基于单片机的串口协议网络化设计 - 全文

1　硬件结构和电路设计

　　1.1　总体设计

　　整个系统设计采用ATMEL公司8位通用微控制器AT89C51作为主处理器，驱动REALTEK公司的10M以太网控制芯片RTL8019AS,实现串口数据和外部网络互连。

　　1.2　网卡接线设计

　　RTL8019AS为100管脚PQFP封装，工作电压5V。其接线原理图如图1所示。地址SA0-4接到单片机P2的低五位上；SA8和SA9接电源；其余SA5-7,SA10-19这13个管脚全部接地；IORB和IOWB分别接单片机的读写信号端；RSTDRV接到P1.2上；8位数据SD0-7按顺序接到单片机P0.020.7脚；TPOUT+和PTOUT-是发送管脚对，连接到RJ45口的发送脚1和2;而TPIN+和TPIN-则是接收管脚对，连接到RJ45口的接收脚3和6;管脚X1和X2之间接20M的晶振及接地电容；LED0和LED1分别串接发光二极管和1k8电阻，连到5V电源上；IOCS16B管脚串接27k8电阻接地；管脚BD0-3（IOS0-3）是负责定义基地址位置的，全部悬空，作为0输入。

 

 

　　LED0默认表示通信冲突COL,LED1表示接收数据包。发送对和接收对不能直接接到RJ45插头上，要通过隔离电压模块（选用20F-01）和RJ45相连。网卡有16bit数据线，可以使用16bit或8bit模式传送数据，使IOCS16B管脚为低，我们选中的是8bit模式。

　　1.3　串行接口部分

　　1串口部分采用MAX232和9针串口。单片机P3.0/RXD0和P3.0/RXD0通过MAX232芯片分别接到串口的2针和3针上。串口5针接地。

　　串行口选择工作方式1,这时的波特率计算公式为：

 

　　串口在9600波特率时，晶振选用11.0592M,预设值算得0xFD,smod=0;晶振选用16MHz,预设值为0xF7,smod=1。

　　2　网卡的初始化和工作过程

　　2.1　网卡芯片RTL8019AS的控制方法

　　控制网卡芯片RTL8019AS是通过读写芯片上的32个字节的控制寄存器组实现的。另外该芯片含有16kbyte的RAM,地址为0x400020x7fff。这些RAM不能通过单片机直接寻址，必须通过32个字节的控制寄存器组，以DMA方式读写它们。

　　32个字节的控制寄存器组可以由单片机直接寻址，但其基地址是通过管脚BD0-3（IOS0-3）配置的。电路中将四个管脚全部悬空，全0输入，产品资料说明其基地址为300H。

　　这32个字节的控制寄存器组分成4页，00H寄存器称为CommandRegister（CR），CR的最高两位代表目前寄存器处于哪一页。01H到0FH在不同的页有不同的意义，同时，即使同一页，读和写代表的意义也可能不同，这一点很值得注意。10H217H是远程DMA端口，而18H-1FH是网卡复位端口。

　　2.2　DMA数据通道

　　RTL8019AS内部划分为远程DMA（RemoteDMA）通道和本地DMA（LocalDMA）通道两个部分。本地DMA完成控制器与网线的数据交换，远程DMA完成主处理器与网卡数据交换。单片机主处理器收发数据只需对远程DMA操作。接收数据时，RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器，主处理器通过远程DMA通道将其读出。当主处理器要向以太网发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令；RTL8019AS在完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发送。

　　所谓的DMA就是直接内存访问（DirectMem2oryAccess）。普通的寻址方式是给出一个地址，然后取出对应的值。而在DMA方式下，我们指定一个寄存器地址，主机只要反复地读取或写入这个地址，就可以取出或写入大量的数据。网卡指定的远程DMA端口就是这个用途。设置好起始地址和读出的byte数后，我们反复读远程DMA端口，就可以将网卡里从网线收到的数据包，从0x400020x7fff的RAM区读出；反之，同样设置好起始地址和写入的byte数后，我们反复写远程DMA端口，就可以将数据发送到网卡的发送缓冲RAM中，然后发出发送的命令，就可以把数据包发送到网线中。

