网关以太网控制器

收稿日期:2011-09-01基金项目:高等学校科技创新工程重大项目培育资金资助项目(708026).
作者简介:赵海(1959-),男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师.
第33卷第1期2012年1月东北大学学报(自然科学版)JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Vol33,No.
1Jan.
2012一种连接WSN与Internet的多核嵌入式网关设计与实现赵海,邵士亮,朱剑,张宽(东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110819)摘要:针对Internet与WSN这两种网络协议转换时网关的传输带宽受限问题,设计了一种多核嵌入式网关.
使用双口RAM存储器CY7C026作为公共存储区域、ATmega128(L)单片机作为处理器模块、RTL8019AS网络控制器作为网卡模块、CC2420射频收发芯片作为无线通信模块;采用具有精简网络协议栈的Nut/OS实时操作系统作为软件平台.
通过多个处理器并行处理数据方式,最终实现Internet与WSN无缝连接.
实验表明,系统能够稳定运行,并有效地提高传输带宽.
关键词:网关;处理器;双口RAM;无线传感器网络;Internet中图分类号:TG335.
58文献标志码:A文章编号:1005-3026(2012)01-0065-04DesignandImplementationofaMult-icoreEmbeddedGatewayforLinkingWSNandInternetZHAOHai,SHAOShi-liang,ZHUJian,ZHANGKuan(SchoolofInformationScience&Engineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China.
Correspondingauthor:SHAOSh-iliang,E-mail:shaoshiliangswu@163.
com)Abstract:FocusingonthebandwidthlimitationoftransmissionbetweenInternetandWSN(wirelesssensornetwork),amult-icoreembeddedgatewaywasdesigned.
Thegatewaywasdesignedusingdua-lportedmemoryCY7C026asthepublicmemoryblock,ATmega128(L)astheprocessormodule,RTL8019ASastheful-lduplexInternetcontroller,andCC2420RFchipasthewirelesscommunicationmodule.
Nut/OSwasutilizedtoreducenetworkprotocol.
Usingmultiplechipsforparallelprocessing,seamlesslinkcouldbeenforcedbetweenInternetandWSN.
Theexperimentalresultsshowthatthesystemcanprovidehighstabilityandimprovethetransmissionbandwidth.
Keywords:gateway;processor;dua-lportRAM;WSN(wirelesssensornetwork);Internet自感知中国提出以来,物联网在中国受到了全社会的极大关注,无线传感器网络[1-4](wirelesssensornetworks,WSN)作为物联网的重要技术之一,引起了国家学术界和工业界的高度重视.
WSN的应用前景十分广阔,在智能交通、智能家居、医疗护理、抢险救灾、环境监测以及危险区域远程控制等领域都有潜在的使用价值.
无线传感器节点的灵活性使其可以放置在各种环境条件下,利用网关[5-8]可以将每一个传感器节点接入Internet,将传感器节点采集的信息共享到Internet上,也可以通过网关对每一个传感器节点进行控制.
现有网关均采用单核处理方式,对Internet与WSN交换数据的带宽有一定限制.
本次设计与实现的多核嵌入式网关,作为连接WSN和Inernet的媒介,完成了ZigBee协议与UDP协议的转换,实现了两种异构网的无缝连接,并有效提高带宽.
1网关总体介绍网关采用多核处理方式,一个处理器用来完成接收Internet上的数据和向Internet上发送数据;另一个处理器用来接收WSN中的数据和向WSN中发送数据,两个处理器并行工作.
使用双口RAM作为数据缓存区,它具有两组完全对称的地址线、数据线和控制线,允许两个处理器同时对存储器进行访问,以资源共享方式进行通信.
Internet与WSN的通信过程如下:1)WSN向Internet传输数据.
网关上的CC2420射频芯片接收到WSN中的数据后,通知处理器取走FIFO中的数据,按优先级和时间顺序存入双口RAM中;另一处理器寻址相应地址,取出数据发送给网络控制器,网络控制器自动进行帧格式转换,包装成适合在目的网络Internet上传输的数据.
2)Internet向WSN传输数据.
