基于單片機(jī)的串口協(xié)議網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì) - 全文

1　硬件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)

　　1.1　總體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ATMEL公司8位通用微控制器AT89C51作為主處理器，驅(qū)動(dòng)REALTEK公司的10M以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS,實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)和外部網(wǎng)絡(luò)互連。

　　1.2　網(wǎng)卡接線設(shè)計(jì)

　　RTL8019AS為100管腳PQFP封裝，工作電壓5V。其接線原理圖如圖1所示。地址SA0-4接到單片機(jī)P2的低五位上；SA8和SA9接電源；其余SA5-7,SA10-19這13個(gè)管腳全部接地；IORB和IOWB分別接單片機(jī)的讀寫信號(hào)端；RSTDRV接到P1.2上；8位數(shù)據(jù)SD0-7按順序接到單片機(jī)P0.020.7腳；TPOUT+和PTOUT-是發(fā)送管腳對，連接到RJ45口的發(fā)送腳1和2;而TPIN+和TPIN-則是接收管腳對，連接到RJ45口的接收腳3和6;管腳X1和X2之間接20M的晶振及接地電容；LED0和LED1分別串接發(fā)光二極管和1k8電阻，連到5V電源上；IOCS16B管腳串接27k8電阻接地；管腳BD0-3（IOS0-3）是負(fù)責(zé)定義基地址位置的，全部懸空，作為0輸入。

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　　LED0默認(rèn)表示通信沖突COL,LED1表示接收數(shù)據(jù)包。發(fā)送對和接收對不能直接接到RJ45插頭上，要通過隔離電壓模塊（選用20F-01）和RJ45相連。網(wǎng)卡有16bit數(shù)據(jù)線，可以使用16bit或8bit模式傳送數(shù)據(jù)，使IOCS16B管腳為低，我們選中的是8bit模式。

　　1.3　串行接口部分

　　1串口部分采用MAX232和9針串口。單片機(jī)P3.0/RXD0和P3.0/RXD0通過MAX232芯片分別接到串口的2針和3針上。串口5針接地。

　　串行口選擇工作方式1,這時(shí)的波特率計(jì)算公式為：

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　　串口在9600波特率時(shí)，晶振選用11.0592M,預(yù)設(shè)值算得0xFD,smod=0;晶振選用16MHz,預(yù)設(shè)值為0xF7,smod=1。

　　2　網(wǎng)卡的初始化和工作過程

　　2.1　網(wǎng)卡芯片RTL8019AS的控制方法

　　控制網(wǎng)卡芯片RTL8019AS是通過讀寫芯片上的32個(gè)字節(jié)的控制寄存器組實(shí)現(xiàn)的。另外該芯片含有16kbyte的RAM,地址為0x400020x7fff。這些RAM不能通過單片機(jī)直接尋址，必須通過32個(gè)字節(jié)的控制寄存器組，以DMA方式讀寫它們。

　　32個(gè)字節(jié)的控制寄存器組可以由單片機(jī)直接尋址，但其基地址是通過管腳BD0-3（IOS0-3）配置的。電路中將四個(gè)管腳全部懸空，全0輸入，產(chǎn)品資料說明其基地址為300H。

　　這32個(gè)字節(jié)的控制寄存器組分成4頁，00H寄存器稱為CommandRegister（CR），CR的最高兩位代表目前寄存器處于哪一頁。01H到0FH在不同的頁有不同的意義，同時(shí)，即使同一頁，讀和寫代表的意義也可能不同，這一點(diǎn)很值得注意。10H217H是遠(yuǎn)程DMA端口，而18H-1FH是網(wǎng)卡復(fù)位端口。

　　2.2　DMA數(shù)據(jù)通道

　　RTL8019AS內(nèi)部劃分為遠(yuǎn)程DMA（RemoteDMA）通道和本地DMA（LocalDMA）通道兩個(gè)部分。本地DMA完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換，遠(yuǎn)程DMA完成主處理器與網(wǎng)卡數(shù)據(jù)交換。單片機(jī)主處理器收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(yuǎn)程DMA操作。接收數(shù)據(jù)時(shí)，RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗(yàn)后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器，主處理器通過遠(yuǎn)程DMA通道將其讀出。當(dāng)主處理器要向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令；RTL8019AS在完成了上一幀的發(fā)送后，再完成此幀的發(fā)送。

