基于以16位單片機實現(xiàn)信息家電連接internet的解決方案

　摘要：在分析傳統(tǒng)信息家電接入internet方式的基礎上，提出了以16位單片機作為主控芯片的嵌入式設備解決方案，實現(xiàn)了信息家電以新的方式接入internet,并對系統(tǒng)的軟硬件設計進行了描述。

　　0   引言

　　隨著網(wǎng)絡時代的到來，internet已成為重要的基礎信息設施，這方面的技術進步對于社會的各個方面產(chǎn)生了積極影響，很多領域都在不斷探索開發(fā)和利用網(wǎng)絡資源。從目前的情況看，大部分接入方式仍以PC作為網(wǎng)關來連接，然而這種情況一般用于大型工業(yè)集散控制系統(tǒng)，如果用于一般的信息家電接入而額外增加一臺，必然會給產(chǎn)品帶來高昂的成本，從產(chǎn)品的經(jīng)濟實用方面來看并不切實可行。用嵌入式設備將信息家電接入的方式則很好地解決了這一問題。所謂嵌入式設備一般是由嵌入式微處理器、外圍設備、特定的網(wǎng)絡協(xié)議以及應用程序等各部分組成，用于實現(xiàn)對信息家電的遠程控制、監(jiān)視和管理功能，它代替了傳統(tǒng)的PC機或網(wǎng)關設備，在數(shù)據(jù)量不大的情況下能夠符合要求，具有可靠靈活、成本低等優(yōu)點。

　　1   方案的提出

　　從信息家電遠程在線訪問的角度考慮，對信息家電監(jiān)測和控制時存在兩種情況：（1）遠程訪問時，信息家電的通信數(shù)據(jù)量不大，56Kbps的通信速率即可滿足要求；（2）信息家電對實時性的要求不高，其時延可以在1秒以上。基于以上兩個條件在選擇嵌入式設備時，選擇了單片機SPCE061A作為信息家電接入internet的微處理器，同時采用RTL8019AS作為以太幀的驅動芯片，負責以太幀的接收和發(fā)送。最后，通過RJ45接口發(fā)送狀態(tài)信息到internet和接收來自internet的控制數(shù)據(jù).此外,要實現(xiàn)信息家電接入internet還需要深入了解TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)卡驅動程序。

　　2    RTL8019AS以太網(wǎng)控制器簡介

　　由臺灣REALTEK公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，由于其優(yōu)良的性能、低廉的價格，使其在市場上10Mbps網(wǎng)卡中占有相當?shù)谋壤?/p>

　　2．1主要性能

　　(1)符合Ethernet II與IEEE802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)標準；

　　(2)全雙工，收發(fā)可同時達到10Mbps的速率；

　　(3)內置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；

　　(4)支持8／16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16個I／0基地址選擇；

　　(5)支持UTP、AUI、BNC自動檢測，還支持對10BaseT拓撲結構的自動極性修正；

　　(6)允許4個診斷LED引腳可編程輸出；

　　(7)100腳的TQFP封裝，縮小了PCB尺寸。

　　RTL8019AS內部可分為遠程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介質訪問控制)邏輯、數(shù)據(jù)編碼解碼邏輯和其他端口。其內部結構如圖1所示。

　　ISA總線接口即遠程DMA接口，是指主機對RTL8019AS進行控制和操作的總線，本地DMA接口是指RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道，作用是完成控制器和網(wǎng)絡線的數(shù)據(jù)交換。PNP（即插即用）邏輯部分主要是用來解決和PC機的連接問題，BootROM端口作用是解決遠程啟動問題；EEPROM端口是用來操作RTL8019AS和EEPROM芯片24C64的接口,SRAM用來存放接收和要發(fā)送的數(shù)據(jù)；MAC邏輯完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程中的一些控制；當主機要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將一幀數(shù)據(jù)經(jīng)過遠程DMA信道送到以太網(wǎng)絡控制器中的發(fā)送緩存內存中，然后發(fā)出傳送命令，以太網(wǎng)絡控制器在送出前一幀的數(shù)據(jù)后繼而完成此幀的發(fā)送；接收數(shù)據(jù)時，串行數(shù)據(jù)組成字節(jié)送到FIFO和CRC，發(fā)送邏輯將FIFO送來的字節(jié)在發(fā)送時脈的控制下逐步按位移出并送到CRC，CRC邏輯在接收時對輸入的數(shù)據(jù)進行CRC校驗，將結果與幀尾的CRC比較，如不同該幀數(shù)據(jù)將被拒收，如相同則送到接收緩沖區(qū)中。等到接收緩沖區(qū)收滿一幀后以中斷或緩存器標志的方式通知主處理器把數(shù)據(jù)讀走。

　　2．2 RTL8019AS的 I/O地址分配

　　以太網(wǎng)絡控制器內建的16KB的SRAM，可劃分為接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)兩個部分，緩沖區(qū)以幀為單位，每頁256個字節(jié)，16KB的SRAM的頁范圍規(guī)定在0x40—0x80，由PSTART和PSTOP寄存器來設定接收緩沖頁的范圍,CURR指向接收到的幀的起始頁,BNRY指向還未讀取的幀之起始頁亦即下一幀的頁地址，當CURR到達了接收緩沖頁的底部即與PSTOP相等時CURR又會自動指到PSTART處，因此這16KB的SRAM是設計成環(huán)狀緩沖區(qū)的，以達到可再使用的目的。

