隨著Internet技術的飛速發(fā)展，光纖環(huán)網作為一種工業(yè)底層控制局域網，其拓撲結構與常用局域網一樣，基本拓撲結構有總線形、環(huán)形和暈形。在光纖單環(huán)CAN網絡中，由于器件的延時將導致環(huán)路信號自激，使環(huán)形CAN網絡堵塞（或稱為鎖死）。為遵守CAN總線控制器在鏈路層的協議，應設計一種光纖CAN單環(huán)網專用邏輯控制單元LCU。該單元的功能是：對CAN總線數據實現收發(fā)控制，即主節(jié)點對接收到的數據不轉發(fā)，當數據沿光纖環(huán)回到原發(fā)送節(jié)點時，立即被剔除；從節(jié)點對接收數據實現轉發(fā)。同時還可消除環(huán)形光纖CAN總線網絡的自激現象，保證環(huán)網不被堵塞。

由于單芯片嵌入式網關具有成本低、體積小、可靠性高、功耗低、環(huán)境適應能力強等諸多優(yōu)點，在通信和工業(yè)控制等領域得到了日益廣泛的應用。

1 嵌入式網關構架

以太網（Ethernet）指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發(fā)的基帶局域網規(guī)范，是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術，并以10M/S的速率運行在多種類型的電纜上。以太網與IEEE802·3系列標準相類似。以太網最早由Xerox（施樂）公司創(chuàng)建，在1980年，DEC、lntel和Xerox三家公司聯合開發(fā)成為一個標準。以太網是應用最為廣泛的局域網，包括標準的以太網（10Mbit/s）、快速以太網（100Mbit/s）和10G（10Gbit/s）以太網，采用的是CSMA/CD訪問控制法，它們都符合IEEE802.3。

基于以太網的TCP／IP轉換為工業(yè)RS 485和RS 232協議的基本構架如圖1所示。根據嵌入式網關的功能，本設計實現了以下協議：HTTP，TCP，UDP，IP，ICMP，ARP。

（1）HTTP是嵌入式WEB服務器的主要構架，屬于應用層協議，本文主要實現網關系統(tǒng)參數設置與查詢、基站系統(tǒng)參數的設置與查詢。

（2）TCP協議是面對連接的，在本文中實現井下基站與遠程以太網終端數據的通信：提供TCP Server功能，負責終端電腦主動連接網關，實現數據通信；實現TCP Client功能，提供網關主動發(fā)起的數據傳輸。

（3）UDP 是User Datagram Protocol的簡稱， 中文名是用戶數據包協議，是 OSI 參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。它是IETF RFC 768是UDP的正式規(guī)范。UDP協議的全稱是用戶數據包協議，在網絡中它與TCP協議一樣用于處理數據包。在OSI模型中，在第四層——傳輸層，處于IP協議的上一層。UDP有不提供數據包分組、組裝和不能對數據包進行排序的缺點，也就是說，當報文發(fā)送之后，是無法得知其是否安全完整到達的。UDP用來支持那些需要在計算機之間傳輸數據的網絡應用。包括網絡視頻會議系統(tǒng)在內的眾多的客戶/服務器模式的網絡應用都需要使用UDP協議。UDP協議從問世至今已經被使用了很多年，雖然其最初的光彩已經被一些類似協議所掩蓋，但是即使是在今天，UDP仍然不失為一項非常實用和可行的網絡傳輸層協議。

（4）IP是英文Internet Protocol（網絡之間互連的協議）的縮寫，中文簡稱為“網協”，也就是為計算機網絡相互連接進行通信而設計的協議。在因特網中，它是能使連接到網上的所有計算機網絡實現相互通信的一套規(guī)則，規(guī)定了計算機在因特網上進行通信時應當遵守的規(guī)則。任何廠家生產的計算機系統(tǒng)，只要遵守 IP協議就可以與因特網互連互通。IP地址具有唯一性，根據用戶性質的不同，可以分為5類。另外，IP還有進入防護，知識產權，指針寄存器等含義。

（5）ICMP和ARP協議實現網絡的一些基本配置，ARP為地址解析協議，是將IP地址轉換到硬件地址的協議，ICMP是（Internet Control Message Protocol）Internet控制報文協議。它是TCP/IP協議族的一個子協議，用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息。控制消息是指網絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網絡本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數據，但是對于用戶數據的傳遞起著重要的作用。

2 硬件結構設計

硬件的系統(tǒng)框圖如圖2所示，光纖轉電模塊實現光纖到電的RJ45轉換，RJ45實現光纖轉換模塊和MC9S12NE64（以下簡稱NE64）的連接，4個SPE485實現該網關與基站的RS 485連接，MAX232實現調試輸出或基站的RS 232連接。

2.1 MC9S12NE64以太網單芯片簡介

NE64是Freescale公司于2004年9月推出的高性價比、業(yè)內首個嵌入式單芯片以太網微控制器，內核為HCS12。由標準的內置外設構成，主要包括一個16 b的中央處理器單元（HCS12 CPU），64 kB的FLASHE2PROM，8 kB的RAM（EMAC共享），集成了10／100 Mb／s以太網物理層收發(fā)器（EPHY）的以太網媒體訪問控制器（EMAC），2個異步串行通訊接口模塊（SCI），1個4通道16 b定時器模塊（TIM）以及多達21個管腳可用于鍵盤喚醒輸入（KWU）等。內置的PLL電路允許對功耗和性能進行調節(jié)來滿足運行要求。

