嵌入式TCP振荡器

恒温振荡器(又称恒温摇床)是一种温度可控的恒温的生化仪器，是植物、生物、微生物、遗传、病毒、环保、医学等科研、教育和生产部门作精密培养制备不可缺少的实验室设备。而目前大部分恒温振荡器的同类产品都不具有网络数据通信的功能。TCP/IP协议采用一种层次结构，为用户提供了丰富的应用服务，已成为网络通信协议的事实上的国际工业标准，并已得到普遍推广。同时，嵌入式系统的Internet 网络化的研究与应用是近几年来嵌入式应用领域的一个研究热点，这一技术在许多领域都得到广泛应用[1]。

本文为了保证实时监控恒温振荡器的转速、温度等参数，采用了以ARM7处理器为核心的嵌入式系统与TCP/IP 网络互联的方式进行通信访问，使上位机能够实时地掌握恒温振荡器的各种参数状况，保证对恒温振荡器工作过程实时远程监控，不需要浪费人力和时间到现场勘查数据。

1 总体设计及系统架构

本系统使用的是以ARM7为内核、主频达72 MHz的32位微处理器LPC2368，可以满足高速实时处理及大容量数据传输的要求，且具有内置的以太网模块，该模块包含一个功能齐全的10 Mb/s或100 Mb/s以太网媒体访问控制器(MAC)，这个以太网MAC通过使用加速的DMA硬件来提供优化的性能[2]。系统还采用了美国国家半导体公司的DP83848单路10 Mb/s或100 Mb/s以太网收发器和支持10 Mb/s和100 Mb/s自适应的网络连接速度的以太网接口RJ45来组成网络通信模块，同时此主控芯片也控制温度和速度等其他多个模块。整个设计体系具有强大的网络处理能力，系统框图如图1所示。

2 网络通信模块设计

2.1 以太网硬件实现

本系统CPU采用飞利浦公司的LPC2368，它是以ARM7为内核主频达72 MHz的32位微处理器，内部集成了一个以太网模块，支持10 Mb/s或100 Mb/s PHY器件，带有分散/集中式DMA的DMA管理器以及帧描述符数组，通过缓冲和预取来实现存储器通信的优化，并且发送和接收均支持多播帧、广播帧和超长帧传输，允许帧长度为任意值。通过标准的媒体独立接口(MII)或标准的简化MII接口可连接外部PHY芯片，该特性是通过软件来选择，然后可对PHY寄存器进行访问。

网卡芯片DP83848是10 Mb/s/100 Mb/s单路物理层以太网收发器件，包含1个智能电源关闭，具有低功耗性能。在本系统中DP8384S工作在50 MHz晶振频率下，具有能量检测模式的特性，可为系统提供一个智能节能工作模式。它是一个链路可控制节能模式，目的是当在线上检测不到活动的时候，器件能够进入休眠的低功耗状态，即状态-能量检测模式。能量检测功能通过寄存器设定来控制，在电源状态发生转换的时候，电源上电/重置算法遵循其正常流程，而且能量检测模式并不会影响之前设定的工作模式。在电源状态发生转换时，器件将会保留其原先的模式(强制模式或者自动协商、MDI或者MDIX)。能量检测算法能够在不同的电源状态之间自动或手动转换，当一个电源状态的改变未成功或者发生太多误差事件时，能量检测逻辑能够发出中断信号。能量检测逻辑在采取动作之前需要多倍数据和误差事件来调节一些噪声。计数器深度则由寄存器设置来确定，并默认其为包含数据和误差的一个事件。

最后与常用的以太网接口RJ45连接，该接口支持10 Mb/s和100 Mb/s自适应的网络连接速度[3]。本系统设计的以太网硬件电路连接如图2所示。

2.2 系统通信协议和通信过程

2.2.1 以太网数据帧传输和接收

在以太网中数据传递靠的是MAC地址，而不是IP地址，IP地址和MAC地址具有映射关系。1个以太网包包括：1个导言区(preamble)、1个起始帧定界符和1个以太网帧。以太网帧由目标地址、源地址、1个可选的VLAN区、长度/类型区、有效载荷以及帧校验序列组成，如图3所示。每一个以太网帧均由1个或多个片段组成，每个片段对应1个描述符。以太网模块中的DMA管理器能够将1个以太网帧的多个片段进行分散(用于接收)和集中(用于发送)[4]。

传输的以太网包中7个字节的导言区用来使接收方的时钟和发送方的时钟同步，然后再由帧分界符来表述1个数据帧的起始，进而进入数据帧的传输通信过程，数据帧主要是通过目标地址和源地址的位置建立通信。6个字节的目标地址是指目的站点的MAC地址，表明要把数据送到哪个站点。若目标地址第1位为0，则这个字段指定了一个特定的站点；若为1，则表示目标地址为一组地址，而该地址是事先定义好的；若所有位全为1，则表示接收者为局域网上的所有站点，即该地址是一个广播地址。6个字节的源地址是指源主机的MAC地址，表明该帧来自哪个主机。VLAN是一种将局域网(LAN)设备从逻辑上划分成一个个网段，从而