用

【摘 要】近年來，隨著以太網(wǎng)的應用與推廣，將以太網(wǎng)技術用于樓宇自動化和信息家電甚至工業(yè)控制領域，也越來越受到人們的重視， 本文論述了一種基于 ARM 和 ZLG/IP 的嵌入式通信控制器的軟、硬件設計方法。該控制器可以靈活的將串口設備連接到以太網(wǎng)，與其它網(wǎng)絡設備通信，以供大家交流探討。

【關鍵詞】ARM；嵌入式通信控制器；設計；應用

目前，隨著先進的微控制器技術、計算機技術和通信技術的發(fā)展，采用如下接入方式正逐漸發(fā)展起來：微控制器+局部專用網(wǎng)絡+局部通信控制器（網(wǎng)關）。采用專用網(wǎng)絡，如 RS-232、 RS-485，CANBus、BlueTooth 等方式，將多個微控制器連接在一起，然后將該專用網(wǎng)絡連接到一個通信控制器（過去一般采用桌面計算機實現(xiàn)），該控制器負責將室內專用網(wǎng)絡上的信息轉換為 TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包，然后發(fā)到以太網(wǎng)上實現(xiàn)信息的傳輸，適合于將小到一戶家庭、一幢大樓、大到一個工廠內部的微控制器網(wǎng)絡接入以太網(wǎng)。本控制器依據(jù)目前樓宇自動化和信息家電的要求，針對前者實現(xiàn)方式的缺點，結合目前先進的微控制器產品、計算機技術和通信技術，實現(xiàn)了高性能、低成本、低功耗、小體積的先進嵌入式通信控制器。

一、ARM 微處理器

ARM 公司于 1990年 9 月在英國成立。ARM 公司在32位RISC CPU開發(fā)領域不斷取得突破，其結構已經(jīng)從 V3 發(fā)展到 V6。由于 ARM 公司自成立以來，一直以 IPIntelligence Property提供者的身份向各大半導體制造商出售知識產權，而本身不介入芯片的生產銷售， 加上其設計的芯核具有功耗低、成本低和功能強等顯著優(yōu)點，因此獲得眾多的半導體廠家和整機廠商的大力支持，在 32 位嵌入式應用領域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有75%以上的32位 RISC 嵌入式產品市場，幾乎成為了事實上的標準。在所有 ARM 微處理器系列中， ARM7 微處理器系列應用最廣，采用 ARM7 微處理器作為內核生產芯片的公司最多。本文所討論的嵌入式通信控制器的硬件核心 LPC2214 微處理器就是一款由 Philips 公司生產的 ARM7TDMI微處理器。

二、硬件平臺設計

（一）LPC2214

LPC2214是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMICPU的微控制器，并帶有16K字節(jié)片內靜態(tài)RAM和256 KB嵌入的高速Flash存儲器。 128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16 位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。 由于LPC2214較小的144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC（64腳和144腳封裝）以及多達9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和POS機?？墒褂玫腉PIO高達76（使用了外部存儲器）～112個（單片應用）。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關、協(xié)議轉換器、嵌入式軟modern以及其它各種類型的應用。

（二）系統(tǒng)存儲器

作為32位的微處理器，LPC2214支持8位、16位和32位尋址方式，具有較強的尋址能力， 可方便的構建較大的存儲空間。由于芯片自身帶有256KB的高速FLASH，對于采用uc/os-II和 ZLG/IP設計嵌入式通信控制器已經(jīng)足夠，無需再在外部掛接FLASH存儲器。系統(tǒng)選用 IS61LV25616AL作為SRAM存儲器，用于滿足嵌入式操作系統(tǒng)及通信控制器中的內存塊拷貝運行要求。

（三）調試接口

LPC2214 支持 JTAG協(xié)議，JTAGJoint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調試，通過 JTAG接口，可對芯片內部的所有部件進行訪問，因而是開發(fā)調試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。目前 JTAG接口的連接有兩種標準，即14針接口和20針接口，筆者選用的是20 針的接口。

（四）外設

LPC2214 內部集成了兩個 UART 通道，我們通過電平轉換芯片 MAX3232 實現(xiàn)了一個 RS-232 串口接口；利用 MAX489 實現(xiàn)了RS-422 通信接口，以便于接受遠距離下位機傳過來的數(shù)據(jù)。 利用 RTL8019AS芯片和 RJ-45網(wǎng)絡接口， 實現(xiàn)了以太網(wǎng)模塊的硬件單元。LPC2214 提供了多達 76 個可編程的 I/O端口，由片內的相關寄存器控制。在該系統(tǒng)的設計中， P0.23 和 P0.24 外接兩個 LED 指示燈，用作程序運行狀態(tài)的顯示，其它數(shù)據(jù)總線和地址總線及部分 GPIO在系統(tǒng)板上引出，以供擴展之用。

三、軟件平臺設計及其在考勤系統(tǒng)中的應用

（一）軟件平臺設計

軟件平臺上采取了源代碼開放的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II和周立功公司的TCP/IP 協(xié)議棧ZLG/IP（其本身基于μC/OS-II）。 μC/OS-II是一個完整的、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II最大的特點就是它的源代碼開放，這是其它商業(yè)實時內核無法比擬的。它是針對嵌入式應用而設計的，而且，在設計之初就充分考慮到了它的可移植性，它的大部分源代碼都是用高可移植性的ANSIC編寫的。目前，μC/OS-II已經(jīng)應用在很多領域，比如醫(yī)療設備，發(fā)動機控制，網(wǎng)絡設備，自動提款機及工業(yè)機器人等。ZLG/IP 提 供實現(xiàn)Internet 網(wǎng)絡上IP 接點的功能，是個高性能的嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧軟件。它使用μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)的信號機制來實現(xiàn)一個多任務并行并可重入的協(xié)議棧，完全使用 ANSIC 進行編寫，可以像μC/OS-II 那樣支持多種CPU，ZLG/IP帶有 Socket API接口函數(shù)， 方便使用者進行應用層協(xié)議的開發(fā)。ZLG/IP 還具有層次清晰，易于升級和修改等特點。

（二）在校園考勤系統(tǒng)中的應用

在校園考勤系統(tǒng)中，需要有一個嵌入式通信控制器完成如下功能：將教務處發(fā)下來的數(shù)據(jù)和命令信息傳送給下面各個教學樓的考勤機終端，然后將考勤機終端存儲的考勤數(shù)據(jù)傳送到教務處的服務器。采用我們設計的控制器在教學樓內采用 RS-422 通信方式，一主多從， 一臺通信控制器對多臺考勤終端，在教學樓和教務處之間采用TCP 通信方式，幾乎沒有了距離的限制，能很好地解決遠距離可靠的通信傳輸問題。

總之，由于ARM微處理器的優(yōu)越性能和軟件的可移植性，該控制器可以很容易的嵌入到其他系統(tǒng)中，能夠應用于樓宇自動化和信息家電等諸多領域。

參考文獻：

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