2.2 網絡接口設計

NE64內部集成了用于連接以太網的EMAC和EPHY協議層，因此省了外接的PHY，只需連接少許的外部電阻和電容以及一個RJ45接口就可以實現網絡的物理連接，接口電路如圖3所示。

2.3 RS 485和RS 232接口設計

NE64本身具有雙串口，因此本文將串口0（SCI0） 設計為RS 485通信，將串口1（SCIl）設計為RS 232通信。

在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，該網關通過RS 485（串口0）與本地基站相連以獲取人員信息。為增加系統(tǒng)中RS 485的驅動能力，設計了4路接口，原理圖如圖4所示。

在圖4（a）中，只畫了一路的RS 485接口電路，其他的3路基本一樣。在接收腳RXD00串聯電阻和LED指示燈，用于指示電路的接收狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)的LED指示燈沒有在圖中畫出，原理同接收電路。WD1～WD3及串聯的20 Ω小電阻，具有防雷擊功能。圖4（b）中的RXD01～RXD03是另外3路RS 485的接收端，要注意的是圖中74HC09是集電極開路輸出，因此在輸出時需接一個上拉電阻，RXD0直接連接NE64的串口0的接收端，而4路RS 485的發(fā)送端TXD0連接在一起并和NE64的串口0的發(fā)送端相連。

3 軟件實現

嵌入式網關的軟件系統(tǒng)完成系統(tǒng)的協議轉換以及wEB服務器的構建，基于TCP／IP的網絡協議棧有很多，但是針對嵌入式系統(tǒng)，必須考慮到硬件和軟件資源，從而需對其進行精簡使之應用于嵌入式系統(tǒng)?？紤]到硬件資源和軟件的開發(fā)，本文選用了源碼開放的OpenTCP協議棧，該協議棧由芬蘭的Viola Systems公司開發(fā)，實現了大多數的基于vIP4的網絡協議，如HTTP，DHCP，SMTP，TFTP，TCP／IP，DNS，ARP，ICMP等協議，并由美國的SourceForge公司根據NE64的硬件資源將其移植過來，實現了在16位低成本嵌入式系統(tǒng)上的網絡化，程序的流程如圖5所示。

3.1 基于TCP服務端和客戶端的建立

TCP：Transmission Control Protocol 傳輸控制協議TCP是一種面向連接（連接導向）的、可靠的、基于字節(jié)流的運輸層（Transport layer）通信協議，由IETF的RFC 793說明（specified）。在簡化的計算機網絡OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能，UDP是同一層內另一個重要的傳輸協議。基于TCP服務器端和客戶端程序是本設計的主要應用程序，負責整個定位數據的傳輸?？紤]到上位機主監(jiān)控軟件的設計，本文采用OpenTCP協議棧提供的API函數來建立TCP服務程序。在程序中，遠程主控端可以通過客戶端程序主動撥號與本網關設備的服務器端建立連接，并獲取基站人員定位信息；如果該網關設備中已存放有大量數據（取決于本地存儲器），那么它將通過本地客戶端主動撥號與遠程主控端服務器建立連接，并上傳數據。

服務器端程序包括初始化函數void tcps_init（void）、主回調函數void tcps_run（void）以及事件監(jiān)聽函數INT32 tcps_eventlistener（INT8，UINT8，UINT32，UINT32）。本文僅列舉了服務器端的初始化函數：

3.2 其他網絡協議的實現

其他網絡協議包括嵌入式WEB服務器、UDP、ARP協議、DNS協議以及ICMP協議。WEB服務器是基于HTTP網絡協議而構建的，在本文主要用來實現系統(tǒng)參數的查詢和設置，包括TCP的套接字的初始化、HTTP的初始化以及HTTP回調函數?；赨DP的數據傳輸是該網關的擴展功能，運用于大量數據傳輸，并且某些數據可以被丟掉的，如將該網關運用在井下人員的語音傳輸系統(tǒng)中。

3.3 RS 485以及RS 232數據傳輸

RS 485和RS 232是該網關設備與井下人員定位基站通信的主渠道，軟件設計主要包括兩部分：初始化和數據通信。初始化程序主要設置通信波特率以及有關的狀態(tài)，數據通信主要包括串口中斷處理（發(fā)送和接收）以及對收到的基站數據處理。

4 單芯片嵌入式網關在煤礦井下人員定位中的應用

在現場安裝了5個網關設備，每個網關分別連接6臺基站，安裝距離最遠為600 m。PC機端的主控軟件用VC++6.0設計，主界面包括簡單服務器和客戶端撥號程序。以太網采用自動協商協議，網速為100 Mb／s。以太網數據緩沖區(qū)設置為1 kB，實際上有用的字節(jié)數為804 B，除去數據長度、校驗和一些特殊信息，最后可用的最大字節(jié)數為796 B，即一次傳送的最大數據量為796 B。

5 結 語

基于單芯片的MC9S12NE64的嵌入式以太網網關，完成了光纖環(huán)網到井下基站的數據轉換，實現了低成本、高速率的嵌入式WEB服務器、簡化的基于TCP服務器和客戶端用戶應用程序以及UDP的數據傳輸的系統(tǒng)。該網關可以廣泛應用于工業(yè)生產和其他控制領域，實現小型工業(yè)網絡監(jiān)測系統(tǒng)，具有良好的應用前景。