Internet上的数据向网关发送,网络控制器收到Internet数据包后,通知处理器取出数据,并对数据格式进行转换,存入双口RAM中,另一个处理器到指定的地址空间中取出数据,通过SPI总线写入CC2420的FIFO中,射频芯片自动转发到WSN中,网关连接WSN与Internet的网络结构图如图1所示,左侧为由无线传感器节点组成的WSN,右侧是连接Internet的客户端,中间通过本次设计的多核嵌入式网关连接.
图1网关连接无线传感器网络与InternetFig.
1WSNandInternetlinkedbygateway2硬件平台设计该多核嵌入式网关系统框图如图2所示.
网关通过网络控制器RTL8019与Internet交换数图2系统框图Fig.
2Thesystemchart据,通过射频芯片CC2420与WSN进行通信,极易在数据传送时造成瓶颈堵塞现象,影响整个系统对数据的处理能力.
处理器1和处理器2分别用于网关与WSN,Internet通信,相对单核嵌入式网关,减轻了处理器负担,再加上两个处理器共用双口RAM,提高了处理速度,保证数据通路的畅通.
2.
1两个处理器和双口RAM(CY7C026)接口设计ATmega128(L)是一款基于AVRRISC结构的8位数据总线CMOS微处理器.
由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间,减缓了系统在功耗和处理速度上的矛盾.
其丰富的引脚和接口资源为与双口RAM的连接提供了条件.
CY7C026是CYPRESS公司研制的高性能的16K16位COMS型静态双口RAM,最高访问时间达20~25ns,AVR单片机的指令执行时间=1/晶振频率指令执行周期,两个处理器均使用8MHz晶振,单周期指令执行时间约为125ns,CY7C026能与其很好地配合使用.
利用双口RAM可提高RAM的吞吐率,非常适用于实时数据的缓存.
CY7C026是16位地址总线和16位数据总线,ATmega128(L)是8位数据线的处理器,处理器需要接锁存器来扩展数据线和地址线.
两个处理器与双口RAM的接法相同,在此只做一次说明.
接口设计如图3所示.
将单片机的PA口和PC口用锁存器分别复用为CY7C026的地址低8位、数据低8位和地址高8位、数据高8位,PF3和PF6控制锁存器的状态.
多核嵌入式网关的处理器同时对双口RAM的同一个地址进行读或写操作时,会因地址争夺引起读写数据错误,CY7C026芯片提供了中断判优、忙逻辑判优和软件判优3种机制.
本次设计的多核嵌入式网关采用忙逻辑判优方式,很好地解决了地址竞争问题.
图3处理器与双口RAM接口Fig.
3Theinterfacebetweenprocessoranddua-lportRAM66东北大学学报(自然科学版)第33卷即通过两个处理器的CE信号和地址信息到达时间tps的细微差别判断哪个处理器获得RAM的访问权.
获得访问权一侧的BUSY变成高电平,另一侧则为低电平,该侧处理器将得到双口RAM不允许访问的信息.
在两个处理器不是对双口RAM的同一个地址进行操作的情况下,两个处理全速并行运行.
2.
2处理器1与射频芯片(CC2420)接口设计CC2420是ChipconAs公司生产的一款符合ZigBee协议的射频收发芯片,工作在自由频段24~24835GHz范围内,处理器2通过SPI总线对CC2420的寄存器进行操作,完成数据收发与处理工作.
2.
3处理器2与以太网控制器(RTL8019)接口设计RTL8019以太网控制器是高集成度的全双工芯片,处理器1的PB口通过复用与RTL8019的地址低8位和数据低8位连接,PD口与RTL8019的地址高8位连接,方法与双口RAM类似.
网络控制器的中断输出脚与处理器2的PE5(INT5)引脚相连,通过该引脚通知单片机取走网络控制器RAM中的数据.
3软件系统软件设计采用Nut/OS[9]实时操作系统.
使用嵌入式操作系统可以有效地利用微处理器的资源,ATmega128(L)处理器并没有MMU(内存管理单元),需要依靠操作系统对内存进行合理管理,才不至于出现瘫痪的局面.
3.
1Nut/OS系统介绍Nut/OS是完全免费的开源实时操纵系统.
除了部分底层函数是由汇编语言编写,其余均为C语言编写,可移植性非常强.
Nut/OS包括Nut/OS实时内核和Nut/net网络协议两部分.
Nut/OS中包含丰富的应用所需的API函数(文件管理、线程管理、时间管理、网络驱动等),其中不乏关于I/O口管理的函数.
