用8位單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串口-以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器

單片機(jī)或微控制器(MCU)（也稱為嵌入式系統(tǒng)）已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前絕大多數(shù)系統(tǒng)都是以MCU為核心，與一些監(jiān)測、伺服、指示設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。以太網(wǎng)是當(dāng)今最受歡迎的局域網(wǎng)之一，現(xiàn)已成為社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施之一, 是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個(gè)地方。

?????? 將嵌入式系統(tǒng)與Internet相連的主要困難在于：Internet上面的各種通信協(xié)議對于存儲(chǔ)器、運(yùn)算速度等的要求比較高，而嵌入式系統(tǒng)中除部分32位處理器以外，大量存在的是8位和16位MCU，支持TCP/IP等Internet協(xié)議將占用大量系統(tǒng)資源，從而影響本來的功能或根本不可能實(shí)現(xiàn)。

?????? 本文根據(jù)所做項(xiàng)目需要,用8031單片機(jī)和RTL8019AS網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)了RS485串口設(shè)備數(shù)據(jù)文件通過以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端計(jì)算機(jī)的功能。?

?? 1? 串行通訊

?????? 串行通訊在通訊領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口已成為計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)外設(shè)、交換機(jī)和許多通訊設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。在我國工業(yè)總線的應(yīng)用中，RS-485、RS-422使用最為普遍。

?????? 在串行接口連接中，按連接方式可分為面向連接和無連接。無連接原理比較簡單，通訊雙方無握手過程。一方如有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則立即通過串行接口發(fā)送出去，另一方被動(dòng)接受。該方式能夠達(dá)到較高的通訊速率，但不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕挥糜谝恍?shù)據(jù)可靠性要求不高的場合，如語音、圖像等。而面向通訊過程則不同，在甲方有數(shù)據(jù)發(fā)送請求時(shí)，則向乙方發(fā)送“請求發(fā)送數(shù)據(jù)”命令。乙方收到后，如準(zhǔn)備就緒，則回送確認(rèn)信息。甲方得到乙方的確認(rèn)后方可發(fā)送數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下，乙方要對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確發(fā)送“通訊終止”命令，否則可發(fā)送“重發(fā)”命令。面向連接的串行通訊過程實(shí)踐起來通常要復(fù)雜得多，通常用于數(shù)據(jù)文件的傳輸。

?????? 2? 以太網(wǎng)的物理傳輸幀

?????? 標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3幀結(jié)構(gòu)有七部分組成，如表1所示。其中除了數(shù)據(jù)域的長度不固定外，其他的長度都是固定不變的。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，幀頭、起始位和校驗(yàn)位都是網(wǎng)卡自動(dòng)添加的；在接收數(shù)據(jù)時(shí)，幀頭和起始位將被網(wǎng)卡自動(dòng)跳過，即網(wǎng)卡一旦檢測到有效幀頭和幀起始位,就認(rèn)為有效數(shù)據(jù)開始,并將有效數(shù)據(jù)存入接收緩沖環(huán)。

?3? 以太網(wǎng)卡

?????? RTL8019AS網(wǎng)卡是8/16位ISA總線的網(wǎng)卡，遵循的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議為IEEE802.3。按功能可將其劃分為接收功能模塊、CRC產(chǎn)生模塊、發(fā)送功能模塊、地址識別模塊、FIFO控制模塊、協(xié)議邏輯陣列模塊以及DMA和緩沖控制模塊等部分。對網(wǎng)卡進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)任意站點(diǎn)之間的通信而不需要網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的支持。

?????? 熟悉網(wǎng)卡接口電路是實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)卡編程的首要條件。網(wǎng)卡接口電路可分為兩部分，一是與計(jì)算機(jī)ISA總線相連，包括數(shù)據(jù)總線讀寫、地址總線驅(qū)動(dòng)、中斷控制信號的產(chǎn)生、存儲(chǔ)器讀寫信號以及I/O端口讀寫信號的引入等；二是對網(wǎng)卡內(nèi)部的操作，包括對緩沖RAM的讀寫、對RTL8019AS的控制、讀站地址PROM以及讀自舉ROM等。ISA總線共有98個(gè)信號，但通過對網(wǎng)卡工作原理的分析，我們可以將接口信號線減至最少。表2是驅(qū)動(dòng)RTL8019AS網(wǎng)卡所需的最少的信號線。

?4? 硬件框圖

?????? 系統(tǒng)采用8031作為CPU主芯片，使用32K字節(jié)的外部存儲(chǔ)器62256來存放以太網(wǎng)包（最大可以有1500字節(jié)）和串行數(shù)據(jù)， 8K字節(jié)的2764存放程序，用75176與485總線通訊。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與地址總線分別與網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)與地址總線相連。硬件框圖如圖1所示。

5? 軟件設(shè)計(jì)

?????? 對網(wǎng)卡的編程就是對網(wǎng)絡(luò)接口控制器（NIC）RTL8019AS中各種寄存器進(jìn)行編程控制，從而完成數(shù)據(jù)分組的正確發(fā)送和接收。所有程序采用Franclin C51語言編制，具有可讀性強(qiáng)，移植性好，開發(fā)周期短的特點(diǎn)。即使在代碼的使用效率上，也完全可以和匯編語言相比。

