0 引言
在核測量以及粒子加速器控制領域，經常用到的都是帶有標準RS 232／RS 485串行接口的設備。比如在國家大科學工程——蘭州重離子加速器冷卻存儲環(HIRFL-CSR)的真空控制系統中，沿著束流管道排滿了各種真空支持設備，有粒子泵電源、分子泵、鈦升華泵、閥門、真空計等，這些設備一般帶有標準的RS 232／RS．485串行接口，以便于同計算機接口通信來實現自動控制，并且能在環境輻射、無人監護的情況下長期工作。為了使這些設備能夠在統一的管理下正常工作，傳統的方法是在工作現場安置工控機，通過外加PCI形式的多串口卡，并通過工控機的網絡接口實現TCP／IP組網，實現現場所有設備的統一管理。但是這種方法不僅成本太高，而且維護工作量也很大。為此設計了一種
基于硬件TCP／IP協議棧芯片W5100的通用型遠程控制器，可以簡單、快捷、低成本地完成遠程測控任務。
1 總體設計
作為一個大型的測控系統，通常由多個子系統來構成。為了實現統一的遠程設備管理，應該采用分布式控制系統來設計，使用戶通過TCP／IP協議集中遠程訪問和控制各個現場分散的運行設備。因此，設計了一種基于W5100的TCP／IP遠程控制器，它能夠完成TCP／IP協議與現場RS 485總線之間的協議轉換，同時利用嵌入式MCU自身硬件資源可本地控制一路標準的RS 232接口設備，而且可以通過溫度傳感器對工作環境溫度實施監測?？刂葡到y的總體設計方案如圖1所示。在控制中心放置一臺計算機作為子系統的控制終端，通過交換機與每一個W5100網絡控制器相連接。W5100網絡控制器都設置有惟一的IP地址，不僅可以連接一臺標準的RS 232串行接口設備，同時也可以完成現場RS 485串行接口總線之間的協議轉換。
1．1 控制器的硬件設計
傳統的嵌入式Internet系統設備基本上全部是采用軟件方法來實現TCP／IP協議棧。用軟件設計TCP／IP協議棧對開發人員軟件能力要求很高，要求對操作系統和TCP／IP協議有一定程度的熟悉，并且高檔微控制器和實時操作系統的價格也很高；另外，由于網絡協議都比較大而且復雜，寫入軟件后穩定性欠佳。因此直接采用硬件TCP／IP協議芯片(W5100)實現組網方案，具有設計簡單、靈活的特點，并且不需要實時操作系統的支持。
W5100高度集成了成熟的TCP／IP協議棧、以太網MAC層，PHY層等，支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE等協議，這些協議已經在很多領域經過了多年的驗證。它支持4個獨立的socket通信，內部16KB的發送／接收緩沖區可快速進行數據交換，最大有效通信率可達到25 Mb／s。使用W5100不需要考慮以太網的控制，只需進行簡單的端口(socket)編程，同訪問外部存儲器一樣簡單。它提供兩種并行總線接口(直接總線和間接總線)以及串行SPI接口，W5100大大減少了硬件接口設計和網絡編程的工作量，并且可以實現可靠穩定運行的遠程數據通信系統。
基于W5100的遠程控制器主要由微控制器ARM7，溫度傳感器DS18B20，W5100網絡接口芯片，RS 232，RS 485以及RJ-45接口等芯片組成。微控制器ARM7采用的是飛利浦的LPC2131，它是32位微處理器，采用馮·諾依曼結構(數據和指令混合編址)，并且內核采用的是ARM7TDMI-S核。LPC2131具有如下特性：8 KB片內SRAM；32 KB片內FLASH，128位寬度接口／加速器實現高達60 MHz的操作頻率；8路10位A／D轉換器；2個32位定時器(帶4路捕獲和4路比較通道)，PWM單元(6路輸出)和看門狗；2個UART，2個高速I2C接口(400 Kb／s)，SPI，SSP；通過向量中斷控制器，可配置優先級和向量地址。