　　所謂的DMA就是直接內(nèi)存訪問（DirectMem2oryAccess）。普通的尋址方式是給出一個(gè)地址，然后取出對應(yīng)的值。而在DMA方式下，我們指定一個(gè)寄存器地址，主機(jī)只要反復(fù)地讀取或?qū)懭脒@個(gè)地址，就可以取出或?qū)懭氪罅康臄?shù)據(jù)。網(wǎng)卡指定的遠(yuǎn)程DMA端口就是這個(gè)用途。設(shè)置好起始地址和讀出的byte數(shù)后，我們反復(fù)讀遠(yuǎn)程DMA端口，就可以將網(wǎng)卡里從網(wǎng)線收到的數(shù)據(jù)包，從0x400020x7fff的RAM區(qū)讀出；反之，同樣設(shè)置好起始地址和寫入的byte數(shù)后，我們反復(fù)寫遠(yuǎn)程DMA端口，就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)卡的發(fā)送緩沖RAM中，然后發(fā)出發(fā)送的命令，就可以把數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)線中。

　　2.3　網(wǎng)卡的初始化過程

　　復(fù)位，使RSTDRV先高后低，注意每一步都要有100ms的延時(shí)，以確保復(fù)位成功。然后進(jìn)行熱復(fù)位，就是先后讀、寫網(wǎng)卡復(fù)位端口。

　　使CR=0x21,停止芯片運(yùn)行，選擇頁面0。

　　使RBCR1=0;RBCR0=0,將遠(yuǎn)程DMA操作的傳輸字節(jié)數(shù)清零。

　　使PSTART=0x46;PSTOP=0x80;BNRY=0x46,設(shè)置接收開始頁面、結(jié)束頁面和邊界頁面。

　　使IMR=0x0,清除中斷屏蔽寄存器。

　　使RCR=0x08+0x04,設(shè)置接收配置寄存器，允許接收多址和廣播報(bào)文。

　　使TCR=0,設(shè)置發(fā)送配置寄存器，使用默認(rèn)配置。

　　使DCR=0x80+0x40+0x00,設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器，選擇字節(jié)DMA。

　　使ISR=-1,設(shè)置中斷狀態(tài)寄存器，清除所有已有中斷。

　　使用DMA方式，從0000H2000BH中取得本網(wǎng)卡MAC地址。注意，MAC地址每個(gè)byte都是重復(fù)一遍存放的，所以只要取單數(shù)1、3、5等byte就可以了。

　　使CR=0x61,選擇頁面1。

　　將剛才取得的MAC地址放入PAR0-5中。網(wǎng)卡檢查接收到的包是否和PAR里MAC值匹配，然后決定收下或丟棄。所以，也可以任意設(shè)置這個(gè)PAR值，來偽造自己的MAC值。

　　將MAR02MAR7全部設(shè)為0xFF,允許接收所有的多址數(shù)據(jù)包。

　　使CURR=0x47,設(shè)置當(dāng)前接收頁面為0x47。

　　使CR=0x22,啟動(dòng)網(wǎng)卡芯片，開始接收和發(fā)送過程。

　　2.4　網(wǎng)卡工作接收和發(fā)送過程

　　網(wǎng)卡RAM是以256byte為一頁，是按頁存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)，16bit的RAM地址高8bit又叫頁碼。網(wǎng)卡的16k的RAM地址從0x400020x7fff,從頁0x40到頁0x7f,一共有64頁。64頁被接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包用。接收和發(fā)送都是以頁為最小的單位進(jìn)行的。接收緩沖區(qū)需要定義，剩下的就可以作為發(fā)送緩沖區(qū)。

　　接收緩沖區(qū)由兩個(gè)寄存器決定：PSTART（PageStartRegister）和PSTOP（PageStopRegister）。設(shè)置了接收緩沖區(qū)之后，這個(gè)緩沖區(qū)就形成了一個(gè)循環(huán)隊(duì)列。控制接收緩沖區(qū)的有兩個(gè)寄存器CURR、BNRY。CURR是網(wǎng)卡寫緩沖區(qū)的指針，指向當(dāng)前要寫的頁；BNRY是讀指針，指向用戶已經(jīng)讀走的頁。