Nut/net中包含了丰富的网络协议(UDP,TCP等),简化了网络应用程序的开发.
3.
2应用程序设计应用程序在总体上可以分为两个部分:即网关与Internet通信部分和网关与WSN通信部分.
应用程序的开发建立在软件系统基础上.
网关的软件系统结构如图4所示.
Nut/OS实时操作系统是连接底层硬件接口与上层应用程序的平台.
图4网关软件结构Fig.
4Softwarestructureofthegateway3.
2.
1网关与WSN通信实现网关与WSN通信使用ZigBee协议,通信的应用程序流程图如图5所示.
首先对硬件平台初始化,打开中断.
为保证数据的实时性,使网关处于不断采集WSN中各节点实时数据的状态,处理器1读取CC2420中数据,在CY7C026忙逻辑判优赢得使用权后,将采集到的数据存放在CY7C026已建立的链表中,数据的存放与读取按照优先级顺序和时间顺序两种.
优先级的确定根据采集数据的种类,确定一个阀值,当数据值大于此阀值,优先存放在链表头,小于此阀值则设定为普通优先级,按照时间顺序连接在链表尾端,这样可以最大程度利用RAM的存储空间,提高处理效率,增大传输带宽.
被设为普通优先级的数据则按照被采集的时间先后顺序存放.
图5处理器1工作流程图Fig.
5Theoperationflowchartofprocessorone处理器1在实时采集WSN中数据过程,如有中断产生,则进入中断服务程序,执行从CY7C026中读取数据、通过CC2420转发到WSN中等操作,中断结束后恢复现场.
67第1期赵海等:一种连接WSN与Internet的多核嵌入式网关设计与实现3.
2.
2网关与Internet通信实现网关与Internet通信采用面向无连接的UDP协议,其具有TCP所不及的传输速度和对系统较低的占用率,TCP较高的传输可靠性会占据很大的系统开销,严重影响传输速度,所以本次设计的多核嵌入式网关使用UDP协议通信,应用程序流程图如图6所示.
同样是在硬件初始化结束后开启全局中断,若处理器2在读取CY7C026数据过程中,忙逻辑判优赢得使用权,则从链表头部开始依次取数据,将数据复制到网络控制器RTL8019的RAM中,网络控制器会自动将数据包装成适合在目的网络Internet上传输的802.
3标准的数据格式,最后转发到Internet上.
图6处理器2工作流程图Fig.
6Theoperationflowchartofprocessortwo当RTL8019接收到Internet的数据时,会将数据格式进行转换,在以太网格式数据的前面加上接收状态和下一页数据将要存放位置的指针,并取出数据部分放入RTL8019的RAM中,RAM中收到数据之后会触发处理器2的中断,进入中断服务程序,处理器2取走网络控制器RAM中的数据,在允许的情况下写入CY7C026中,完成Internet向网关发送数据的过程,然后发送一个收发结束事件,通知等待中的其他请求线程.
4网关功能测试为了测试该网关实现了上述功能,将10个带有温度传感器的节点放在不同室温的房间内,组成一个无线传感器网络,让其实时采集周围的温度信息.
网关中数据的优先级阀值此时设置为40,即当采集到的温度超过40时,在客户端一侧会有报警提示.
使用Matlab中的UDP工具箱建立客户端与网关之间的UDP连接,取出网关通过UDP传来的数据包,将其绘制成实时温度曲线图,便于直观观察.
在对7号节点进行人为干扰,温度超过40时,网关会对该节点的数据优先转发,在客户端一侧可观察到明显变化,其余节点在未受干扰情况下实时采集现场温度与其形成鲜明对比.
5结论本文设计的多核嵌入式网关,利用高性能双口RAM能够方便地构成各种工作方式的高速数据传送接口,不管是在并行处理网络中的数据共享,还是在流水方式中的高速数据传送,高性能双口RAM都能在其中发挥重要作用.
具有精简指令集的AVR处理器,在高速数据接口应用中也占有非常重要的地位.
利用两个处理器和高速双口RAM,做到了WSN与Internet的无缝连接,实现了两种异构网的真正融合,有效地提高了传输带宽,无论是在学术界还是工业领域,这种网关的构造思想,都有一定的意义.
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