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[導讀]隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及,各種家電設備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設備在逐步地走向網(wǎng)絡化,以實現(xiàn)分布式遠程監(jiān)控、信息交換與共享。目 前廣泛使用的以太網(wǎng)以及TCP/IP 協(xié)議已經(jīng)成為最常用的網(wǎng)絡標準之一

隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及,各種家電設備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設備在逐步地走向網(wǎng)絡化,以實現(xiàn)分布式遠程監(jiān)控、信息交換與共享。目 前廣泛使用的以太網(wǎng)以及TCP/IP 協(xié)議已經(jīng)成為最常用的網(wǎng)絡標準之一,其高速、可靠、分層以及可擴充性使其在各個領域的應用越來越靈活,很多情況下采用以太網(wǎng)和TCP/IP,能夠簡化結構 和降低成本。

目前大多數(shù)智能設備和儀表都是采用RS232/485 或USB通訊方式,不具備遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸能力。 利用以太網(wǎng)實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)遠程控制, 通過互聯(lián)網(wǎng)共享小型嵌入式設備的信息,是工業(yè)控制研究的發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)采用高速單片機ATmega64RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器,用嵌入式TCP/IP 協(xié)議可以實現(xiàn)TCP和UDP等網(wǎng)絡功能,進一步實現(xiàn)HTTP協(xié)議服務,實現(xiàn)Web Sever 及接入Internet 的功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示, ATmega64是基于增強的AVR RISC 結構的低功耗8位CMOS微控制器。內(nèi)帶64KB的Flash、2KB的E2PROM、4KB的SRAM。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時 間,ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz,從而可以滿足系統(tǒng)在功耗和處理速度方面的要求。

RTL8019AS 是一種高度集成的10MB以太網(wǎng)控制器,與NE2000兼容, 支持8位、16位數(shù)據(jù)總線;內(nèi)置16KB SRAM緩存;可連接同軸電纜和雙絞線,并可自動檢測所連接的介質(zhì)。以太網(wǎng)隔離濾波器選用20F00IN。

RTL8019AS 與主處理器的接口方式有三種:跳線方式、PNP(即插即用)方式和免跳線方式。RTL8019AS 的第65 腳JP 決定網(wǎng)卡的工作方式,本設計中JP腳接高電平(VCC),即使用跳線方式,此時可以省掉外部E2PROM 93C46芯片。單片機通過I/O 模式訪問以太網(wǎng)控制器。RTL8019AS 必須工作在8位模式下,其引腳IOCS16B經(jīng)電阻接地。電路框圖如圖2所示。

RTL8019AS本身具有地址譯碼功能,所有的控制功能或數(shù)據(jù)傳輸都是通過訪問地址偏移為00H~1FH的寄存器完成的,所以只需要5條地址 線(SA4~SA0)。在跳線方式下RTL8019AS的I/O 地址由引腳 IOS3~IOS0決定,將IOS3~IOS0對應引腳全部接低電平,這時RTL8019AS的I/O 基地址為300H,因此可以用SA8 和SA9進行片選接至單片機的PC7。當PC7引腳置高電平時選中RTL8019AS ,當PC7引腳置低電平時選中外部RAM,而將片選信號AEN接地,這種片選方式可以節(jié)省一個反向器。AUI 用來檢測在AUI接口外部MAU 的使用情況。當該引腳未用時,應該接地。

介質(zhì)的選擇由引腳PL1和PL0決定,RTL8019AS 還具有自動測試介質(zhì)連接是否成功的功能。無屏蔽雙絞線(UTP)電纜是目前使用最為普遍的電信介質(zhì)類型。為了更方便地將嵌入式以太網(wǎng)模塊接入到局域網(wǎng)中, 本設計采用RTL8019AS 與雙絞線連接的接口電路,即將PL0、PL1 接地。

