基于双口RAM的嵌入式通用Ethernet/IP通信接口装置

摘要

一种基于双口RAM的嵌入式通用Ethernet/IP通信接口装置，包括：核心板单元，用于接收发送并分析处理Ethernet/IP工业以太网和外部设备的数据信息，为底板单元中的指示电路提供指示逻辑信号，固化系统信息，为整个装置提供软件支持；底板单元，通过核心板接口电路与核心板单元连接构成一个整体，用于与Ethernet/IP网络进行通信交换Ethernet/IP数据，与外部设备进行通信交换外部数据，为外部设备提供标准电路接口，用于通信接口装置与外部设备进行互联，指示当前通信接口装置的工作状态，为通信接口装置提供电源与复位功能。本发明具有广泛的通用性，当外部设备满足通信接口装置中接口电路的规范时，通信接口装置可与任意外部设备互联交换Ethernet/IP数据信息。

说明书

技术领域

本发明涉及工业网络通信技术领域，特别是涉及一种具有广泛通用性的嵌入式通用 Ethernet/IP通信接口装置。

背景技术

近年来工业自动化控制系统向着智能化、信息化、网络化方向发展。目前在所有的网 络技术中，基于TCP/IP协议的以太网技术已经成为事实上的标准网络，将标准TCP/IP以太 网延伸到工业实时控制领域，与通用工业协议CIP(Common Industrial Protoco1)相结合，就形 成了工业以太网Ethernet/IP。

由于Ethernet/IP发展时间不长，在我国更是刚刚起步，因此Ethernet/IP在我国的推广面 临着种种问题，开发成本高、专业的技术人员严重匮乏等等制约着Ethernet/IP的发展。

传统的非工业以太网设备集成进入工业以太网不仅需要将庞大的工业以太网通信协 议代码嵌入进设备的软件控制系统，甚至要大量改变设备的设计结构，改造技术复杂且成 本很高，不利于工业设备与工业以太网的集成。

目前还没有出现具备基于双口RAM的嵌入式通用Ethernet/IP通信接口装置，使其可以 与任意满足接口电路1027规范的外部设备互联。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于双口RAM的嵌入式通 用Ethernet/IP通信接口装置，使其具有广泛的通用性，可以与任意具有规范接口电路的外 部设备进行互联，并通过指示电路反映当前通信接口装置的工作情况，方便工作人员进行 装置的故障监控和排查。

本发明提供的基于双口RAM的嵌入式通用Ethernet/IP通信接口装置，包括核心板单 元和底板单元两部分，其中，

核心板单元：

由微处理器、以及分别与微处理器双向连接的SDRAM电路和FLASH电路构成；所 述的核心板单元用于接收发送并分析处理Ethernet/IP工业以太网和外部设备的数据信息， 为底板单元中的指示电路提供指示逻辑信号，以及固化系统信息，并为整个装置提供软件 支持；

底板单元，包括：

核心板接口电路：底板单元通过核心板接口电路与核心板单元连接，使核心板单元与 底板单元构成一个整体；

以太网电路：与Ethernet/IP网络双向连接，同时通过核心板接口电路与核心板单元双 向连接，通过以太网电路，用于核心板单元与Ethernet/IP网络进行信息交互，交换 Ethernet/IP网络数据；

外部数据交换电路：通过核心板接口电路与核心板单元双向连接，同时通过接口电路 与外部设备双向连接，通过外部数据交换电路使核心板单元与外部设备进行通信，交换外 部数据；

指示电路：通过核心板接口电路与核心板单元连接，由核心板单元提供指示逻辑信号， 通过指示电路指示当前通信接口装置的工作状态，当通信模块工作异常时，指示电路发出 异常显示，异常恢复后显示恢复正常；

电源电路：通过核心板接口电路与核心板单元连接，并经过接口电路与外部设备连接， 通过电源电路为通信接口装置提供稳定电源；

复位电路：通过核心板接口电路与核心板单元连接，同时经过接口电路连接外部设备， 通过复位电路为通信接口装置提供复位功能，复位电路根据外部设备发出的复位命令信号 给于核心板单元复位逻辑信号，复位信号被触发后，通信接口装置将重新启动；

