ARM芯片-TCP/IP接口的开发和研究(嵌入式)☆

摘要
随着计算机的发展，网络技术应用逐步广泛，人们希望能够通过计算机和嵌入式设备通信并进行控制。本课题的设计目的就是通过一个转接装置，能实现串口和以太网接口之间的通信。本次试验主要是设计ZNE-100模块的开发板，完成RS-232串口电路及RS-485串口电路设计以及以太网接口RJ-45的电路设计，熟悉ZNE-100模块的功能及各个管脚的信号。然后用VC＋＋为软件开发平台，开发适用于工程控制的协议栈，进而嵌入以ARM为内核的协议栈控制器，尝试用现有的ARM芯片（LPC2114）代替ZNE-100模块，实现单一芯片的TCP/IP功能化。

关键词：嵌入式   以太网   RS-232   RS-485   协议栈    ARM    TCP/IP

Luo xiao-min SWUST School of information engineering 621010
Keywords:   Ethernet  RS-232   RS-485   协议栈    ARM    TCP/IP

项目的背景

TCP/IP作为一种成熟的通信体制和通信系统已经成功地在世界上建立了大部分的INTERNET连接，越来越多的设备和系统需要使用TCP/IP的方式接入以太网。而且大量的旧设备如老的数字化设备：数控机床、模拟或数字方式的智能传感器、旧的图形工作站等等都需要作为一个子部分或子系统接入以太网。而全部以新的带TCP/IP以太网接入的换代设备来进行全部取代也是不可行的，这样做会造成资源极大的浪费。所以研究一种精简的、模块化的智能TCP/IP接口是对这一问题的比较合适的解决。而ARM芯片的推出则为这种智能接口提供了良好的硬件基础。以PHILIP公司的LPC2114ARM7芯片结合TCP/IP的控制芯片（如REALTALK8139）制作一块智能机板，整和标准的RS232串口，是我的整个毕业设计的思路。
串口通信技术在数据通信中的应用极为广泛。但是，其固有的通信距离小、抗干扰能力差等缺点使其无法满足对实时性要求较高的现代工业控制。随着近年来网络技术和以ARM为代表的32位处理器的发展，通过网络实现ARM与PC机高速、可靠的通信已成为可能。
ARM的技术优势（比较NIOS） ：
ARM公司不做芯片，把所有的精力都方在核心的制定上，做到了“专精”；熟悉ARM体系结构的人都知道，ARM内核分级明确，NIOS的内核从性能上讲相当于ARM9。NOIS是由altera公司主推的MCU内核，由altera负责全部的设计制造，没有其他重量级厂商和公司的有利支持；与此相反，ARM公司获得了上百家公司的支持，并且拥有二十多家超级牛x的公司的支持，比如微软、TI、intel、philips三星、ATMEL、circus logic、夏普等，这些大公司依靠自己雄厚的技术背景，基于ARM的内核做得非常的稳定。现在国内基于arm7/9的廉价而且性能优异的开发板狂多，而且这些公司都有一定的实力基础，确保了板子的可学习性。相反，虽然altera宣称自己的NIOS可以被用于几乎所有主流的FPGA板子上，但却又推出了天价（对我们学生而言）NIOS开发套件，这是不是有点“此地无银三百两”的嫌疑？于ARM9所宣称的主频200MHz，处理速度220MIPS，各个厂商都已经臻于完美，做到了极限，然而，对于NIOS所给出的主频180MHZ，处理速度600MIPS试问众位兄弟，有几人能够实现？对于处理能力，专家说NIOS处理速度完全可以凌驾于ARM10，暂且不说理论与现实的差别，试问DSP是干什么的？哪个拼得过处理速度达几十亿条的DSP？如果需要另外接DSP来实现海量数据处理功能，那么NIOS的软硬一体化还有优势吗？讲到性能比拼时，NIOS的拥护者最后的杀手理由是用双NIOS或者多NIOS来与硬核处理器抗衡，然而真正做出完美的双核NIOS的试问又有几人？虽然从理论上讲，自由的NIOS核心允许自主地制定许多外设，但是必须看到，真正地应用时，我们往往不需要很多地接口功能。ATMEL、三星等厂家不是白痴，他们确定硬核ARM的端口，自然有他们的道理，也就是说已经能够满足绝大部分需要了；从另一个角度上讲，实际NIOS设计时，几乎所有人都要受到FPGA管脚的制约，甚至因为管脚不够而限制了一些最基本的功能（比如以太网），试问NIOS的“自由”何在？“制造N多端口”的荣耀与满足何在？FPGA是数字型芯片，如果需要用到模拟信号，必须外接ADC、DAC等数据采集卡，而ARM芯片厂商早早地解决了这个问题，比如PHILIPS LPC2138甚至拥有双8路（也就是16路）10位的ADC加上2路DAC

课题目标
（a）提出对ARM控制器系统的TCP/IP改造方案
（b）设计实现所提出方案的硬件体系
（c）设计ARM控制程序，能够将通用的2/16进制数据转换成标准的TCP/IP数据报，通过网络传输
（d）联调通过
课题关键问题
（1） ARM控制器的硬件体系          
（2） 对TCP/IP协议的解析和网卡设备的底层解析
（3） 设计ARM-TCP/IP系统

实验方案
利用ZNE100模块将嵌入式设备（ARM2100）接入网络,由于ZNE-100模块内部集成了TCP/IP 协议栈，我们可以利于它轻松完成嵌入式设备的网络功能。然后用现有的ARM芯片（LPC2114）代替ZNE-100模块，实现单一芯片的TCP/IP功能化，从而代替整个ZNE-100模块。根据2114的串口GPIO口，外接RJ45口，利用双绞线实现串口数据通信。












目     录   59页  20000字
1. 绪论
1.1 项目意义
1.2 项目的背景
1.3   课题目标
1.4  课题关键问题
1.5  TCP/IP网络在工业控制中的优势
2．实验方案
3. 实验硬件设备
3.1 ZNE-100转换模块
（1） ZNE-100模块功能特点
（2）  ZNE-100模块产品特性
（3） 硬件电路
3.2 ARM芯片微处理器
（1） LPC2114特性
（2） 结构概述
4.  TCP/IP协议下的网络通信原理
4.1 网络硬件
（1）服务器和工作站
（2） 网络适配器（网卡）
（3）传输介质（网线）
4.2 网络软件
（1）协议分层
（2）各层的设计问题
（3）接口和服务
（4）面向连接的服务和无连接的服务
4.3  TCP/IP参考模型
5．串口通信
5.1串口通信的基本原理
5.2串口信号线的接法
5.3 串行接口标准
（1）RS-232串行接口标准
（2） RS-485串行接口标准
6. ARM-TCP/IP接口硬件电路设计
6.1  5V DC供电电源电路设计
6.2  串口接口电路设计
（1）RS-485接口电路
（2）RS-232 接口电路
6.3  I/O线信号电路设计
6.4 复位电路设计
6.5  以太网接口电路设计
6.6  ZNE-100模块的管脚电路设计
7．调试
8.总结
致谢
参考文献
附录