【摘要】:本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)抄表系統(tǒng),并著重闡述系統(tǒng)硬件ATmega128和LAN91C111的特點(diǎn)，并在采集器中移植了NUT/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)了Tcp/Ip協(xié)議，能夠?qū)崟r(shí)地處理多任務(wù),大幅提高系統(tǒng)的管理能力。
【關(guān)鍵詞】:ATmega128，NUT/OS，以太網(wǎng)
1.引言
自動(dòng)抄表(AutomatieMeterReading，以下簡(jiǎn)稱(chēng)AMR)是指采用電子和計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自動(dòng)讀取和處理各類(lèi)表計(jì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化系統(tǒng)。自動(dòng)抄表技術(shù)不僅是提高用電管理水平的需要，也是微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然。在用電管理方面，采用自動(dòng)抄表技術(shù)，不僅能節(jié)約人力資源，更重要的是可提高抄表的準(zhǔn)確性，減少因估計(jì)或謄寫(xiě)而造成帳單出錯(cuò)，使供用電管理部門(mén)能及時(shí)準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)信息。由于電力用戶(hù)因此不再需要與抄表者預(yù)約上門(mén)抄表時(shí)間，還能實(shí)時(shí)查詢(xún)帳單，故這種技術(shù)越來(lái)越受到用戶(hù)和電力管理部門(mén)歡迎。自動(dòng)抄表技術(shù)不僅用于電力表的自動(dòng)抄收，也被廣泛的用在水表、天然氣表和熱氣表的自動(dòng)抄收上，同樣具有自動(dòng)化、速度快、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。
本系統(tǒng)集微電子技術(shù)，自控技術(shù)，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體。采用集散結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，所有主要設(shè)備均帶有微處理器，能獨(dú)立運(yùn)行。采集器與各終端（或智能電表）之間的通信采用RS485總線或電力載波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。采集器與管理中心計(jì)算機(jī)的通信可通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信。獨(dú)特靈活的組網(wǎng)方式，適應(yīng)于各種安裝使用環(huán)境。自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.硬件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能數(shù)據(jù)采集器,該數(shù)據(jù)采集及傳輸控制器作為整個(gè)系統(tǒng)的核心起到橋梁作用。本系統(tǒng)的硬件采用Ethernut2.1g版本的硬件方案，在此平臺(tái)上加入了RS485總線接口，使用Atmel的ATmega128單片機(jī)和SMSC公司的LAN91C111以太網(wǎng)控制芯片，外擴(kuò)一塊32K的SRAM，并提供一個(gè)UART接口，一個(gè)RJ45以太網(wǎng)接口，并提供一個(gè)ISP編程接口。硬件原理圖如圖2所示：

圖2數(shù)據(jù)采集器硬件原理圖
在圖2中，數(shù)據(jù)線和地址線采取總線方式：8位數(shù)據(jù)線和16位地址線，PA口8位端口為復(fù)用AD端口，接地址鎖存器74HC573D，PC口的8位端口用于地址線的高8位（A8~A15）。PD2，PD3通過(guò)MAX485接口。現(xiàn)場(chǎng)總線的信號(hào)通過(guò)ATmega128接收信號(hào)再通過(guò)LAN91C111與以太網(wǎng)進(jìn)行相連。圖中的HR601681是針對(duì)10M/100M以太網(wǎng)的變壓濾波器。
2．1主控制模塊芯片ATmega128
主控芯片ATmega128是一款低功耗CMOS8位單片機(jī)，最快頻率可達(dá)16MHz，其具有128K字節(jié)內(nèi)置Flash程序存儲(chǔ)器，4K字節(jié)EEPROM，4K字節(jié)SRAM，32個(gè)8位通用工作寄存器，53個(gè)通用I/O口，兩個(gè)USART口，一個(gè)I2C總線接口，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口（用于在線仿真調(diào)試和程序下載），4個(gè)有比較模式和PWM模式的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，一個(gè)SPI口，6種可通過(guò)軟件選擇的節(jié)電模式[2]。
ATmega128的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器可以存放通過(guò)SPI串行接口、通用編程器或通過(guò)JTAG接口燒寫(xiě)的程序。自引導(dǎo)BOOT程序可以用任意的接口下載到應(yīng)用Flash程序存儲(chǔ)器中。當(dāng)應(yīng)用程序區(qū)被更新時(shí)BOOT區(qū)的軟件將繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)同時(shí)可讀/寫(xiě)的功能。增強(qiáng)RISC的8位CPU與在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用編程的Flash存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片內(nèi)，使ATmega128成為功能強(qiáng)大的單片機(jī)，當(dāng)運(yùn)行Nut/OS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)時(shí)（占用大約20K空間），還有100KB左右的空間，可以滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用程序的程序存儲(chǔ)器需要，用戶(hù)可以在此基礎(chǔ)上編寫(xiě)自己的嵌入式控制應(yīng)用程序。
