基于ARM的嵌入式通信控制器的设计与应用

【摘 要】近年来，随着以太网的应用与推广，将以太网技术用于楼宇自动化和信息家电甚至工业控制领域，也越来越受到人们的重视， 本文论述了一种基于 arm 和 ZLG/IP 的嵌入式通信控制器的软、硬件设计方法。该控制器可以灵活的将串口设备连接到以太网，与其它网络设备通信，以供大家交流探讨。

【关键词】ARM；嵌入式通信控制器；设计；应用

目前，随着先进的微控制器技术、计算机技术和通信技术的发展，采用如下接入方式正逐渐发展起来：微控制器+局部专用网络+局部通信控制器（网关）。采用专用网络，如 RS-232、 RS-485，CANBus、BlueTooth 等方式，将多个微控制器连接在一起，然后将该专用网络连接到一个通信控制器（过去一般采用桌面计算机实现），该控制器负责将室内专用网络上的信息转换为 TCP/IP 协议数据包，然后发到以太网上实现信息的传输，适合于将小到一户家庭、一幢大楼、大到一个工厂内部的微控制器网络接入以太网。本控制器依据目前楼宇自动化和信息家电的要求，针对前者实现方式的缺点，结合目前先进的微控制器产品、计算机技术和通信技术，实现了高性能、低成本、低功耗、小体积的先进嵌入式通信控制器。

一、ARM 微处理器

ARM 公司于 1990年 9 月在英国成立。ARM 公司在32位RISC CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从 V3 发展到 V6。由于 ARM 公司自成立以来，一直以 IPIntelligence Property提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而本身不介入芯片的生产销售， 加上其设计的芯核具有功耗低、成本低和功能强等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在 32 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有75%以上的32位 RISC 嵌入式产品市场，几乎成为了事实上的标准。在所有 ARM 微处理器系列中， ARM7 微处理器系列应用最广，采用 ARM7 微处理器作为内核生产芯片的公司最多。本文所讨论的嵌入式通信控制器的硬件核心 LPC2214 微处理器就是一款由 Philips 公司生产的 ARM7TDMI微处理器。

二、硬件平台设计

（一）LPC2214

LPC2214是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMICPU的微控制器，并带有16K字节片内静态RAM和256 KB嵌入的高速Flash存储器。 128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。 由于LPC2214较小的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC（64脚和144脚封装）以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机。可使用的GPIO高达76（使用了外部存储器）～112个（单片应用）。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modern以及其它各种类型的应用。

（二）系统存储器

作为32位的微处理器，LPC2214支持8位、16位和32位寻址方式，具有较强的寻址能力， 可方便的构建较大的存储空间。由于芯片自身带有256KB的高速FLASH，对于采用uc/os-II和 ZLG/IP设计嵌入式通信控制器已经足够，无需再在外部挂接FLASH存储器。系统选用 IS61LV25616AL作为SRAM存储器，用于满足嵌入式操作系统及通信控制器中的内存块拷贝运行要求。

（三）调试接口

LPC2214 支持 JTAG协议，JTAGJoint Test Action Group，联合测试行动小组是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，通过 JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前 JTAG接口的连接有两种标准，即14针接口和20针接口，笔者选用的是20 针的接口。

（四）外设

LPC2214 内部集成了两个 UART 通道，我们通过电平转换芯片 MAX3232 实现了一个 RS-232 串口接口；利用 MAX489 实现了RS-422 通信接口，以便于接受远距离下位机传过来的数据。 利用 RTL8019AS芯片和 RJ-45网络接口， 实现了以太网模块的硬件单元。LPC2214 提供了多达 76 个可编程的 I/O端口，由片内的相关寄存器控制。在该系统的设计中， P0.23 和 P0.24 外接两个 LED 指示灯，用作程序运行状态的显示，其它数据总线和地址总线及部分 GPIO在系统板上引出，以供扩展之用。

三、软件平台设计及其在考勤系统中的应用

（一）软件平台设计

软件平台上采取了源代码开放的嵌入式实时操作系统μC/OS-II和周立功公司的TCP/IP 协议栈ZLG/IP（其本身基于μC/OS-II）。 μC/OS-II是一个完整的、可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。μC/OS-II最大的特点就是它的源代码开放，这是其它商业实时内核无法比拟的。它是针对嵌入式应用而设计的，而且，在设计之初就充分考虑到了它的可移植性，它的大部分源代码都是用高可移植性的ANSIC编写的。目前，μC/OS-II已经应用在很多领域，比如医疗设备，发动机控制，网络设备，自动提款机及工业机器人等。ZLG/IP 提 供实现Internet 网络上IP 接点的功能，是个高性能的嵌入式TCP/IP 协议栈软件。它使用μC/OS-II 实时操作系统的信号机制来实现一个多任务并行并可重入的协议栈，完全使用 ANSIC 进行编写，可以像μC/OS-II 那样支持多种CPU，ZLG/IP带有 Socket API接口函数， 方便使用者进行应用层协议的开发。ZLG/IP 还具有层次清晰，易于升级和修改等特点。

（二）在校园考勤系统中的应用

在校园考勤系统中，需要有一个嵌入式通信控制器完成如下功能：将教务处发下来的数据和命令信息传送给下面各个教学楼的考勤机终端，然后将考勤机终端存储的考勤数据传送到教务处的服务器。采用我们设计的控制器在教学楼内采用 RS-422 通信方式，一主多从， 一台通信控制器对多台考勤终端，在教学楼和教务处之间采用TCP 通信方式，几乎没有了距离的限制，能很好地解决远距离可靠的通信传输问题。

总之，由于ARM微处理器的优越性能和软件的可移植性，该控制器可以很容易的嵌入到其他系统中，能够应用于楼宇自动化和信息家电等诸多领域。

参考文献：

[1]贾祥正.ARM嵌入式系统的LCD驱动设计[J]. 中国高新技术企业. 2010（27）.

[2]耿新民.基于ARM和GPRS的无线通信系统设计[J]. 仪表技术. 2009（01）.