基于Internet的嵌入式網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表硬件設(shè)計(jì)

摘要： 本文闡述了以單片機(jī)和以太網(wǎng)控制芯片為核心的嵌入式網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組成網(wǎng)絡(luò)嵌入式虛擬儀表，將處于不同地域的多個(gè)儀表組成一個(gè)統(tǒng)一的整體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理，可大大提高儀表系統(tǒng)的功能。遠(yuǎn)程虛擬儀表提出了一種全新的網(wǎng)絡(luò)儀表技術(shù)和方法，把Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、以及虛擬儀表技術(shù)結(jié)合起來，項(xiàng)目的研究以電網(wǎng)電量測(cè)量和分析的實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)。

從實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表功能模塊化角度考慮，把網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表分為虛擬儀表主機(jī)和嵌入式網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表終端兩部分，本文主要討論應(yīng)用AT89C52單片機(jī)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制芯片RTL8019AS和測(cè)量、信號(hào)轉(zhuǎn)換、鍵盤/顯示等部件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和測(cè)量的嵌入式網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表終端的硬件設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由單片機(jī)、通信協(xié)議控制模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、存儲(chǔ)擴(kuò)展模塊、串行A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊、以及接口擴(kuò)展模塊構(gòu)成。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通信協(xié)議控制電路

圖1 系統(tǒng)總體框圖

通信協(xié)議控制電路由網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS、串行EEPROM 93LC66、帶濾波的RJ45接口組成(見圖2)。

圖2 通信協(xié)議控制電路

RTL8019AS主要實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議控制，內(nèi)部有遠(yuǎn)程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介質(zhì)訪問控制)邏輯、數(shù)據(jù)編解碼邏輯和其他端口。遠(yuǎn)程DMA接口是指單片機(jī)對(duì)RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫的總線，單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對(duì)遠(yuǎn)程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。

MAC邏輯完成以下功能：當(dāng)單片機(jī)向網(wǎng)上發(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，當(dāng)RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后，再開始此幀的發(fā)送；RTL819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。FIFO邏輯對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖，以減少對(duì)本地DMA請(qǐng)求的頻率。

RTL8019AS內(nèi)部有兩塊RAM區(qū)。一塊16K字節(jié)，地址為0x4000～0x7fff；一塊32字節(jié)，地址為0x0000～0x001f。RAM按頁(yè)存儲(chǔ)，每256字節(jié)為一頁(yè)。一般將RAM的前12頁(yè)(即0x4000～0x4bff)存儲(chǔ)區(qū)作為發(fā)送緩沖區(qū)；后52頁(yè)(即0x4c00～0x7fff)存儲(chǔ)區(qū)作為接收緩沖區(qū)。要接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包就必須通過DMA讀寫RTL8019AS內(nèi)部的16KB RAM。它實(shí)際上是雙端口的RAM，是指有兩套總線連接到該RAM，一套總線RTL8019AS讀或?qū)懺揜AM，即本地DMA；另一套總線是單片機(jī)讀或?qū)懺揜AM，即遠(yuǎn)程DMA。

89C52通過P2.7、/WR、/RD來劃分RTL8019AS和62256的地址空間。P2.7接62256的/CE引腳，低電平時(shí)選擇62256；高電平時(shí)選擇RTL8019AS的地址空間。

RTL8019AS初始化配置采用Serial EEPROM器件 93LC66A實(shí)現(xiàn)，用來設(shè)置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太網(wǎng)物理地址。RTL8019AS通過引腳EECS、EESK、EEDI控制93LC66A的CS、SK、DI引腳，通過EEDO接收93LC66A的DO引腳的狀態(tài)。RTL8019AS復(fù)位后讀取93LC66A的內(nèi)容并設(shè)置內(nèi)部寄存器的值，如果93LC66A中內(nèi)容不正確，RTL8019AS就無法正常工作。

RTL8019AS和網(wǎng)絡(luò)連接電路，采用10BASE-T布線標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，而RTL8019AS內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器，所以網(wǎng)絡(luò)接口的電路比較簡(jiǎn)單。和Internet的連接采用了集成了濾波器的RJ45接口(RJ_10102)，TPIN±為接收線，TPOUT±為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分別與RJ-45接口的RX±、TX±端相連，通過RJ45接入以太網(wǎng)。

89C52的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

89C52內(nèi)部有256字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。但是，當(dāng)單片機(jī)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集或處理大批量數(shù)據(jù)時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的RAM是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，為單片機(jī)擴(kuò)展了一片SRAM芯片62256使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量達(dá)到32K字節(jié)。

按圖2的連線，片選端直接與P2.7相連，當(dāng)P2.7為“0”時(shí)選中62256，當(dāng)P2.7為“1”時(shí)則選中RTL8019AS內(nèi)部的地址空間，單片機(jī)的尋址8000H-801FH對(duì)應(yīng)RTL8019AS的300H-31FH空間。

鍵盤、顯示控制電路

鍵盤電路為矩陣式鍵盤掃描，鍵盤矩陣分為4行3列。在4×3的12個(gè)鍵盤的使用中，有10個(gè)鍵定義了雙鍵或三鍵功能，從而可以實(shí)現(xiàn)28種操作功能，使現(xiàn)場(chǎng)儀表的操作能力大大加強(qiáng)。

液晶采用北京青云創(chuàng)新科技公司生產(chǎn)的LCM103顯示模塊，這是10位8段液晶顯示模塊，顯示控制電路如圖3所示，單片機(jī)通過控制液晶顯示模塊的/CS、/WR、DATA信號(hào)就可達(dá)到好的顯示效果。

圖3 液晶顯示電路

A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路

作為測(cè)量?jī)x器儀表的基本功能，擴(kuò)展了對(duì)外的A/D和 D/A電路，A/D采用MAXIM公司的單5V電源供電、低功耗、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX187、D/A采用MAXIM公司的單5V電源供電、低功耗、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX539,A/D、D/A的接口電路如圖4所示。
 

圖4  A/D、D/A與單片機(jī)的接口電路

由于D/A和A/D電路體積小、功耗低，分辨率也能滿足一定的要求，特別適合網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端。A/D轉(zhuǎn)換用于對(duì)經(jīng)分壓后的外部交直流電壓信號(hào)進(jìn)行幅度和頻率測(cè)量。D/A轉(zhuǎn)換用來產(chǎn)生模擬信號(hào)的輸出，以適應(yīng)一些應(yīng)用的需要。

結(jié)語(yǔ)

基于Internet的網(wǎng)絡(luò)虛擬儀表系統(tǒng)把Internet技術(shù)、電量測(cè)量技術(shù)、虛擬儀表技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)等相結(jié)合，利用Internet直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬儀表的測(cè)量及控制，將從嵌入式終端采集來的電量數(shù)據(jù)，通過虛擬儀表主機(jī)的控制軟件對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、處理、圖形或數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)管理，并將分析后的結(jié)果回傳給終端。不同于傳統(tǒng)的RS-232串行通信的上、下位機(jī)方式和局域網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線方式，利用現(xiàn)有的Internet能實(shí)現(xiàn)千里之外的信號(hào)測(cè)量及控制，具有完全儀表化操作界面，實(shí)踐證明，Internet的遠(yuǎn)程虛擬儀表是完全可行的。