　　BNRY不可以超過CURR,否則沒被用戶讀取的數(shù)據(jù)就被覆蓋了。用戶設(shè)置完了CURR以后，就不用管它，網(wǎng)卡接收到新的數(shù)據(jù)后，會(huì)自動(dòng)修改它。用戶讀出數(shù)據(jù)后，要修改BNRY的值，以通知網(wǎng)卡該數(shù)據(jù)已經(jīng)讀出了。

網(wǎng)卡RAM區(qū)如圖2所示，我們設(shè)置PSTART和PSTOP,就決定了接收區(qū)域在46和7F之間，剩下6頁作為發(fā)送緩沖區(qū)，可以滿足一次發(fā)送容量為1514byte的最大以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的要求。CURR初始值設(shè)為47,BNRY初始值設(shè)為46。當(dāng)收到新的數(shù)據(jù)包時(shí)（例如3頁），網(wǎng)卡將它們依次放到47、48和49頁，CURR自動(dòng)指向4A頁。當(dāng)我們讀完這3頁的數(shù)據(jù)包后，要將BNRY改為49,以通知網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包已經(jīng)讀完了。

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　　網(wǎng)卡芯片接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，存在CURR指向的頁面中。一個(gè)數(shù)據(jù)包可以占據(jù)一頁，也可以占據(jù)多頁。在接收包的包頭里，保存有該包的信息。包頭格式如表1:

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　　讀完這個(gè)包頭，我們就能知道本包的接收狀態(tài)，包長度，以及下一個(gè)包的位置。在接收循環(huán)中，檢查中斷狀態(tài)寄存器ISR狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)有新包來，先讀取包頭信息，接著按照包頭指示讀取全包，然后改寫B(tài)NRY,再接著讀下一個(gè)包，這樣循環(huán)，直到達(dá)到CURR位置。注意，一個(gè)包有可能占據(jù)接收緩沖區(qū)的首、尾頁面，此時(shí)須小心讀取。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)包比較簡單，將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)用DMA傳到發(fā)送緩沖區(qū)，然后設(shè)置發(fā)送長度到TBCR1和TBCR0中，再設(shè)置傳輸開始頁面，即令TPSR=0x40,最后，使CR=0x26,就開始傳送了。

　　傳送完成后要清掉中斷狀態(tài)寄存器ISR的發(fā)送完成標(biāo)志。值得注意的是，發(fā)送包的包長度不能小于以太網(wǎng)規(guī)定的60byte,否則網(wǎng)卡不會(huì)將其發(fā)出。

　　3　TCP/IP協(xié)議在單片機(jī)上的軟件設(shè)計(jì)

　　3.1　TCPIP協(xié)議棧和鏈路層格式

　　Internet上使用的是TCP/IP協(xié)議簇，由下至上包含四層：數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層（IP）、傳輸層（TCP）和應(yīng)用層。我們在單片機(jī)上能實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)鏈路層的功能，上層協(xié)議鑒于單片機(jī)有限的資源，只能實(shí)現(xiàn)部分功能。TCP/IP協(xié)議棧如表2:

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　　數(shù)據(jù)鏈路層處于協(xié)議棧的最低層，傳輸以太網(wǎng)的物理傳輸幀，其幀格式如表3：

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　　數(shù)據(jù)鏈路層是所有TCP/IP包的基礎(chǔ)，所有它上層的包都被封裝到鏈路層幀的數(shù)據(jù)段中。鏈路層就是MAC對MAC的通信。

　　3.2　PING命令在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)

　　PING是網(wǎng)絡(luò)層（IP層）的命令，網(wǎng)絡(luò)層就是IP對IP之間的通信。主機(jī)對一個(gè)目標(biāo)IP地址發(fā)出狀態(tài)請求，后者發(fā)出回應(yīng)，這樣，就可以用來檢查兩者之間的線路是否暢通。這里涉及到兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議：

