单片机实现串口协议的网络化

2011-08-25 21:21:57来源: 维库
      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。

 

 本文深入研究了使用单片机控制网卡,接入以太网Ethernet,即IEEE802.3协议网络,实现串口仪器的网络化。

  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。

关键字:单片机

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0825/article_8190.html
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