1 引言
隨著Internet技術的日益普及，信息共享的程度不斷提高。據網絡專家預測，將來在互聯網上傳輸的信息中，70%左右是來自小型嵌入式設備，互聯網應用正在轉到以嵌入式設備為中心。由于在工業測控系統、智能儀器、智能家電等領域應用的許多嵌入式設備，它們的對外通訊接口仍然是易用性強、可靠性高的串口，因此如何將工業中已經大量應用的帶有串口的嵌入式設備接入網絡，就成了一項重要而迫切的課題。
本文就是在這種應用現狀背景下，以IP2022網絡處理器為核心，設計實現了帶有RS-485串口的嵌入式設備與以太網的互聯系統。系統實現了通用異步收發機（UART）、以太網驅動器外設和TCP/IP網絡協議棧功能，為嵌入式設備接入以太網提供了一個軟硬件平臺。
2 系統的硬件設計
2.1 IP2022簡介
IP2022是美國Ubicom公司推出的一顆功能強大的網絡通信處理器，在4.8MHz晶振驅動下，利用其內部的鎖相環（PLL）電路，CPU工作頻率可達到120MHz，并且大多數指令均為單周期執行，其吞吐量能滿足各種新型網絡連通應用的要求。IP2022的內部結構如圖1所示。
IP2022內含全雙工串化器/解串器（Ser/Des），能直接與各種常用網絡接口連接，可實現片內10Base-T以太網（MAC和PHY）、 UART以及其它各種快速串行協議。IP2022以軟件模塊（ip Modules）形式實現外設通信和控制功能，比傳統硬件具有更大的系統設計靈活性。IP2022還提供有TCP/IP網絡協議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必須的附加軟件。IP2022由于其內含兩個Ser/Des部件，能方便的從一種格式轉換為另一種格式，所以也能做協議轉換器。
2.2 系統硬件總體結構
系統的硬件主要由IP2022網絡處理器、RS-485接口電路、以太網接口電路和電源電路等組成。IP2022網絡處理器是整個系統的核心，主要完成數據的轉換和系統的控制。以太網接口電路實現與10Base-T Ethernet的連接。RS-485接口電路實現與帶有RS-485接口的嵌入式設備的連接。電源電路提供了系統所需的+5V、+3.3V、+2.5V 電源。系統的硬件結構如圖2所示。
2.3 系統的RS-485接口電路
RS-485標準由于具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離及多站傳輸能力等優點，已經成為分布式系統中數據傳輸的首選標準。但在實際使用過程中如果使用不當，數據傳輸就會出現誤碼。
為了抑制誤碼，在本設計中，我們用了兩片具有瞬變電壓抑制功能的SN75LBC184，把輸入和輸出的線路分開，使輸入和輸出的信號互不干擾。SN75LBC184帶有內置高能量瞬態噪聲保護裝置，提高了抵抗數據同步傳輸電纜上的瞬變噪聲的可靠性。該芯片以差分方式傳輸信息，抗共模干擾能力強，容許一對雙絞線上一個發送器驅動多個負載設備，其最大容許通信距離達到1200米。圖3給出了系統的RS-485接口電路的原理示意圖。通過反復試驗，在輸入端加裝3.3K偏置電阻，串聯1K串聯電阻，使輸入信號波形最好；在輸出端，加裝18K偏置電阻。
SN75LBC184工作電壓為+5V，而IP2022的I/O端工作電壓為+3.3V。這樣一來，接收外部信號時，就可能因為電壓過高而對 IP2022的I/O端口造成損壞。所以設計時就在SN75LBC184和IP2022之間加了一個電壓轉換芯片74LVX4245。該芯片一端信號使用+5V，另一端信號使用+3.3V，通過使能端來控制信號的流向，這就有效的維護了IP2022的工作穩定性和安全性。
2.4 系統的以太網接口電路[5]
IP2022芯片內含全雙工串化/解串器（SER/DES），能夠實現片內10Base-T以太網（MAC和PHY）。在設計外部接口電路時，不需要使用專用的以太網接口芯片，只需直接將IP2022的輸入輸出信號線與網絡變壓器連接。圖4給出了系統的以太網接口電路的原理示意圖。