接口电路：通过接口电路为外部设备提供标准电路接口，使通信接口装置能够与任意 满足接口电路规范的外部设备互联，即插即用，便于安装调试。

本发明的优点和有益效果：

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种基于双口 RAM的嵌入式Ethernet/IP通用通信接口装置，其可以与任意满足接口电路1027规范，即 具有2.00mm标准间距的15X2针接口插槽的外部设备进行互联交换Ethernet/IP网络数据， 具有广泛的通用性，方便安装调试，并提供工作状态提示，方便维护人员进行装置的故障 监控和排查，当故障排除后装置自动恢复正常工作，具有重大的实际意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于双口RAM的嵌入式Ethernet/IP通用通信接口装置的总 体结构图；

图2为图1核心板单元101中微处理器1011S3C2440电路图；

图3为图1核心板单元101中FLASH1013电路的电路图；

图4为图1核心板单元101中SDRAM1012电路的电路图；

图5为图1底板单元102中核心板接口电路1021；

图6为图1底板单元102中以太网电路1022的电路图；

图7为图1底板单元102中外部数据交换电路1023的电路图；

图8为图1底板单元102中指示电路1024的电路图；

图9为图1底板单元102中电源电路1025的电路图；

图10为图1底板单元102中复位电路1026的电路图；

图11为图1底板单元102中接口电路1027的电路图。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明 进行说明。

具体实施方式

图1为本发明提供的一种基于双口RAM的嵌入式通用Ethernet/IP通信接口装置的总 体结构图。

参见图1，本发明提供的基于双口RAM的嵌入式通用Ethernet/IP通信接口装置包括， 核心板单元101和底板单元102两部分，其中，

核心板单元101：

由微处理器1011、以及分别与微处理器1011双向连接的SDRAM电路1012和FLASH 电路1013构成；所述的核心板单元用于接收发送并分析处理Ethernet/IP工业以太网和外 部设备的数据信息，为底板单元中的指示电路提供指示逻辑信号，以及固化系统信息，并 为整个装置提供软件支持；

底板单元102，包括：

核心板接口电路1021：底板单元通过核心板接口电路与核心板单元101中的微处理 器1011双向连接，使核心板单元101与底板单元102相连构成一个整体；

以太网电路1022：与Ethernet/IP网络双向连接，同时通过核心板接口电路1021与核 心板单元101双向连接，通过以太网电路1022，用于核心板单元101与Ethernet/IP网络 进行信息交互，交换Ethernet/IP网络数据；

外部数据交换电路1023：通过核心板接口电路1021与核心板单元双向连接，同时通 过接口电路1027与外部设备双向连接，通过外部数据交换电路1023使核心板单元101与 外部设备进行通信，交换外部数据；

指示电路1024：通过核心板接口电路1021与核心板单元连接，由核心板单元101提 供指示逻辑信号，通过指示电路1024指示当前通信接口装置的工作状态，当通信模块工 作异常的时候指示电路发出异常显示，异常恢复后显示恢复正常；

电源电路1025：通过核心板接口电路1021与核心板单元连接，并经过接口电路1027 与外部设备连接，通过电源电路1025，为通信接口装置提供稳定电源；

复位电路1026：通过核心板接口电路1021与核心板单元连接，同时经过接口电路1027 连接外部设备，通过复位电路1026，为通信接口装置提供复位功能，复位电路1026根据 外部设备发出的复位命令信号给于核心板单元101中的微处理器1011复位逻辑信号，复 位信号被触发后，通信接口装置将重新启动。

接口电路1027：通过接口电路1027，为外部设备提供标准电路接口，使通信接口装 置能够与任意满足接口电路1027规范的外部设备互联，即插即用，便于安装调试。

本发明装置涉及的各单元电路的具体结构如下：

核心板单元101

微处理器1011，参见图2，采用基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理 器S3C2440A，用于向底板单元102采集和下发Ethernet/IP数据和外部设备数据，接收来 自底板单元102的复位电路1026的复位信号，向底板单元102的指示电路1024提供逻辑 指示信号反映当前通信接口装置的工作状态，初始化软件协议栈完成通信接口装置所有的 软件处理任务；