2．2以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)接口模塊中，選用的是SMSC公司為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。LAN91C111的芯片上集成了遵循SMSC/CD協(xié)議的MAC(媒體層)和PHY(物理層),符合IEEE802.3/802.U-100Base-Tx/10Base-T規(guī)范。
LAN91C111芯片功能模塊包括[3]:
(1)CSMA/CD收發(fā)分離的邏輯塊，完成載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)功能。
(2)MAC模塊依據(jù)CSMA/CD模塊的狀態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行訪問(wèn)，該模塊一邊與CSMA/CD模塊的收發(fā)FIFO接口，另一邊與仲裁器模塊接口。
(3)仲裁器模塊Arbiter，在BIU和DMA訪問(wèn)內(nèi)部RAM的請(qǐng)求之間進(jìn)行仲裁。
(4)總線接口單元模塊BIU支持同步或異步的總線接口。
(5)內(nèi)存管理單元模塊MMU，用來(lái)分配內(nèi)存和收發(fā)包隊(duì)列。
LAN91C111為全雙工、收發(fā)，支持交換式以太網(wǎng),提前發(fā)送和接收功能；支持突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸；通信速率可選，自動(dòng)偵測(cè)10M和100M；增強(qiáng)的功率管理。該以太網(wǎng)控制器所遵循的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議為IEEE802.3以太網(wǎng)傳輸協(xié)議。8位~32位數(shù)據(jù)總線接口單元由控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線與外部的CPU控制芯片相連。外部數(shù)據(jù)可以8位、16位或32位方式與LAN91C111進(jìn)行交換。該單元還集成了EEPROM接口，所有內(nèi)部寄存器的初始值可先放在EEPROM中，自舉時(shí)通過(guò)EEPROM接口輸入芯片中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)初始化。總線仲裁器監(jiān)視以太網(wǎng)總線的數(shù)據(jù)交流情況，一旦發(fā)生阻塞，一方面通過(guò)總線接口單元與外部CPU聯(lián)系，另一方面控制MMU（內(nèi)存管理單元）實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)。MMU控制8KBSRAM的存儲(chǔ)情況，實(shí)現(xiàn)與DMA控制器之間的數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)。DMA控制器與總線控制器一起控制數(shù)據(jù)在DMA與EPH（以太網(wǎng)協(xié)議處理器）之間的交換。從EPH出來(lái)的數(shù)據(jù)最終經(jīng)過(guò)10M/100M的PHY直接接到以太網(wǎng)總線上。LAN91C111使用引腳TPIN+,TPIN-,TPOUT+和TPOUT-連接耦合隔離變壓器HR601681，利用RJ-45插頭實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的連接。數(shù)據(jù)線和地址線均采用總線方式:8位數(shù)據(jù)線和16位地址線，PA口的8位端口為復(fù)用的低8位地址線/8位數(shù)據(jù)線AD端口，接地址鎖存器74HC573。讀數(shù)據(jù)時(shí)，D:[0:7]直接送到ATmega128；寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，D:[0:7]送到LAN91C111。LANC91C111使用了四條地址線A1，A2，A3，A4來(lái)訪問(wèn)內(nèi)部寄存器，和IS62C256的地址進(jìn)行區(qū)分；LAN91C111端數(shù)據(jù)總線D0～D15與ATmega128的AD0～AD7及IS62C256的I/00～I(xiàn)/O7相連(PA口擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM)，D16～D32懸空；片選信號(hào)AEN接與非門(mén)SN54HC00的6腳，由地址線A14、A15控制。nBE0接SN54HC00的9、10端和A0，nBE1接SN54HC00的8腳，nBE2和nBE3通過(guò)上拉電阻接VCC。LAN91C111的ENEEP腳沒(méi)有接EEPROM，所以通過(guò)電阻接地。RBIAS腳接11K電阻再接地，以便PHY能正確接收數(shù)據(jù)。LAN91C111的RESET腳接ATmega128的PE7(外部中斷7)，中斷輸出信號(hào)INTR0接PE2口(USART外部時(shí)鐘輸入/輸出口)，兩元件的/RD、/WR相連。nSRDY、nDATA、nVLBUS工作在32位數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞较拢�不用懸空。nADS是地址鎖存信號(hào)接地。