IP2022使用了6根I/O引腳，這6根I/O引腳與串化器/解串器1相連。其中用于發送的四根引腳各聯接一個電阻，這四個電阻聯合給出了100Ω的阻抗。TX+/TX-為差分發送線對，RX+/RX-為差分接收線對，使用差分平衡傳輸，傳輸速度可達到10Mbps。
FB2022是一個內部帶有低通濾波器的網絡變壓器，負責將IP2022輸出差分電壓放大之后傳給RJ45，將輸入的差分電壓變壓縮小之后傳給IP2022，保護IP2022芯片不受損壞。
在RX+和RX-之間跨接100Ω的耦合電阻，提高通信線路的穩定性。RJ45為標準的雙絞線以太網接口插座。
3系統的軟件設計
IP2022提供有完善的軟件開發工具，主要包括Ubicom集成IDE和Ubicom配置工具。Ubicom集成IDE提供了直觀的用戶界面，包括編輯器、項目管理器、器件編程和調試的工具，可以方便用戶進行軟件工程的項目管理與最終的實現。Ubicom配置工具可以方便的添加軟件包，設置軟件包所用的IP2022硬件資源，確定各軟件包之間的關系，自動鏈接到目標代碼。
系統主要是用來完成RS-485串口和以太網之間的數據轉換和傳輸，在硬件上擁有了RS-485接口和以太網RJ45接口之后，軟件上還必須利用IP2022的配置工具加載ipOS、ipStack、ipEthernet和ipUART四個軟件模塊。
ipOS操作系統模塊是Ubicom設計的可配置的嵌入式實時操作系統，它是專為網絡應用而優化的。ipStack協議棧模塊是符合工業標準的TCP/IP網絡連接協議棧，它提供直接Internet尋址功能，設計者不需要使用外部物理接口芯片或PC網關就能設計嵌入式網絡設備。ipUART串口模塊提供了異步串口通信功能，系統加載ipUART軟件模塊后，芯片具備了異步收發（UART）能力，能夠支持串口通信。ipEthernet 以太網模塊完全實現了10Base-T以太網物理層接口（包括MAC和PHY功能），只需使用一個IP2022和少量的外部電路就能實現嵌入式設備接入以太網。圖5為系統主程序的流程圖。
因為我們配置的IP2022芯片的操作系統是以單任務方式運行的，每一個物理接口和一些操作系統功能都需要被輪詢，因此，輪詢必須盡可能的返回以防阻礙了其它系統程序的執行。IP2022的運行速度很快，在RAM中可以達到120MIPS，在Flash中可以達到30MIPS，所以輪詢速度是可以滿足實際要求的。
初始化主要是初始化操作系統和初始化協議棧。在操作系統主要是初始化主要的寄存器、系統調試支持代碼、系統定時器；在協議棧主要是初始化IP2022的netbuf/netpage存儲機制、TCP協議。
利用IP2022的配置工具增加ipEthernet以太網軟件模塊，設置以太網接口所用的IP2022硬件端口資源，調用軟件包ipEthernet中的函數ip2k_eth_instance_alloc( )創建虛擬外設以太網驅動器。
調用軟件包ipStack中的函數eth_ip_arp_instance_alloc( )創建以太網鏈路層到IP層的實例，調用函數dhcp_client_instance_alloc( )創建DHCP實例。
利用IP2022配置工具增加ipUART軟件模塊，設置所用的IP2022硬件資源、串口波特率等參數，調用軟件包ipUART中的函數 uart_vp_instance_alloc( )創建一個虛擬外設UART，調用函數uart_listen( )對串口進行偵聽。
從圖5中可以看出進入主循環后，首先對以太網口進行輪詢，然后再對串口輪詢，這樣保證從以太網口來的指令能夠優先及時地得到處理。如果輪詢到端口有數據發送或接收，就對數據進行協議的轉換和傳輸，其具體的流程如圖6所示。
4 結束語
本互聯系統實現了帶有RS-485串口的嵌入式設備與以太網的連接，進而可以通過以太網接入Internet，從而實現從Internet上監控嵌入式設備，可廣泛應用在工業控制、智能儀器、信息家電等領域，具有較高的實用價值。