2 以太網(wǎng)控制器的工作過程

以太網(wǎng)控制器的 RAM 以 256 字節(jié)為一頁,是按頁存儲的結構,16位RAM地址的高 8位又叫頁碼。以太網(wǎng)控制器的16KB RAM的地址從0x4000~0x7FFF,即從頁0x40 到頁0x7F,共有64 頁用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。這64頁RAM是一塊雙端口RAM。所謂雙端口就是說有兩套總線連接到該RAM,總線A 用于以太網(wǎng)控制器讀/寫片上RAM,總線B 用于單片機讀/寫以太網(wǎng)控制器上的 RAM??偩€A又叫Local DMA,總線B 又叫 Remote DMA。

2.1 數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程

(1) 封裝數(shù)據(jù)包:數(shù)據(jù)包在發(fā)送前,單片機將其按如圖3所示的以太網(wǎng)幀格式封裝好,并存放在外部SRAM。

(2)通過遠程DMA將數(shù)據(jù)包寫入到 RLT8019AS 的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū), 數(shù)據(jù)的目的緩沖區(qū)首地址和字節(jié)數(shù)由內(nèi)部寄存器RSCR0、1設定。

(3) 通過RTL8019AS的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO 緩沖器進行發(fā)送。

2.2 數(shù)據(jù)包的接收過程

(1)本地 DMA 將需要接收的數(shù)據(jù)包存入到接收緩沖環(huán)中。

(2)由遠程 DMA 將接收緩沖環(huán)中的數(shù)據(jù)包寫入到外部 SRAM 中。

如果以太網(wǎng)控制器運行正常,接收到數(shù)據(jù)包時自動啟動本地 DMA 將數(shù)據(jù)存入接收緩沖環(huán)中,也就是說第一步是由 RTL8019AS 自動完成的。但是,接收緩沖環(huán)的范圍需要設置,PSTART、PSTOP 分別用于設置接收緩沖環(huán)的起始頁和發(fā)送頁,設置了接收緩沖環(huán)之后,接收到的第一個數(shù)據(jù)包放置的位置由當前頁面寄存器CURR 決定。

3 服務器端工作過程

圖4 所示為本系統(tǒng) TCP/IP 各層協(xié)議,鏈路層協(xié)議由單片機控制RTL8019AS 實現(xiàn),而其他協(xié)議由單片機內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)。

服務器接收數(shù)據(jù)時,以太網(wǎng)驅(qū)動程序負責接收數(shù)據(jù),由以太網(wǎng)控制器中斷處理程序喚醒數(shù)據(jù)接收任務,由數(shù)據(jù)接收任務將接收到的數(shù)據(jù)幀交給網(wǎng)絡接口 層,網(wǎng)絡接口層取出幀頭,判斷接收數(shù)據(jù)的類型,如果是ARP 報文,則將ARP 報文交給ARP 協(xié)議模塊處理;如果是IP 數(shù)據(jù)包,則將IP數(shù)據(jù)包交給IP 協(xié)議模塊處理,IP協(xié)議模塊取出IP 首部信息,然后根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型,將報文交給相應的協(xié)議模塊(UDP 模塊、TCP 模塊或ICMP 模塊)處理,UDP 模塊或TCP 模塊收到報文后,取出首部進行處理,并將用戶數(shù)據(jù)交給應用程序。

服務器發(fā)送數(shù)據(jù)時,將用戶數(shù)據(jù)交給UDP協(xié)議模塊或TCP 協(xié)議模塊處理,UDP協(xié)議模塊或TCP協(xié)議模塊將其首部和數(shù)據(jù)封裝成UDP數(shù)據(jù)包或TCP數(shù)據(jù)包,然后將封裝好的數(shù)據(jù)包交給IP協(xié)議模塊,IP模塊在上層 交給的數(shù)據(jù)包上添加IP首部,并封裝成IP數(shù)據(jù)包,然后為 IP 數(shù)據(jù)包尋找路由,如果找不到相應路由,則向ICMP 協(xié)議發(fā)送出錯報文,由ICMP 協(xié)議模塊進行處理,在找到了合適的路由后,如果是以太網(wǎng)方式,則將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡接口層,利用ARP協(xié)議找到目的IP對應的物理地址,然后封裝成以太網(wǎng) 幀,由網(wǎng)卡驅(qū)動程序?qū)⒁蕴W(wǎng)幀發(fā)送出去。

