嵌入式网络数据转换系统的研究与开发

摘要 在工业控制和消费电子领域，目前许多设备要求具备以太网或者与Internet通信功能。本文讨论一种基于TINI的以太网接入方案。此系统可以很方便地扩展到其他通信协议的转换，诸如CAN、1-Wire网络等，以适应不同设备接入以太网的需要。利用本系统可以很好地解决与自动化生产设备、网络开关和传感器的远程通信问题，以及实现远程诊断与控制。另外，介绍了利用Java作为开发工具来开发串口到以太网数据转换的通信程序。
关键词 网络数据转换 TINI Java DP83846A DS80C400

    为了达到利用Internet强大的网络功能，实现远程监控的目的，需要研究合理的网络接人方案。利用基于TINI平台的嵌入式系统，搭建不同设备接人计算机网络的桥梁。利用嵌入式系统强大的软硬件功能，可以支持不同的设备，实现接入方案的通用性。由于嵌入式系统具备较好的数据处理能力，不仅可以作为简单的网络接口，还可以扩展接人设备的网络功能，甚至于还可以对通信的数据进行加密等处理。

    嵌入式系统包括专用的硬件和软件部分，硬件提供性能的支持，而软件则为用户提供广泛的灵活性。嵌入式系统的软件包括其自身的操作系统和编程环境。Java所具有的各种特性使它成为嵌入式设备理想的软件开发工具。针对Java有很多免费开放的资源，Java独立于硬件平台，具备可移植性。这一切都可以降低嵌入式设备开发和使用的成本。其中TINI平台就是一种具备Java开发功能的嵌入式系统。

1 系统硬件组成
    基于TINI数据转换系统的硬件系统如图1所示。系统与外界的接口主要是RS232的串口和RJ45的以太网接口，其功能就是将串口设备接人到局域网络甚至于Interne。

2 网络数据转换系统的Java程序
2.1 软件开发工具包——TlNI SDK
    为了在编程中实现对硬件的访问，Dallas公司开发的TINI SDK将DS80C400中的硬件部分虚拟为Java的类。通过调用相关的方法来实现对硬件的操作。SDK中包含Dallas公司开发的嵌入式操作系统。它是多任务、多线程、具有跨平台的能力、拥有高度优化的Java运行环境的操作系统。

    在TINI SDK的支持下开发应用程序，主要采用Java进行，通常不直接面对汇编语言，但是TINI运行环境提供了使用本地方法的机制。为了优化严格要求速度的通道或访问底层硬件，可以使用本地语言(主要是汇编语言)来编写子程序，这样增加了系统的灵活性。

    利用SDK中提供的API可以简化编程。利用SDK中提供的JavaKit和TINIConvertor等工具，在PC上进行程序的开发调试工作，生成适用于TINI运行环境的目标应用程序。通过JayaKit向TINI硬件存储器中装载TINI的运行环境(包括TINI的操作系统)，配置好网络参数，即可通过FTP、TELNET等下载用户程序到TINI硬件上并控制运行。TINI的Java虚拟机将Java字节码转换成为机器硬件系统能够执行的代码。

2.2系统程序的设计方法
    为了实现串口数据和以太网络数据之间的交换，设计了基于TINI系统的网络数据转换程序。该程序的主要功能是，从串口设备读取数据，将所得到的数据进行TcP／IP协议封装，通过RJ45的接口发送到上位机，与上位机的服务器程序进行交互；同时，将上位机发送给TINI的数据转发到RS232的串口，进而可通过网络远程监控现场的串口设备。本设计中，TINI印刷电路板上有两个串口，分别定义为串口O和串口4。单片机内部集成UART，串口0用来串口启动TINl，下载TINI运行环境，以及作为TINI的输出终端。本程序中，利用串口4和上位机服务器程序交互。

    数据转换由两个进程来实现，它们分别是SerialWriter和SerialReader。SerialWritel的功能是从上位机服务器读取数据流，再把数据写到串口输出数据流；SeriaReader的功能是把串口缓冲区中的可用数据读到输入缓冲区，通过向网络输出流写数据把串口数据发送到网络服务器，并且更新串口数据量；同时监视这两个进程有无异常。如果捕捉到异常，便关闭数据流并中断维持线程，结束程序。

    SerialToEthernet本身继承了一个线程类。它是一个维持线程，功能是判断系统通信状态。如果正常，则每隔6 s打印输出数据流量；如果连接的服务器被关闭，则关闭串口socket及相关的流。它的线程程序中，是一个有系统运行状态标志控制的循环，维持程序运行，每一次循环中首先使该进程睡眠6 000 ms，然后打印输出此时的数据流量。程序的流程如图2、图3、图4所示。

3 系统调试方案
    系统调试的主要目的是模拟现场设备与以太网之间的数据转换，将PC机通过串口与以太网接口与系统相连，接线方式如图5所示；用PC机模拟现场的设备，同时，利用PC机作为上位机监控系统运行。

    实验中除了运行SerialToEthernet外，还准备了两个简单的用户程序，用于系统调试，分别是HelloWorld和Blinky。
    第一步，下载运行HelloWorld。其功能是在以JavaKit作为TINI的系统输出终端(类似于PC机的显示器)，打印输出“Hello World”的字符串，用于检验串口O。
    第二步，下载运行Blinky。它的功能是与P3．5相连的LED不停闪烁，用于检验I／0口的功能。
    第三步，下载运行SerialToEthernet，同时运行上位机上服务器程序TINlServer。TINI系统上运行Serial-ToEthernet，用于实现数据转发功能。为了验证上位机与TINI问的串口通信，上位机上运行串口调试程序，从而用上位机模拟实际的现场串口设备。运行串口调试程序时，在其中把串口设为与TINI的串口参数相同，发送模式设为连续发送。在这样的模拟情况下，从串口调试程序窗口输入的数据，通过串口发送给TINI系统，经过TINI的转发，通过RJ45接口发往上位机。上位机运行服务器程序TINIServer，它将TINI发来的数据不经处理直接通过输出流发送给TINI。经过TINI的转发，数据再次由串口返回上位机，显示在串口调试程序的“接收区”中。数据流向如图6所示。

4 结论
    与传统的工业控制数据转换系统相比，TINI更加廉价，更加紧凑，消耗功率更低，并且易于维护。此外，TINI还支持许多底层的通信接口，具有足够的灵活性，可以适应不同联网的要求。基于TINI的网络数据转换系统方案是低成本而且可靠的。利用Java编程可以提高嵌入式系统软件开发的效率。在本系统的开发过程中。利用Java软件很方便地实现对底层硬件的访问；利用Java自身的特性，可以实现强大的网络功能。

    对于设备来说，通过本系统可以利用现有的网络扩展其功能；同时也可以利用以太网络实现对设备的远程诊断控制，实现更加广泛意义上的网络化。