3．軟件設(shè)計(jì)
Ethernut是一個(gè)開(kāi)放源代碼的基于8位單片機(jī)的嵌入式以太網(wǎng)解決方案，Ethernut在軟件上包含一個(gè)NUT/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和Nut/Net協(xié)議棧，除了非常少量與硬件相關(guān)的源代碼使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)外，剩下的都是使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，具有很高的可移植性。Ethernut的總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。它的各個(gè)模塊是獨(dú)立開(kāi)發(fā)的，為用戶(hù)提供標(biāo)準(zhǔn)AVR-GCC和ICCAVR語(yǔ)言可調(diào)用的API函數(shù)。系統(tǒng)內(nèi)核占用的程序空間大約是1.5KB，它是直接運(yùn)行在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之上的系統(tǒng)核心軟件，主要完成任務(wù)管理、任務(wù)的同步與通信。網(wǎng)絡(luò)管理、文件系統(tǒng)和I/O管理是運(yùn)行于系統(tǒng)內(nèi)核之上的外圍模塊。

圖3Ethernut的總體結(jié)構(gòu)圖
3．1操作系統(tǒng)移植
嵌入式操作系統(tǒng)的移植就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在微處理器或微控制器上運(yùn)行,本系統(tǒng)是在ATmega128中移植了開(kāi)源的操作系統(tǒng)Nut/OS。
Nut/OS可以分成下面幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：
．定時(shí)器管理（TimerManagement）
．堆棧管理(HeapManagement)
．I/O管理(I/OManagement)
．事件管理(EventManagement)
．系統(tǒng)初始化(SystemInitialization)
．信號(hào)量(Semaphore)
．互斥體(RecursiveMutex)
．內(nèi)存塊管理(BankedMemoryManagement)
．線程管理(ThreadManagement)
通過(guò)系統(tǒng)提供的函數(shù)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序功能。從上面也可以看出在這樣的操作系統(tǒng)上編程還是緊靠?jī)?nèi)核的，為了不影響軟件的執(zhí)行效率，沒(méi)有再增加一層軟件抽象。
3．2TCP/IP主要協(xié)議實(shí)現(xiàn)
由于Ethernut的Nut/Net協(xié)議棧為精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧，它對(duì)TCP/IP協(xié)議并不完全支持，僅保留了核心部分，它可以很方便地嵌入到8位MCU中，且盡量少占用MCU資源。Nut/Net僅支持以太網(wǎng)而不支持令牌網(wǎng)等其他網(wǎng)絡(luò)[4]。
ARP協(xié)議（AddressResolutionProtocol），該協(xié)議的主要功能是為IP地址到對(duì)應(yīng)的硬件地址之間提供動(dòng)態(tài)映射，使網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)主機(jī)都建立一張IP地址和鏈路層地址之間的映射表。實(shí)現(xiàn)函數(shù)主要集中在NutArpInput.c、NutArpOutput.c、NutArpCacheUpdate.c三個(gè)文件中。ARP提供了一種把IP地址映射到MAC地址的機(jī)制。使用TCP/IP的編址方法，給每臺(tái)機(jī)分配一個(gè)32位地址，整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)表現(xiàn)得如同一個(gè)虛擬網(wǎng)，只使用分配的地址來(lái)發(fā)送接收分組，但當(dāng)主機(jī)路由器要在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送分組時(shí)，得把IP地址映射到正確的物理地址上才能完成分組投遞，它使用了動(dòng)態(tài)綁定技術(shù)來(lái)完成地址的轉(zhuǎn)換，為減少通信量，使用緩存機(jī)制來(lái)保存近期的活動(dòng)連接，從而加快操作時(shí)間。從功能上看，ARP被分成兩部分：一是在發(fā)送分組時(shí)把一個(gè)IP地址映射到一個(gè)物理地址上，二是回答其它主機(jī)的請(qǐng)求。主要的實(shí)現(xiàn)函數(shù)有[5]：
voidNutArpInput(NUTDEVICE*dev，NETBUF*nb)；
NETBUF*NutArpAllocNetBuf(u_shorttype，u_longip，u_char*mac)；
intNutArpOutput(NUTDEVICE*dev，NETBUF*nb)。
對(duì)于ARP請(qǐng)求或應(yīng)答操作，以太幀中的幀類(lèi)型值都是0x0806。ARP分組中的各個(gè)字段用來(lái)描述硬件類(lèi)型和協(xié)議類(lèi)型。硬件類(lèi)型字段表示硬件地址的類(lèi)型，值為1表示是以太網(wǎng)地址，協(xié)議類(lèi)型值為0x0800表示IP地址。對(duì)以太網(wǎng)上IP地址的ARP請(qǐng)求或應(yīng)答，硬件地址長(zhǎng)度和協(xié)議地址長(zhǎng)度分別是6和4，單位是字節(jié)。操作字段類(lèi)型共有4種，1為ARP請(qǐng)求，2為應(yīng)答，3為RARP請(qǐng)求，4為RARP應(yīng)答。對(duì)于一個(gè)ARP請(qǐng)求，除目的地址外的所有字段都有填充值。當(dāng)系統(tǒng)收到一個(gè)目的端為本機(jī)的ARP請(qǐng)求報(bào)文后，就把硬件地址填進(jìn)去，然后將兩個(gè)目的端地址分別替換兩個(gè)發(fā)送端地址，把操作字段改為2，然后發(fā)送。
