Ethernet／IP通信适配器的设计与实现

1 引言

工业控制系统的分布化、智能化、信息化发展，要求企业从现场控制层到管理层的全面无缝信息集成。工业以太网满足这一要求，实现了工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，成为控制网络发展的主要方向。Ether-Net／IP是当前主流的一种T业以太网，得到广泛的认可。全球已超过100万个安装节点，并转化为中国机械丁业标准。EtherNet／IP是唯一兼容于IEEE 802．3标准和TCP／IP协议的高性能I／O及运动控制网络，其在应用层实施了成熟、先进、统一的CIP协议，提供了更加开放集成的工业自动化和信息化的整体解决方案。

本文研制的EtherNet／IP通信适配器可实现信息层和设备层的有机结合，作为EtherNet／IP控制网络与其他技术之问的一个网关，将工业控制设备无缝集成到EtherNet／IP控制网络中，提高了控制系统的灵活性和兼容性。目前，EtherNet／IP设备基本由国外厂商提供，国内企业使用EtherNet／IP设备需要支付昂贵的费用，本文开发的EtherNet／IP通信适配器可填补国内空白，提供一种更高性价比的工业控制设备，有着良好的应用前景。

2 Ethernet／IP协议简介

EtherNet／IP(Ethemet／industrial protoc01)是一种适合工业环境应用的开放协议体系，实现了标准TCP／IP以太网和通用工业协议(control and information protocol，CIP)的结合，将标准TCP／IP以太网延伸到T业实时控制。EtherNet／IP使用标准TCP／IP以太网，意味着工业用户能直接从TCP／IP以太网持续创新和成本降低中受益；同时，在应用层引入和ControlNet、DeviceNet相同的CIP协议是EtherNet／IP最具特色的部分，它为采用不同物理层和数据链路层的网络提供统一的应用层协议标准，使各层网络在应用层实现无缝连接。覆盖各种工业应用要求；此外，采用EtherNet／IP组建的控制网络可容易地集成到Internet／Intranet上，具有较好的一致性，解决控制网络中互操作性的难题。

3 EtherNet／IP通信适配器的硬件设计

EtherNelflP协议制定了设备描述(device profile)规范，对完成相似功能的工业设备按对象模型进行分类，并定义特定工业设备应包括的CIP对象以及对象之间的联系。设备描述有利于使不同厂商提供的设备行为一致。Ethemet／IP通信适配器是设备描述规范中定义的一种设备类型(类型号为0Chex)。

针对Ethemet／IP通信适配器的开发，本文采用基于ARM 920T内核的S3C2410微处理器。该处理器具有五级流水线、低功耗、高性能的特点，工作频率可达203 MHz。利用S3C24lO出色的内核性能和丰富的外部接口，构造Ethemet／IP通信适配器的硬件系统，其组成结构如图1所示。

图1 基于$3C2410的通信处理器硬件结构

本文采用大容量的NAND Flash和SDRAM，保证系统软件稳定、快速地运行。由于$3C2410自身不含以太网接口，因此采用CS8900网卡芯片实现以太网的功能。Ethemet／IP通信适配器的硬件系统还包括了电源及复位电路、串行总线接口、LCD液晶显示接口、JTAG程序实时仿真接口等部分。

4 EtherNet／IP通信适配器的底层软件设计

在完成硬件电路设计、制作后，需设计相应的BootLoader引导程序，编写稳定可靠的I／0接口的驱动程序．从而为应用程序的开发提供一个硬件无关的软件平台。

4．1 Boot Loader的设计与实现

Boot IDader是系统的引导代码，是操作系统和硬件之间的联结纽带。Boot Loader由OEM启动代码和主代码两部分组成。其中OEM启动代码与硬件高度相关，主要负责硬件平台初始化；主代码主要负责下载WindowsCE操作系统映像，设置合适的硬件、软件环境，以便操作系统内核顺利启动。

下载Windows CE的映像文件到目标平台的任务是由主代码完成的。Windows CE内核映像文件通常20一30 MB。要将如此庞大的数据下载到目标设备，传输效率是关键问题。考虑传输效率和灵活性，以太网则是十分合理的选择。远程主机与Windows CE目标平台的通信采用TFTP协议。目标平台首先通THTP发送请求报文到远程主机请求下载Windows CE映像文件并获取映像文件的起始地址、长度等，然后开始接收映像文件到RAM中，校验和确认数据是否有效后在Flash上分配有效地址空间将OS Image写入。

4．2 I／O接口驱动程序的设计

I／O接口驱动程序采用流接口驱动模型，以中断方式处理数据。流接口驱动程序是一个管理外围设备的动态链接库，实现一组标准的流接口函数给Windows CE内核使用，用来完成文件I／O和电源管理等。

该驱动程序开发一个重要的步骤是中断处理的实现。中断处理分为2个阶段：中断服务例程(ISR)和中断服务线程(IST)。当硬件中断发生时，操作系统内核