由于LPC2131所具有的特性以及它較小的封裝(LQFP64)和極低的功耗使LPC2131可以理想的應用于小型系統中，如通信網關、協議轉換器和工業控制等。遠程控制器的硬件設計原理框圖如圖2所示。在設計中，LPC2131與W5100通過SPI接口進行連接，LPC2131作為SPI主設備，W5 100作為從設備，并由LPC2131為W5100提供時鐘信號。LPC2131通過RS 232接口與本地的設備實現通信和控制，同時通過RS 485接口實現TCP ／IP協議與現場RS 485總線之間的協議轉換。DS18B20溫度傳感器可以實時監控本地工作環境的溫度變化，如果現場工作環境溫度過高或者過低，則可以通過TCP／IP網絡向遠程的控制中心報警。
1．2 控制器的軟件設計
本系統基于ADS 1．2平臺開發，采用C語言和匯編語言混合編程完成固件程序的編寫，并完成了在現場環境下的調試，最終實現了基于W5100的遠程控制器軟件設計。系統軟件采用模塊化的設計思想，把程序化繁為簡，便于程序的設計、調試及維護。整個軟件系統主要包括初始化模塊、TCP／IP模塊和RS 232／RS 485接口處理模塊等。
1．2．1 初始化模塊
初始化模塊主要對控制器LPC2131和W5100進行初始化。LPC2131初始化主要包括啟動初始化、時鐘、I／O、串口以及SPI接口的初始化設置等，使LPC2131工作在SPI主設備狀態，W5100工作在從設備狀態。W5100初始化包括W5100工作模式、中斷向量、IP地址、網關地址、子網掩碼、物理地址、超時值等相關設置，并通過對套接字寄存器初始化來設置W5100的4個獨立的網絡通道。在該控制器設計中，采用的是客戶端／服務器模式，通過初始化設置，使W5100工作在服務器模式下，等待遠端控制終端的連接。
所以，通過設置W5100內部的控制寄存器，完全可以像在局域網中配置IP地址一樣簡單地配置設計的系統，通過靈活創建和選擇TCP或者UDP套接字來完成網上的數據交換。
1．2．2 TCP／IP網絡模塊
TCP服務器模式程序流程圖如圖3所示。首先通過初始化模塊初始化W5100，并創建一個socket，把socket和本機的IP地址和TCP端口綁定，然后偵聽端口；下一步進入循環等待狀態，如有客戶端連接請求，則接受客戶端連接要求；同時接受客戶機發來的數據，產生系統中斷，進入到接收中斷處理進程；如果在發送緩沖區有數據要發送，則在客戶端連接成功后，進入發送數據處理進程；最后如果接收和發送數據均已經完成，就進入關閉端口進程，關閉socket，通信終止；在整個的TCP網絡通信過程中，如果產生超時中斷，則直接關閉通信端口。 TCP／IP模塊的主要功能是對網絡數據的接收和發送。通過初始化模塊的設置，將W5100設置為服務器模式，通過socket編程，實現了遠程控制器的客戶端／服務器工作模式。
1．2．3 RS 232／RS 485接口處理模塊
RS 232／RS 485接口處理模塊由數據編碼／解析子模塊和RS 232／RS 485接口子模塊組成。數據編碼／解析子模塊的主要任務是完成對網絡接收來的數據進行解析并按設備通信格式進行編碼，同時將從RS 232／RS 485接口設備獲得的數據解析并編碼成為標準的TCP／IP信息包，傳送給遠程的控制終端。RS 232／RS 485接口模塊實現了與本地RS 232標準接口設備數據的交換功能以及完成了TCP／IP協議與現場RS 485接口總線之間的協議轉換。
依托W5100完善的TCP／IP協議處理功能，使LPC2131在沒有操作系統的支持下可介入Internet網絡，實現了對RS 232接口和RS 485接口總線數據轉換的功能。
2 結語
基于LPC2131微控制器和W5100網絡芯片設計的帶有標準RS 232／RS 485接口和標準以太網接口的遠程設備控制器，它通過標準RS 232／RS 485接口與被控設備進行連接，并通過以太網接口接入到控制網絡中去，從而實現了分布式控制系統的網絡遠程控制。采用該控制器構建的分布式控制系統具有靈活、廉價、穩定、可靠、且容易進行系統擴展的特點。