　　ARP和ICMP。首先，網(wǎng)絡(luò)中要知道目標(biāo)IP的MAC地址，才能發(fā)送數(shù)據(jù)。為了獲取該地址，我們向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個(gè)ARP廣播包，詢問該IP對應(yīng)的MAC地址，然后目標(biāo)IP應(yīng)答，我們就從應(yīng)答信息中得到MAC地址。其次，發(fā)送一個(gè)ICMP包，請求目標(biāo)IP狀態(tài)，目標(biāo)IP回應(yīng)，就完成網(wǎng)絡(luò)連接測試。在我們的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)出PING命令的是網(wǎng)絡(luò)中的PC主機(jī)，接收信號(hào)并產(chǎn)生響應(yīng)的是我們的單片機(jī)系統(tǒng)。我們假定單片機(jī)系統(tǒng)控制的網(wǎng)卡的IP為192.168.0.176。

　　第一步，實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議。ARP協(xié)議是"AddressResolutionProtocol"（地址解析協(xié)議）的縮寫，它的作用是將IP地址轉(zhuǎn)換成物理地址（就是常說的MAC地址）。協(xié)議ARP的分組格式如表4:

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　　當(dāng)單片機(jī)主處理器處理網(wǎng)卡收到的ARP廣播請求時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)是請求“192.168.0.176”的MAC地址，于是按要求打一個(gè)ARP應(yīng)答包，將自己的MAC地址放到應(yīng)答包中，發(fā)送回網(wǎng)絡(luò)就完成了PING的第一步。注意，要在應(yīng)答包尾加18byte的補(bǔ)丁，否則應(yīng)答包長度不滿足最小60byte的要求。

　　第二步，實(shí)現(xiàn)ICMP協(xié)議。ICMP是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息協(xié)議）的縮寫。用于在IP主機(jī)、路由器之間傳遞控制消息。控制消息是指網(wǎng)絡(luò)通不通、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用等網(wǎng)絡(luò)本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據(jù)，但是對于用戶數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。

　　ICMP是封裝在IP協(xié)議中，所以有IP包頭。

　　ICMP協(xié)議結(jié)構(gòu)如表5：

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　　網(wǎng)絡(luò)主機(jī)在收到ARP的應(yīng)答包后，取出其中的MAC地址，然后向該MAC發(fā)出ICMP請求。主處理器處理該請求時(shí)，將請求包的標(biāo)識(shí)和序列號(hào)對應(yīng)填入ICMP應(yīng)答包，其它部分按要求填寫。校驗(yàn)和的計(jì)算有成熟的公式，容易計(jì)算，只要先把校驗(yàn)和部分置0,將包頭的計(jì)算結(jié)果再填入校驗(yàn)和就可以了。

　　最后將該ICMP應(yīng)答包送入網(wǎng)絡(luò)，這樣就完成了PING的全過程。此時(shí)，發(fā)出PING命令的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)就會(huì)得到“Replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msTTL=128”的信息。

　　4　串行數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換的討論

　　網(wǎng)絡(luò)層之上，有兩種傳輸層協(xié)議：TCP（Trans2missionControlProtocol）和UDP（UserDatagramProtocol）。對于數(shù)據(jù)傳輸要求高的場合，需要使用TCP協(xié)議作為雙方通信方式，但此種方式較為復(fù)雜。而對于一些實(shí)時(shí)信號(hào)及其反向控制信號(hào)的傳遞，實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議就可以滿足要求了。表6是UDP協(xié)議結(jié)構(gòu)：

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　　當(dāng)原始數(shù)據(jù)從串口送到到主處理器后，主處理器將其打包成UDP報(bào)文，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)端監(jiān)控主機(jī)接收并處理該UDP報(bào)文，然后將控制信息同樣以UDP報(bào)文發(fā)出。主處理器把網(wǎng)絡(luò)控制信號(hào)返回給串口。這樣，我們在Internet中就可以方便地完成對現(xiàn)場串口數(shù)據(jù)源的監(jiān)視和控制過程。

　　5　結(jié)語

　　因?yàn)閱纹瑱C(jī)對于各種電器設(shè)備有良好的接入和控制能力，所以，我們實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接入功能后，就在電器的硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間建起了一道橋梁。通過它，可以實(shí)現(xiàn)對各種實(shí)時(shí)信號(hào)、儀器儀表、家用設(shè)施等目標(biāo)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，在宏觀上對各種設(shè)備統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的和諧的交互。這必將大大提高工作效率，改善工作環(huán)境，提升人們的生產(chǎn)、生活水平。

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