基于USB接口的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

趙建華，韓智慧

(1.長春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長春 130032；2.長春科技學(xué)院，吉林長春 130600)

基于USB接口的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

趙建華1，韓智慧2

(1.長春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長春 130032；2.長春科技學(xué)院，吉林長春 130600)

目前物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展。為了解決計(jì)算機(jī)串行接口和并行接口嚴(yán)重不足的問題，實(shí)現(xiàn)各種儀器設(shè)備之間的方便連接，本文提出USB接口模塊和無線傳輸技術(shù)相結(jié)合的方案。以Cortex-M3為內(nèi)核，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸協(xié)議IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，將TCP/IP協(xié)議棧中的協(xié)議進(jìn)行簡化分離，設(shè)計(jì)出頻率穩(wěn)定、功耗低、傳輸協(xié)議及傳輸模式可控、快速的傳輸協(xié)議，最終完成針對物聯(lián)網(wǎng)體系中數(shù)據(jù)傳輸功能模塊的USB接口的設(shè)計(jì)。

物聯(lián)網(wǎng)；Cortex-M3；USB接口；簡化TCP/IP協(xié)議

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，嵌入式技術(shù)顯得尤為重要。目前，嵌入式處理器大致分為嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器、嵌入式片上系統(tǒng)。在日常生活中，嵌入式系統(tǒng)作為后PC時(shí)代的計(jì)算機(jī)平臺(tái)被廣泛使用，如家用電器、醫(yī)療器械、手機(jī)、汽車等。嵌入式系統(tǒng)以其軟硬件的可裁剪性、可靠性、成本低、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)廣受歡迎。我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)面臨的問題有產(chǎn)品批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)性、產(chǎn)品監(jiān)督和管理的統(tǒng)一規(guī)范性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴a(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)自主性以及網(wǎng)絡(luò)的帶寬等[1]。本文主要設(shè)計(jì)適合產(chǎn)業(yè)化的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊的USB接口。為了使傳輸速度達(dá)到最佳，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)中的一層物理層、二層數(shù)據(jù)鏈路層為基礎(chǔ)，為第三層網(wǎng)絡(luò)傳輸層提供終端，并利用LTC4055芯片實(shí)現(xiàn)USB接口為設(shè)備供電。

1 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以USB接口為標(biāo)準(zhǔn)的在物聯(lián)網(wǎng)下進(jìn)行接收與發(fā)送的傳輸模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分為三大部分，即USB接口芯片電路、MCU微控制器芯片電路、物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊芯片電路(圖1)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊電路的主要功能：首先將微控制器送來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫姶挪òl(fā)射器，然后通過解調(diào)天線接收到的調(diào)制信號(hào)得到基帶信號(hào)，再送給微控制器。

1.2 無線傳感器設(shè)計(jì)方案

(1)無線傳感器網(wǎng)關(guān)運(yùn)用了基于ARM Cortex-M3芯片內(nèi)核和以太網(wǎng)卡ENC28J60芯片。無線網(wǎng)關(guān)的無線通信模塊由最新芯片CC2538制作，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星型無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線接收模塊負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，然后交由Cortex-M3微處理器處理，并通過以太網(wǎng)卡ENC28J60傳到網(wǎng)絡(luò)中的上位機(jī)，由上位機(jī)的監(jiān)測軟件完成接收并顯示。

圖2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(2)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是建立在應(yīng)用層上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，連接無線協(xié)調(diào)器和以太網(wǎng)兩個(gè)相對獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，圖3為協(xié)議轉(zhuǎn)換模型。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)按照無線協(xié)調(diào)器協(xié)議傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)上的無線協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)解析出數(shù)據(jù)的有效載荷，交由Cortex-M3處理器控制，由以太網(wǎng)卡芯片負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

(3)無線協(xié)調(diào)器模塊選用CC2538片上系統(tǒng)芯片來設(shè)計(jì)[2]。CC2538 內(nèi)部集成了強(qiáng)大的安全加速器，能快速和有效地進(jìn)行身份驗(yàn)證和加密，其內(nèi)部具有強(qiáng)大的調(diào)試系統(tǒng)和綜合驅(qū)動(dòng)庫。為了減少應(yīng)用程序的運(yùn)行留存痕跡，CC2538xfnn ROM包括一個(gè)函數(shù)庫和一個(gè)串行引導(dǎo)加載程序。

1.3 USB口的設(shè)備供電設(shè)計(jì)

USB接口電路主要功能是提供總線的硬件收發(fā)接口，即系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)或系統(tǒng)和設(shè)備端的物理連接，并實(shí)現(xiàn)電氣和底層的邏輯功能，完成上層協(xié)議處理、數(shù)據(jù)收發(fā)控制以及電壓調(diào)節(jié)。