　　2.3　网卡的初始化过程

　　复位，使RSTDRV先高后低，注意每一步都要有100ms的延时，以确保复位成功。然后进行热复位，就是先后读、写网卡复位端口。

　　使CR=0x21,停止芯片运行，选择页面0。

　　使RBCR1=0;RBCR0=0,将远程DMA操作的传输字节数清零。

　　使PSTART=0x46;PSTOP=0x80;BNRY=0x46,设置接收开始页面、结束页面和边界页面。

　　使IMR=0x0,清除中断屏蔽寄存器。

　　使RCR=0x08+0x04,设置接收配置寄存器，允许接收多址和广播报文。

　　使TCR=0,设置发送配置寄存器，使用默认配置。

　　使DCR=0x80+0x40+0x00,设置数据配置寄存器，选择字节DMA。

　　使ISR=-1,设置中断状态寄存器，清除所有已有中断。

　　使用DMA方式，从0000H2000BH中取得本网卡MAC地址。注意，MAC地址每个byte都是重复一遍存放的，所以只要取单数1、3、5等byte就可以了。

　　使CR=0x61,选择页面1。

　　将刚才取得的MAC地址放入PAR0-5中。网卡检查接收到的包是否和PAR里MAC值匹配，然后决定收下或丢弃。所以，也可以任意设置这个PAR值，来伪造自己的MAC值。

　　将MAR02MAR7全部设为0xFF,允许接收所有的多址数据包。

　　使CURR=0x47,设置当前接收页面为0x47。

　　使CR=0x22,启动网卡芯片，开始接收和发送过程。

　　2.4　网卡工作接收和发送过程

　　网卡RAM是以256byte为一页，是按页存储的结构，16bit的RAM地址高8bit又叫页码。网卡的16k的RAM地址从0x400020x7fff,从页0x40到页0x7f,一共有64页。64页被接收和发送数据包用。接收和发送都是以页为最小的单位进行的。接收缓冲区需要定义，剩下的就可以作为发送缓冲区。

　　接收缓冲区由两个寄存器决定：PSTART（PageStartRegister）和PSTOP（PageStopRegister）。设置了接收缓冲区之后，这个缓冲区就形成了一个循环队列。控制接收缓冲区的有两个寄存器CURR、BNRY。CURR是网卡写缓冲区的指针，指向当前要写的页；BNRY是读指针，指向用户已经读走的页。

　　BNRY不可以超过CURR,否则没被用户读取的数据就被覆盖了。用户设置完了CURR以后，就不用管它，网卡接收到新的数据后，会自动修改它。用户读出数据后，要修改BNRY的值，以通知网卡该数据已经读出了。

网卡RAM区如图2所示，我们设置PSTART和PSTOP,就决定了接收区域在46和7F之间，剩下6页作为发送缓冲区，可以满足一次发送容量为1514byte的最大以太网数据包的要求。CURR初始值设为47,BNRY初始值设为46。当收到新的数据包时（例如3页），网卡将它们依次放到47、48和49页，CURR自动指向4A页。当我们读完这3页的数据包后，要将BNRY改为49,以通知网卡数据包已经读完了。

 

　　网卡芯片接收到以太网数据包后，存在CURR指向的页面中。一个数据包可以占据一页，也可以占据多页。在接收包的包头里，保存有该包的信息。包头格式如表1:

 

　　读完这个包头，我们就能知道本包的接收状态，包长度，以及下一个包的位置。在接收循环中，检查中断状态寄存器ISR状态，发现有新包来，先读取包头信息，接着按照包头指示读取全包，然后改写BNRY,再接着读下一个包，这样循环，直到达到CURR位置。注意，一个包有可能占据接收缓冲区的首、尾页面，此时须小心读取。

　　发送数据包比较简单，将准备好的数据用DMA传到发送缓冲区，然后设置发送长度到TBCR1和TBCR0中，再设置传输开始页面，即令TPSR=0x40,最后，使CR=0x26,就开始传送了。