具体实现上，所述微处理器1011采集底板单元102中以太网电路1022中Ethernet/IP 网络数据和数据交换电路中的外部设备数据，并向以太网电路1022和数据交换电路下发 Ethernet/IP数据和外部数据；采集来自底板单元102中复位电路1026的复位信号，微处 理器1011接收到复位信号后自动重启；此外，微处理器1011不断扫描通信接口装置的工 作情况，发送指示逻辑信号给底板单元102的指示电路1024，反映当前通信接口装置的 工作状态；

需要说明的是，微处理器1011在初始上电后，所有参数的状态都需要一个初始值， 这样才能在一个初始状态下进入正常的工作状态。在微处理器1011开始执行时，需将相 关的参数如通信接口装置IP地址、I/O交换字节数大小等参数写入微控制器，这样通信接 口装置才能正常工作。因此需要将所有的初始化参数由外部设备通过底板单元102的外部 数据交换电路写入到微处理器1011中，从而完成初始化。

FLASH电路1013，参见图3，通过数据总线和控制总线与微处理器双向连接，三星 K9F2G08U0B-PCB0是NAND型FLASH芯片，数据存储容量为256M，还有2M的NOR 型FLASH，构成双FLASH启动，微处理器1011通过NAND型FLASH芯片，读写通信 接口装置的程序信息以及配置信息，存储的程序信息在通信接口装置掉电后不会丢失；

SDRAM电路1012，参见图4，具有一片型号为MT48LC16M16A2P的64MB容量的 同步动态随机存储器SDRAM1012芯片，通过地址总线、数据总线和控制总线与处理器双 向连接，通过大容量的SDRAM1012芯片为处理器提供高速的数据处理能力，用于在系统 中做程序的运行空间、数据及堆栈区；

底板单元102

核心板接口电路1021，参见图5，包括2组36X2和两组16X2的间距2.0mm的标准 接插器件，使得核心板单元101与底板单元102双向连接，电气特性以及物理特性上构成 一个整体；

以太网电路1022，参见图6以太网电路1022的接口电路图，包括：以太网控制器 DM9000与微处理器1011通过数据总线LDATA0-LDATA15和控制总线双向连接，用于将 来自Ethernet/IP网络的数据报文发送给微处理器10111011，微处理器1011按照Ethernet/IP 规范对来自Ethernet/IP工业以太网的报文进行判断与过滤(即解析)，并接收来自微处理 器1011下发的Ethernet/IP数据报文发送到Ethernet/IP网络上，即向Ethernet/IP工业以太 网发送符合Ethernet/IP协议的报文，从而提高本发明通信接口装置的通信效率；以太网控 制器的TXO+、TXO-、RXI+、RXI-四个引脚与网络滤波器H1102NL的TDP、TDN、RDP、 RDN四个引脚双向连接交换数据，以太网接口电路器件RJ45的TX+、TX-、RX+、RX- 四个引脚与网络滤波器H1102NL的TXP、TXN、RXP、RXN四个引脚双向连接交换数据， 提供以太网物理接口，3.3V电源与地信号通过电容、电感电路为以太网电路提供模拟电源 与模拟地信号。

外部数据交换电路1023，参见图7，与微处理器1011双向连接，用于接收微处理器 1011下发的数据给外部设备，并将来自外部设备的数据发送给微处理器1011；

图7所示外部数据交换电路1023，采用8位数据位5V供电电压的双口RAM提供通 信接口装置与应用设备之间的数据共享空间，微处理器1011的nGCS5引脚作为共用的片 选线与电平转换芯片SN74LVC4245的引脚和双口RAM的引脚相连，只有当片 选线为低电平选中它们的时候才允许元件工作。微处理器1011的8位数据线DATA[0:7] 通过电平转换芯片SN74LVC4245与双口RAM的数据线I/O[0:7]L相连，微处理器1011 的LnWE引脚作为写信号控制线与双口RAM的R/WL引脚和电平转换芯片的DIR引脚相 连。微处理器1011的LnOE引脚作为读控制线与双口RAM的引脚相连。微处理器 1011的LADDR[0:10]与双口RAM的10位地址总线A[0:10]L相连。双口RAM的中断L引脚和引脚与微处理器1011的nWAIT和EINT9引脚相连。

