船用嵌入式串口服务器的设计

论文摘要

由于串行通信易于维护和实现,且具有较好的数据传输性能,因而广泛应用于船舶中的设备,但这类设备常采用集中方式管理,不易扩展。随着网络化的发展,海事产品采用网络化的分布式管理是必然趋势。本文根据船舶的特殊工作环境的需要,设计了低成本的、嵌入式串口服务器,使分散于船舶各处的RS-232串口设备成为独立的网络节点,以实现船舶数据采集、传输和设备控制的分布式智能化管理。系统主要实现主机和串口设备间数据的过滤与转发,将RS-232串口数据转换成UDP包,实现串口数据流在TCP/IP网络上的透明传输。本文介绍了S-VDR的基本架构及串口服务器在其中的作用,实现了基于Freescale微处理器MC9S12NE64和OpenTCP协议栈的船用嵌入式串口服务器的完整设计,并开发了主机端虚拟串口驱动程序。设计主要包括三个部分的内容:在分析船用电子设备工作环境和要求的基础上,设计了低功耗的、单片嵌入式处理器MC9S12NE64网络解决方案,以及各主要硬件模块和接口电路,并提出了硬件设计中的抗干扰性设计要点;通过对OpenTCP协议栈的研究,分析串口数据和网络数据转发程序的设计方法,实现了基于OpenTCP协议栈的数据透明传输的固件程序;根据Windows WDM设备驱动程序的分层结构,开发了主机端的虚拟串口驱动程序,并说明了驱动程序的加载方法。最后给出了PC端对设备进行功能及性能测试的结果。本文设计的船用嵌入式串口服务器体积小、功耗低、成本低廉,适用于船舶工作环境,满足用户需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 工作环境与要求
• 1.3 研究现状分析
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 论文结构安排
• 第二章 系统总体设计
• 2.1 S-VDR系统结构介绍
• 2.2 关键问题及解决方法
• 2.3 系统总体结构
• 第三章 硬件平台设计
• 3.1 嵌入式处理器选型
• 3.2 硬件平台整体结构
• 3.3 主控系统及接口电路设计
• 3.3.1 MC9S12NE64 CPU简介
• 3.3.2 MC9S12NE64存储管理
• 3.3.3 电源处理模块
• 3.3.4 EEPROM模块
• 3.3.5 BDM接口
• 3.3.6 以太网接口电路
• 3.3.7 多串口扩展
• 3.4 硬件抗干扰设计
• 3.4.1 船用设备电磁环境
• 3.4.2 干扰源分析
• 3.4.3 PCB抗干扰设计
• 3.4.4 时钟电路部分布线要点
• 3.4.5 网络接口部分布线要点
• 第四章 设备固件程序设计
• 4.1 协议栈选型
• 4.2 设备固件程序总体描述
• 4.3 NMEA-0183协议格式
• 4.4 OpenTCP协议栈
• 4.5 GM8125控制程序
• 4.6 数据转发程序的实现
• 4.6.1 系统初始化
• 4.6.2 串口数据收发的实现
• 4.6.3 数据转发程序
• 第五章 设备驱动程序设计
• 5.1 设备驱动程序总体描述
• 5.2 驱动程序与系统内核的关系
• 5.3 Windows WDM驱动程序介绍
• 5.3.1 WDM驱动简介
• 5.3.2 WDM驱动程序层次结构
• 5.3.3 WDM驱动程序的组成
• 5.3.4 WDM驱动程序的装入顺序
• 5.4 虚拟串口设备驱动程序设计
• 5.4.1 建立WDM编程环境
• 5.4.2 虚拟串口总线驱动程序
• 5.4.3 虚拟串口物理设备对象的生成
• 5.4.4 虚拟串口功能驱动程序
• 5.5 设备驱动程序的安装
• 第六章 测试及结果
• 6.1 测试环境
• 6.2 测试过程及结果
• 总结与展望
• 参考文献
• 在校期间发表的论文
• 致谢