　　传送完成后要清掉中断状态寄存器ISR的发送完成标志。值得注意的是，发送包的包长度不能小于以太网规定的60byte,否则网卡不会将其发出。

　　3　TCP/IP协议在单片机上的软件设计

　　3.1　TCPIP协议栈和链路层格式

　　Internet上使用的是TCP/IP协议簇，由下至上包含四层：数据链路层、网络层（IP）、传输层（TCP）和应用层。我们在单片机上能实现的是数据链路层的功能，上层协议鉴于单片机有限的资源，只能实现部分功能。TCP/IP协议栈如表2:

 

　　数据链路层处于协议栈的最低层，传输以太网的物理传输帧，其帧格式如表3：

 

　　数据链路层是所有TCP/IP包的基础，所有它上层的包都被封装到链路层帧的数据段中。链路层就是MAC对MAC的通信。

　　3.2　PING命令在单片机上的实现

　　PING是网络层（IP层）的命令，网络层就是IP对IP之间的通信。主机对一个目标IP地址发出状态请求，后者发出回应，这样，就可以用来检查两者之间的线路是否畅通。这里涉及到两个网络层协议：

　　ARP和ICMP。首先，网络中要知道目标IP的MAC地址，才能发送数据。为了获取该地址，我们向整个网络发送一个ARP广播包，询问该IP对应的MAC地址，然后目标IP应答，我们就从应答信息中得到MAC地址。其次，发送一个ICMP包，请求目标IP状态，目标IP回应，就完成网络连接测试。在我们的实验中，发出PING命令的是网络中的PC主机，接收信号并产生响应的是我们的单片机系统。我们假定单片机系统控制的网卡的IP为192.168.0.176。

　　第一步，实现ARP协议。ARP协议是"AddressResolutionProtocol"（地址解析协议）的缩写，它的作用是将IP地址转换成物理地址（就是常说的MAC地址）。协议ARP的分组格式如表4:

 

　　当单片机主处理器处理网卡收到的ARP广播请求时，如果发现是请求“192.168.0.176”的MAC地址，于是按要求打一个ARP应答包，将自己的MAC地址放到应答包中，发送回网络就完成了PING的第一步。注意，要在应答包尾加18byte的补丁，否则应答包长度不满足最小60byte的要求。

　　第二步，实现ICMP协议。ICMP是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息协议）的缩写。用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。

　　ICMP是封装在IP协议中，所以有IP包头。

　　ICMP协议结构如表5：

 

　　网络主机在收到ARP的应答包后，取出其中的MAC地址，然后向该MAC发出ICMP请求。主处理器处理该请求时，将请求包的标识和序列号对应填入ICMP应答包，其它部分按要求填写。校验和的计算有成熟的公式，容易计算，只要先把校验和部分置0,将包头的计算结果再填入校验和就可以了。

　　最后将该ICMP应答包送入网络，这样就完成了PING的全过程。此时，发出PING命令的网络主机就会得到“Replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msTTL=128”的信息。

　　4　串行数据与网络的数据交换的讨论

　　网络层之上，有两种传输层协议：TCP（Trans2missionControlProtocol）和UDP（UserDatagramProtocol）。对于数据传输要求高的场合，需要使用TCP协议作为双方通信方式，但此种方式较为复杂。而对于一些实时信号及其反向控制信号的传递，实现UDP协议就可以满足要求了。表6是UDP协议结构：

 

　　当原始数据从串口送到到主处理器后，主处理器将其打包成UDP报文，发送到网络中。网络端监控主机接收并处理该UDP报文，然后将控制信息同样以UDP报文发出。主处理器把网络控制信号返回给串口。这样，我们在Internet中就可以方便地完成对现场串口数据源的监视和控制过程。

　　5　结语

　　因为单片机对于各种电器设备有良好的接入和控制能力，所以，我们实现了单片机的网络接入功能后，就在电器的硬件设备和网络之间建起了一道桥梁。通过它，可以实现对各种实时信号、仪器仪表、家用设施等目标的远程监视，在宏观上对各种设备统一管理，实现人与系统的和谐的交互。这必将大大提高工作效率，改善工作环境，提升人们的生产、生活水平。