基于ARM和uC/OS的嵌入式SMI网络转换器设计与应用

引言

目前，随着互联网和嵌入式系统的高度发展，越来越多的工业测控设备已经将网络接入功能作为其默认配置，以实现设备的远程监控和信息分布式处理。然而，大量工业现场设备尚不具备网络接口。在IP113F光纤收发器监控系统的开发中，下位机通过单片机与光纤收发器的SMI进行通信以实现监控，上下位机通过RS-232接口传输数据。南于串口传输距离短，工作人员每天都要到现场对数据进行检查和诊断，不胜其烦。针对这种情况，有必要设计一个SMI到Internet的数据传输模块，以便对光纤收发器的运行状况作远程监测。

IP113F芯片简介

IP113F芯片是一款具有网管功能、超低功耗的光纤收发器，支持3.3V I／O，主要通过SMI（MDC，MDIO）对两组独立寄存器进行操作，以实现监控或重新设置本地或远端光纤收发器的工作状态。用户可以通过串行管理接口来访问寄存器，如图1所示。由于IP113F的地址是5位二进制码，所以一个管理单元最多可同时外挂32（25）个IP113F.数据在MDIO上是一位位传输的，是发生在MDC的上升沿跳变，MDIO上的数据通信协议如表1所示。当SMI处于空闲状态时，MDIO则处于高阻态，管理单元在MDIO上发送32位连续的"1"和"01"信号来初始化MDIO接口。

整体功能设计

系统的基本功能是32台光纤收发器同时通过同一个SMI网络转换器与远程的上位机进行通信，如图2所示。转换器完成的具休工作是接收本地或远端光纤收发器发送过来的测试数据，自动识别其长度和来源，将其转化为网络数据格式，通过以太网发送到上位机，同时接收上位机通过以太网发送过来的控制信息，并自动识别其发送的目标，再通过SMI口发送给相应的光纤收发器。根据实际需要，可以在上位机中通过以太网配置SMI网络转换器的IP地址。

硬件结构设计

转换器的硬件电路中选用基于arm7内核的嵌入式处理器LPC2214芯片，用于进行整体控制。LPC2214芯片带有256KB的高速FLASH，并带有16K片内SRAM.为了满足通信过程中的数据缓存和具备一定系统运行空间的要求，片外利用IS61LV25616AL扩展了512KB的SRAM.另外，通过IIC总线，片外扩展了256字节的EEPROM，用于保存已设置的IP地址。选用10M全双工以太网控制器RTL8019AS芯片完成网络通信功能，HR61101芯片充当网卡变压器。采用通用I／O口，P0.5和P0.6模拟SIM的通信时序，对IP113F进行数据采集。电路整体硬件电路如图3所示。

LPC2214具有外部存储器接口，可以扩展4个Bank的存储器组（Bank0～Bank3），且Bank0～Bank3的片选信号分别为CS0-CS3，本设计中，用Bank0扩展SRAM，Bank3扩展RTL8019AS模块。由于LPC2210芯片是一个8／16／32位的微处理器，可以接受16位数据位宽的读写。设计中将RTL8019AS芯片的16位I／O脚IOCS16B连到高电平，实现以16位操作模式读写控制寄存器的内容，与用单片机作为处理器的设计相比，系统运行效率提高。通过将RTL8019AS的65脚JP接高电平以选择跳线工作方式，即RTL8019AS的I／O和中断由跳线决定，不需外扩EEPROM 93C46芯片存储信息来控制RTL8019AS的I／O和中断，减少了连线，提高了高频电路的稳定性。RTL8019AS工作在跳线模式时，其基地址为0X300.由于RTL8019AS工作电源是5V，而LPC2210的I／O电压是3.3V，因此在总线连接上串接470Ω的保护电阻。

系统软件设计与实现

引入RTOS

光纤收发器数据采集要求实时性比较高，若采用传统的前后台设计方法，会过于复杂，且实时性不能保证。采用实时操作系统RTOS可以解决这个问题。μC／OS-II操作系统是一种源代码公升的RTOS，具有代码短小精悍、简单易学的特点，对本设计来说是一个理想的选择。

TCP／IP协议的选择与裁减

为使SMI转换器具有以太网接入功能，必须在arm处理器中嵌入TCP／IP协议。参考开放系统互连（OSI）模型，在ARM中嵌入的TCP／IP协议采用简化的四层模型，即链路层、网络层、传输层、应用层。根据实际需求，结合arm微处理器的处理能力，设计中对完整的TCP／IP协议进行了全方位裁减。链路层由控制同一物理网络上不同机器间数据传送的底层协议组成，RTL8019AS的驱动程序就是在该层实现的；在网络层，对于ARP包只响应ARP请求，取消了RARP，只维护最简单的一个IP地址与MAC地址的映射Cache表，定时刷新；对传输层，考虑到所设计的系统数据传输安全性，设计中选用TCP协议；对应用层，裁剪掉HTTP协议，通过将控制界面设置在上位机上来代替其功能。

通过上述裁剪，就得到一个适用的TCP／IP协议。把裁减后的TCP／IP协议嵌入到操作系统μC／OS-II中，并提供API接口函数供应用程序调用，使得arm可以快速无冲突地收