IP協(xié)議（InternetProtocol）。該協(xié)議的實(shí)現(xiàn)函數(shù)主要集中在NutIpInput.c、NutIpOutput.c、Route.c三個(gè)文件中。IP協(xié)議工作在網(wǎng)絡(luò)層，是TCP/IP協(xié)議棧中最為核心的協(xié)議。所有的TCP、UDP、ICMP數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)包格式傳輸?shù)摹�IP提供的是不可靠的、無(wú)連接的數(shù)據(jù)包。不可靠是指不能保證IP數(shù)據(jù)報(bào)成功到達(dá)目的地，可靠性得由上層協(xié)議來(lái)完成。如果有錯(cuò)誤發(fā)生，IP僅簡(jiǎn)單地丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)，并發(fā)送ICMP數(shù)據(jù)報(bào)給發(fā)送者。無(wú)連接是指IP不維護(hù)后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的處理是獨(dú)立的，IP可能是亂序地到達(dá)目的地。將IP數(shù)據(jù)發(fā)往一個(gè)目標(biāo)主機(jī)和數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)其實(shí)是一回事，本IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)提供了IP路由功能，這樣可以很方便地將該協(xié)議用于服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)中。由于物理網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度有限制，因此IP層在發(fā)送IP數(shù)據(jù)報(bào)的時(shí)候，都判斷數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度是否大于網(wǎng)絡(luò)接口的MTU，超過(guò)了就要發(fā)生分片。數(shù)據(jù)報(bào)一旦分片后，只有到目的地才進(jìn)行重組。對(duì)于本文的系統(tǒng)而言，由于使用的是以太網(wǎng)的物理接口，其MTU=1500B，分片比較單一，重組要考慮打印數(shù)據(jù)的分片，而一般的請(qǐng)求和應(yīng)答可以在一個(gè)報(bào)文段完成。IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部提供了分片的有關(guān)信息。主要函數(shù)實(shí)現(xiàn)有：
u_longu_shortNutIpChkSumPartial(u_shortics，CONSTvoid*buf，size_tlen)；
voidNutIpInput(NUTDEVICE*dev，NETBUF*nb)；
intNutIpOutput(u_charproto，u_longdest，NETBUF*nb)；
intNutIpRouteAdd(u_longip，u_longmask，u_longgate，NUTDEVICE*dev)；
intNutIpRouteDelAll(NUTDEVICE*dev)。
4．上位機(jī)管理程序
在遠(yuǎn)端控制中心,需要有上位機(jī)管理程序負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和管理。設(shè)計(jì)的抄表管理系統(tǒng)運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng),使用Delphi編寫(xiě),通過(guò)ODBC接口與ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)連接。軟件的功能模塊主要包括以下幾個(gè)方面:系統(tǒng)管理包括重新登錄、修改密碼、操作權(quán)限管理等功能;系統(tǒng)設(shè)置包括儀表類(lèi)型設(shè)置、收費(fèi)參數(shù)設(shè)置等功能;遠(yuǎn)程操作包括讀表、初始化和置數(shù)、撥號(hào)催款和關(guān)表等功能:數(shù)據(jù)管理包括儀表信息修改和查詢(xún)、歷史收費(fèi)查詢(xún)、收費(fèi)、數(shù)據(jù)入庫(kù)、用戶(hù)的增添、刪除、排序等功能;幫助包括使用指南等功能。
5．結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)在8位MCU上實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在保證性能的基礎(chǔ)上嚴(yán)格控制成本，而且還提升了抗干擾的性能，通過(guò)合理設(shè)計(jì)通信協(xié)議使得嵌入式網(wǎng)絡(luò)的性能能夠最大的提高，通過(guò)TCP/PI協(xié)議及通信網(wǎng)絡(luò)和抄表計(jì)算機(jī)通信，將數(shù)據(jù)采集器所采集的計(jì)量數(shù)據(jù)集中并傳送到抄表計(jì)算機(jī)中，完成遠(yuǎn)程抄表的功能。本系統(tǒng)通過(guò)分布廣泛的網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)成傳輸通道,這使得它組網(wǎng)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉、易于維護(hù),具有良好的應(yīng)用前景。

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