　　3   硬件描述

　　整個系統(tǒng)的設計核心是臺灣凌陽科技股份有限公司推出的具有總線結構的16位高性能CMOS微處理器,可以進行高速運算、靈活的I/O口控制和高效的數(shù)據(jù)操作。SPCE061A具有2K字的SRAM和32K字的閃存ROM.與現(xiàn)有的8位微處理器相比，其提供了速度較高的16位x16位乘法運算指令Mul和內積運算指令Muls,加上優(yōu)化的指令集，SPCE061A的吞吐量大為提高，這使得精簡的指令集能夠在其中可靠運行。系統(tǒng)硬件電路組成框圖如圖2所示。

　　該硬件結構主要包括兩部分：1.反映信息家電工作狀態(tài)的信息采集2.數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/IP協(xié)議壓縮后，通過以太網(wǎng)控制芯片輸出到internet,或接收來自internet的控制數(shù)據(jù)并進行解包。該系統(tǒng)基于IEEE1451.2和TCP/IP協(xié)議構建，具有標準化的網(wǎng)絡接口，允許與Internet或Ethernet網(wǎng)絡進行即時連接，從而實現(xiàn)了家電設備和外部網(wǎng)絡的直接通訊，解決了監(jiān)控設備和通訊網(wǎng)絡的接口問題，為實現(xiàn)基于WEB的遠程監(jiān)控提供了底層的硬件互聯(lián)。

　　4  單片機控制以太網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)傳輸

　　單片機接入以太網(wǎng)必須嵌入TCP/IP協(xié)議，其加載TCP/IP協(xié)議控制以太網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)傳輸，并通過TCP/IP協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)的基本思路是：在遠程控制端進行的操作首先通過路由器尋找到目標，再通過網(wǎng)卡的ISA接口傳入單片機。在單片機中加載的驅動程序將之轉換成物理幀格式，最后由TCP/IP協(xié)議將之轉換為應用層控制命令。因為單片機內部資源有限，要完成上網(wǎng)任務必須精簡TCP/IP協(xié)議，本系統(tǒng)中使用了ARP、RARP、IP、UDP等部分協(xié)議，即可保證單片機接入以太網(wǎng)，亦保證足夠小的代碼量。單片機主要完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的解包和串口數(shù)據(jù)的打包，當以太網(wǎng)有數(shù)據(jù)到達該設備，單片機采用查詢方式讀取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)并分析，如果是ARP(物理地址解析協(xié)議)數(shù)據(jù)包，則轉入ARP處理程序，并發(fā)送RARP數(shù)據(jù)包，將IP地址和物理地址加入到局域網(wǎng)中建立映射。如果是UDP數(shù)據(jù)包且IP地址和端口號正確，則接收數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過串口輸出，控制現(xiàn)場設備。反之，如果現(xiàn)場設備通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機，單片機將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包，送入RTL8019AS，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。根據(jù)需要還可以在收到串口數(shù)據(jù)時，先完成數(shù)據(jù)預處理，再將處理好的數(shù)據(jù)送到局域網(wǎng)。

　　5軟件實現(xiàn)部分

　　軟件設計主要包括：以太網(wǎng)控制器初始化程序、驅動程序、TCP/IP協(xié)議棧程序、系統(tǒng)網(wǎng)絡配置程序。以太網(wǎng)控制器驅動程序用于設置以太控制芯片的工作狀態(tài)即工作方式，分配收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；系統(tǒng)網(wǎng)絡配置程序用于給監(jiān)測系統(tǒng)分配IP地址及域名。限于篇幅，下面僅給出了采用匯編語言編寫的RTL8019AS初始化的部分代碼。

　　.include  hardware.inc;//配置單元定義

　　.public  _init      //RTL8019AS初始化子程序

　　_init:

　　R1=0xffff；         //初始化A口為輸出

　　[P_IOA_Attrib]=R1；

　　[P_IOA_Dir]=R1；

　　R1=0xfc07； //將IOB0~IOB2,IOB10~IOB15設置為輸出，其他為輸入

　　[P_IOB_Attrib]=R1；

　　[P_IOB_Dir]=R1；

　　R1=0x0001；//選中00H寄存器

　　[P_IOB_Data]=R1；

　　R1=0x0021;  //選擇寄存器頁面0，芯片不工作

　　[P_IOA_Data]=R1；

　　[P_IOB_Data]=R1；

　　R1=0x004c；//設置接收緩沖區(qū)，頁地址為0x4c~0x7f

　　[P_IOA_Data]=R1；

　　R1=0x0001；//選中02H寄存器

　　[P_IOB_Data]=R1；

　　R1=0x0080；

　　[P_IOA_Data]=R1；

　　...

　　R1=0x0801；  //選中01H寄存器

　　R1=0x0001；  //選中00H寄存器

　　[P_IOB_Data]=R1；

　　R1=0x0061；  //選擇寄存器頁面1

　　[P_IOA_Data]=R1；

　　...

　　R1=0x0001；

　　[P_IOB_Data]=R1；

　　R1=0x0022； //選擇寄存器頁面0，芯片進入工作狀態(tài)

　　[P_IOA_Data]=R1；

　　retf;      // 程序返回

　　6 結束語

　　利用16位單片機SPCE061A驅動以太控制芯片RTL8019AS，實現(xiàn)信息家電經(jīng)由嵌入式網(wǎng)關接入internet的方式，可以方便、低廉地將信息家電的工作狀態(tài)送往遠程PC進行監(jiān)控。這種低成本、高性能的方案，具有可靠靈活的特點，適用于通信速率不大，允許延時的家庭自動化設備。用戶可根據(jù)需要，按上述方法，為傳統(tǒng)的家電賦予接入internet的能力。