為方便提供TTL電源、串行口通信、IAP編程及復(fù)位信號(hào)控制，可使用CP2101設(shè)計(jì)的工作電路，這樣能夠減少計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的接口。為將PC的USB口虛擬成COM口，可采用CYGNAL免費(fèi)提供的器件驅(qū)動(dòng)程序CP2101。因此，無需修改現(xiàn)有的軟件和硬件就可以通過USB向基于CP-2101的器件傳輸數(shù)據(jù)，大量省去了CP2101系列器件二次開發(fā)的投入[3]。

2 TCP/IP的剪裁分析與實(shí)現(xiàn)

2.1 TCP數(shù)據(jù)包首部及其分析

TCP首部格式的定義需要遵循 RFC.791的相關(guān)規(guī)定，結(jié)構(gòu)體定義如下：

Typedef stryct’

{

Word srceport； //源端口號(hào)

Word destport； //目的端口號(hào)

LWord seqnum； //系列號(hào)

LWord Acknum； //確認(rèn)號(hào)

Word lenflags； //首部長度及標(biāo)識(shí)

Word wndsize； //窗口大小

Word urgptr； //緊急指針

} _TCP_HDR;

2.2 TCP/IP設(shè)計(jì)

TCP/IP體系結(jié)構(gòu)4個(gè)層次功能如表1所示。

表1 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)及功能

嵌入式TCP/IP協(xié)議一般實(shí)現(xiàn)：ARP/RARP、IP、ICMP、TCP、UDP、HTTP、SMTP、FTP、TELNET等協(xié)議，協(xié)議處理的主要流程如圖4所示[4]。

在協(xié)議處理過程中，首先將以太網(wǎng)包讀入緩存，判斷其是否為ARP包，若是則檢測硬件類型、協(xié)議類型以及服務(wù)器操作類型；若不是則判斷該包是否為IP包，若是則查看IP地址是否正確；若正確，再接著判斷其是否為ICMP包，若是則調(diào)用ICMP包協(xié)議處理；若不是則判斷該包是否為TCP包，若是則調(diào)用TCP協(xié)議，最終再將以太網(wǎng)包讀入緩存。

傳輸控制協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸可分為3個(gè)階段。第一階段，建立連接。在建立連接時(shí)有兩種方法，即主動(dòng)和被動(dòng)打開。服務(wù)器一直在偵聽連接請求是一種被動(dòng)打開，客戶端發(fā)送連接請求是一種主動(dòng)連接[5]；第二階段，傳輸數(shù)據(jù)；第三階段，斷開連接。和建立連接一樣，斷開連接也分為主動(dòng)和被動(dòng)斷開連接兩種方式。在上述基礎(chǔ)上，簡化實(shí)現(xiàn)傳輸控制協(xié)議的流程圖如圖5所示。在此簡化過程中，直接判斷此連接是否處在監(jiān)聽狀態(tài)，若是則檢查IP地址、端口號(hào)，檢查數(shù)據(jù)包系列號(hào)，接著檢查目的端口號(hào)，再判斷其是否為TCP協(xié)議，若不是則為正確數(shù)據(jù)，接著進(jìn)入不同狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖5 簡化的TCP協(xié)議

3 結(jié)論

本文根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了低成本、高效率的嵌入式串口模塊化的USB接口[6]，使得工業(yè)RS-485串口設(shè)備能夠與基于簡化的TCP/IP協(xié)議及無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸、采集和控制的智能化管理。采用虛擬串口這種方式來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸與采集，把串口模塊上的串口通過虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序映射到上位機(jī)上，這樣上位機(jī)應(yīng)用層軟件就可以像使用標(biāo)準(zhǔn)串口一樣來與現(xiàn)場串口設(shè)備通訊。該系統(tǒng)以Cortex M3為核心，針對物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，由此開發(fā)出頻率穩(wěn)定、功耗低、傳輸協(xié)議及傳輸模式可控的數(shù)據(jù)傳輸模塊USB接口。

[1]熊鳴.基于Cortex-M3的數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2013(3):197-198.

[2]張念淮.USB總線開發(fā)指南[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001:56-60.

[3]李浩.USB供電終極改造[J].大眾硬件,2005(3):101-102.

[4]吳軍.自定義USB接口電源供電[J].電腦維護(hù)與應(yīng)用,2005(2):15.

[5]阮利華,王祥.USB2.0接口IP核的開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].復(fù)旦大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005(1):173-174.

[6]劉學(xué)剛.一種基于Cortex-M3核心芯片的物聯(lián)網(wǎng)模塊[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2012(6):5-6.

2014-09-01

吉林省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20100512)。

趙建華(1979- )，男，吉林白城人，長春師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心講師，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

韓智慧(1978- )，女，吉林長春人，講師，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。

TP334

A

2095-7602(2014)06-0032-04