需要说明的是，双口RAM的型号为IDT7132，芯片硬件性能优良，使得外围接口电 路1027的设计变得十分简便。为了防止同一个时刻出现两个端口同时使用同一个数据单 元的情况，双口RAM硬件提供了三种不同的地址争用机制，即硬件繁忙机制、中断机制 与令牌机制。本发明的通信接口装置使用硬件繁忙机制与中断机制对地址竞争进行判优。 硬件繁忙机制，双口RAM两个端口各有一个BUSY引脚，当一端口试图访问一个正在被 另一个端口访问的地址单元时，相应的BUSY引脚会被置低电平。中断机制，利用地址为 0x7FE与0x7FF即双口RAM的最高两个地址单元作为中断寄存器，例如当左端口向0x7FF 单元写入数据的时候双口RAM将右中断引脚置低电平，当右端口读取0x7FF单元 内数据的时候双口RAM自动将电平拉高，反之亦然，利用中断机制可以方便的实 现两个CPU之间的数据高速交换。双口RAM与微处理器1011的硬件接口电路如图7所 示。

双口RAM的中断INT引脚以及繁忙BUSY引脚为开漏输出，因此在实际应用时要为 它们外接上拉电阻，引脚为微处理器1011提供外部中断源，引脚为微处 理器1011提供插入等待信号。

微处理器1011为3.3V供电电压，与5V电平直接相连存在电平不匹配的情况，需要 利用电平转换芯片的方法来解决双方电平不匹配的问题。电平转换芯片为SN74LVC4245 具有3.3V与5V两套独立的电源供电，两边具有一对对称的8位数据口，可以实现3.3V 信号与5V信号的互转。SN74LVC4245的DIR引脚控制数据信号的传输方向，DIR引脚 为高电平的时候信号允许从5V向3.3V方向传输，DIR引脚为低电平的时候允许信号从 3.3V向5V方向传输。当微处理器1011读取数据总线数据时，LnWE引脚自动为高电平， DIR引脚信号方向由双口RAM到微处理器1011，当微处理器10111011写数据的时LnWE 自动为低电平，电DIR引脚信号方向由微处理器10111011到双口RAM，这样可以控制双 方数据信号的传输。

指示电路1024，参见图8，与微处理器1011单向连接，用于指示当前通信模块的工 作状态，由微处理器1011根据当前通信模块的工作状态向指示电路1024发出指示逻辑信 号。

如图8所示，4个LED的阳极与电源电压3.3V连接，4个LED的阴极通过4个1K 的限流电阻与微处理器1011的GPG7、GPG10、GPF6、GPF5引脚相连，4个引脚在输出 低电平时对应的LED被点亮，微处理器1011根据当前通信接口装置的工作状态，将初始 化状态、装置与网络连接状态等反映给指示电路1024。

电源电路1025，如图9所示，采用5V供电，包括有电源开关和指示灯，经可带载1.5A 的低压差线性稳压源AS1117AR-3.3芯片稳压，5V电源电压经过2.6A保险丝，通过电容 滤波后接入AS1117AR-3.3的Vin输入端，AS1117AR-3.3的的GND端直接接地，通过两 个相连的Vout引脚输出3.3V稳定电压，AS1117AR-3.3输出的3.3V电压经过电容滤波后 提供装置所需要的3.3V稳定电源并接入电源指示灯POWERRED的阳极，电源指示灯 POWERRED的阴极经过1K的电阻接地，为通信接口装置提供电源指示。

复位电路1026，参见图10，与微处理器1011单向连接，用于复位通信接口装置，在 复位电路1026接收到来自外部设备的复位信号时，复位电路1026将复位信号发送给微处 理器1011，微处理器1011接收到复位信号后重新启动。

如图10所示的复位电路1026，MAX811是一款比较简单的复位芯片，3号引脚连接 接口电路1027的27引脚，而2号引脚连接微处理器1011的复位引脚nRESET。在3号 引脚接收到来自外部设备的一个低电平信号时，MAX811的3号引脚向微处理器1011发 送一个低电平信号，微处理器1011的复位引脚接收一个低电平信号后触发复位功能。