4 利用HTTP協(xié)議實現(xiàn)Web接收與發(fā)送控制數(shù)據(jù)

在單片機系統(tǒng)中實現(xiàn)HTTP 協(xié)議服務端的功能,就可以為其他的客戶機提供超文本信息,客戶端只需要使用統(tǒng)一的瀏覽器就可以與服務器進行信息交換。

超文本傳輸協(xié)議(HTTP)是目前通過Internet進行信息交換最主要的方式。在Internet上HTTP 通訊經(jīng)常發(fā)生在 TCP/IP 連接之上。其缺省端口是TCP 協(xié)議的80 端口,當然,其他的端口也是可以使用的。HTTP 協(xié)議是建立在請求/響應(request/response) 模型上的。首先由客戶建立一條與服務器的TCP鏈接,并發(fā)送一個請求到服務器,請求中包含請求方法、URI、協(xié)議版本以及相關的 MIME(Multipurpose Internet Mail Extensions) 樣式的消息。服務器響應一個狀態(tài)行,包含消息的協(xié)議版本、一個成功或失敗碼以及相關的MIME 式樣的消息(包含服務器的信息、資源實體的信息和可能的資源內(nèi)容)。

單片機服務器除了包括HTML 文件以外,還有一個HTTP 駐留程序,用于響應計算機端的控制請求。用HTML 文件編寫的網(wǎng)絡界面,可以通過瀏覽器訪問并利用相應的按扭向服務器發(fā)送HTTP 請求,此請求被送往由IP地址指定的URL。駐留程序接收到請求,在進行必要的操作后回送所要求的文件。在這一過程中,在網(wǎng)絡上發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)已經(jīng)被分 成一個或多個數(shù)據(jù)包(packet),每個數(shù)據(jù)包包括:要傳送的數(shù)據(jù);控制信息,即告訴網(wǎng)絡怎樣處理數(shù)據(jù)包。TCP/IP決定了每個數(shù)據(jù)包的格式。

圖5 是通過Web 瀏覽器看到的網(wǎng)絡控制界面,必需將客戶計算機與服務器系統(tǒng)的IP地址設置在一個段內(nèi)。如本系統(tǒng)服務器IP地址設為192.168.0.10,客戶機IP地址設為192.168.0.11,默認網(wǎng)關均為255.255.255.0。

(1) 發(fā)送控制數(shù)據(jù)過程:①通過瀏覽器向服務器系統(tǒng)(單片機)發(fā)送HTTP 請求;②服務器系統(tǒng)通過HTTP服務程序查看網(wǎng)頁程序中表單內(nèi)輸入變量的變化;③取出變量值,調(diào)用串口程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)出。

(2)接收采集數(shù)據(jù)過程:①系統(tǒng)HTTP 協(xié)議程序的http_serve 中調(diào)用串口程序接收串口數(shù)據(jù),并用此數(shù)據(jù)取代其內(nèi)部網(wǎng)頁中的表格內(nèi)“NO DATA”標記;②服務器系統(tǒng)把Web頁面?zhèn)魉徒o用戶界面的瀏覽器。

用低成本的AVR單片機和以太網(wǎng)控制器,配合適當?shù)木W(wǎng)絡協(xié)議,實現(xiàn)了通過網(wǎng)絡對RS232接口設備的數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)控制。如對其進行適當?shù)母淖兣c擴展,便可以用于其他接口的儀器儀表,并應用于更廣泛的領域。由于系統(tǒng)的控制器使用的是單片機,限于其內(nèi)部資源,所以網(wǎng)頁文件不能過大。

參考文獻

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