接口电路1027，参见图11，与外部设备双向连接，用于通信接口装置与外部设备进 行互联。如图11所示，接口电路1027采用标准2.0mm间距的15X2针插针器件，用以外 部设备与通信接口装置进行数据交换，接插器件1脚与2脚为电源引脚，由外部设备为通 信接口装置提供电源，接插器件3脚到7脚连接双口RAM右端的引脚，通过控制引脚外部设备与双口RAM相互提供控制逻辑，接插器 件8到18引脚为地址信号线，与双口RAM右端地址线A[0:10]R相连，由外部设备提供 地址选通信号为双口RAM提供地址信号逻辑，接插器件19到26引脚为数据信号线，与 双口RAM右端的数据线I/O[0:7]R相连，与外部设备交换数据信息，接插器件27引脚为 复位引脚，与复位电路1026MAX811芯片的3号引脚相连，由外部设备提供复位逻辑信 号驱动通信接口装置的复位电路1026，接插器件28引脚NC为空引脚，接插器件29引脚 与30引脚为串行口数据引脚，与微处理器1011的TXD0与RXD0引脚相连，用以通信接 口装置与PC机进行串行通信交换数据进行固件升级。

具体体现上，本发明提供的基于双口RAM的嵌入式Ethernet/IP通用通信接口装置， 首先在上电后微处理器1011初始化自身的软硬件功能，通过引导代码进入操作系统，启 动Ethernet/IP协议栈引导程序，通过指示电路1024显示当前通信接口装置的启动状态。

然后微处理器1011通过采集数据交换电路1022的外部设备初始化信息，将初始化信 息读入Ethernet/IP协议栈引导程序，用以配置IP地址、输入输出I/O数据字节大小等参 数，完成初始化功能，通过指示电路1024显示当前初始化状态。当初始化结束后， Ethernet/IP协议栈引导程序将启动Ethernet/IP协议栈主程序开始处理Ethernet/IP报文，分 析处理来自Ethernet/IP网络和外部设备的数据信息，根据Ethernet/IP协议规范，将来自 Ethernet/IP网络的数据报文自动解包，以及自动打包将要发送到Ethernet/IP网络的数据报 文，通过指示电路1024显示当前通信接口装置与外部设备和Ethernet/IP网络的通信状态。

本发明在上述过程中，微处理器1011首先初始化自身软硬件，利用启动代码引导操 作系统的运行，根据初始化信息初始化Ethernet/IP对象模型、通信参数、设置扫描周期以 及外围以太网电路1022、数据交换电路等，从而完成通信接口装置初始化过程。然后进 行Ethernet/IP配置、组态，在通过Ethernet/IP网络配置、组态之后，通信接口装置就连接 上了Ethernet/IP网络，之后通信接口装置就进入无限数据循环交换状态。

对于上述本发明提供的装置，该装置在通信接口装置工作异常时，通过指示电路1024 立即显示出异常状态，用户能够及时的判断故障原因，能够有效的排查通信过程出现的问 题。结合图10所示的电路，在故障发生时可以发出异常提示，提示用户尽快排除故障。 此外，当故障排除后通信接口装置立即自动回复正常工作状态，本发明的指示电路1024， 响应速度快、电路简单，且成本低廉、工作效率高。

对于本发明提供的装置，在与外部设备通信设计中，采用了双口RAM作为外部设备 与通信接口装置微处理器1011的共享存储器，设计简单、数据交换实时性高，且利用标 准接插器件作为接口电路1027，从而具有广泛的通用性，通信模块可以与任意符合通信 模块接口电路1027规范的外部设备互联，大大增强了通信模块的实用性，即插即用，装 置利用率高，可以实现外部设备到Ethernet/IP网络的快速接入。在数据交换电路设计中， 双口RAM与微处理器1011之间使用电平转换芯片作为隔离元件来解决电平不匹配的问 题，使微处理器1011不会由于电平不匹配问题造成硬件损坏，方法简单高效，具有良好 的电平转换效果。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种基于双口RAM的嵌入式通用 Ethernet/IP通信接口装置，其具有广泛的通用性，可以与任意满足接口电路1027规范， 即具有2.00mm标准间距的15X2针接口插槽的外部设备进行互联，即插即用，便于安装 调试，通过指示电路1024及时反映当前通信接口装置的工作状态，方便维护人员进行装 置的故障监控和排查，当故障排除后装置自动恢复正常工作，具有重大的实际意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视 为本发明的保护范围。