?????? 5.1? 主程序

?????? 主程序可分為網(wǎng)絡(luò)通訊和串行通訊兩部分。網(wǎng)絡(luò)通訊過程又可分為網(wǎng)卡初始化、發(fā)送控制和接收控制等三部分。主程序框圖如圖2所示。

5.2 ?網(wǎng)卡初始化過程

?????? 對網(wǎng)卡的初始化就是對相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化。這些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、PSTOP、

ISR、IMR、PAR0-PAR5、MAR0-MAR5、CURR、TCR和RCR等。初始化過程如下：

?????? （1）CR=0x21：選擇頁0寄存器，將NIC處于離線狀態(tài)；

?????? （2）DCR=0x88：8位內(nèi)存訪問，正常工作方式；

?????? （3）RBCR0=0，RBCR1=0：遠(yuǎn)程DMA操作時(shí)傳遞字節(jié)數(shù)清零；

?????? （4）RCR=0xc0：接收到的幀存入緩沖環(huán)；

?????? （5）TCR=0xe2：環(huán)路測試狀態(tài)；

?????? （6）PSTART=0x4c，PSTOP=0x80：構(gòu)造緩沖環(huán)；

?????? （7）ISR=0xff：中斷寄存器清零；

?????? （8）IMR=0x00：屏蔽所有的中斷；

?????? （9）CR=0x61：選擇頁1；

?????? （10）設(shè)置網(wǎng)卡地址PAR0-PAR5；

?????? （11）設(shè)置多址寄存器MAR0-MAR5；

?????? （12）CURR=0x4d：初始化當(dāng)前頁寄存器；

?????? （13）CR=0x22：選擇頁1，正常工作狀態(tài)；

?????? （14）TCR=0XE0：發(fā)送器正常工作狀態(tài)；

?????? 5.3 ?發(fā)送控制過程

?????? 在網(wǎng)絡(luò)中，幀傳輸?shù)倪^程就是發(fā)送方將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按幀格式要求封裝成幀，然后通過網(wǎng)卡發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的傳輸線上。發(fā)送程序框圖如圖3所示。

?????? 5.4 ?接收控制過程

?????? 幀的接收過程分為兩步：第一步由本地DMA將幀存入接收緩沖環(huán)中；第二步由遠(yuǎn)程DMA將接收緩沖環(huán)中的幀讀入內(nèi)存。即將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)幀接收并緩存在網(wǎng)卡的接收緩沖環(huán)中，然后由主機(jī)程序?qū)⒕彺嬖诰彌_環(huán)中的幀讀走并存入內(nèi)存中。

?????? 幀的接收工作由網(wǎng)卡自動(dòng)完成，只需對與相關(guān)的寄存器如PSTART、PSTOP、CURR和BNRY進(jìn)行適當(dāng)?shù)某跏蓟纯伞?

?????? 幀讀入較幀接收要復(fù)雜一些。首先必須初始化相應(yīng)的寄存器RSAR、RBCR，然后再啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA讀操作和主機(jī)程序的讀端口操作。

?以下是接收數(shù)據(jù)幀的子程序，為了獲得數(shù)據(jù)長度，我們先讀入18個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)有效數(shù)據(jù)的長度將幀完整讀入。為了啟動(dòng)遠(yuǎn)程DMA讀操作，應(yīng)該令CR=0AH，遠(yuǎn)程DMA將從接收緩沖環(huán)的DMA地址處讀入1字節(jié)并送往I/O數(shù)據(jù)端口，由主機(jī)程序讀入內(nèi)存。這一過程將一直持續(xù)到RBCR寄存器為0。

?????? 5.5 ?串口通訊子程序

?????? 為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的串口傳輸編制了一個(gè)串口通訊協(xié)議，該協(xié)議由引導(dǎo)幀、長度幀、數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀等組成。其中引導(dǎo)幀是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭，長度幀是這一包數(shù)據(jù)的總長度，數(shù)據(jù)幀是其中的數(shù)據(jù)信息，確認(rèn)幀是接收方對發(fā)送方的回應(yīng)。每幀數(shù)據(jù)由16個(gè)字節(jié)組成，每幀的第14個(gè)字節(jié)為標(biāo)志位，第15字節(jié)為校驗(yàn)位。標(biāo)志位中有2位幀標(biāo)志位，3位序號位；校驗(yàn)采用和校驗(yàn)，只計(jì)算0-13字節(jié)，溢出值舍去。在發(fā)送方有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先檢測線路是否空閑，如線路空閑則向接收方發(fā)送“請求發(fā)送數(shù)據(jù)”命令幀。接收機(jī)收到后，如準(zhǔn)備就緒，則回送“可以發(fā)送”的確認(rèn)

命令。發(fā)送方得到確認(rèn)后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。接收方對收到的每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行和校驗(yàn)，校驗(yàn)正確發(fā)送“和校驗(yàn)正確”命令，發(fā)送方發(fā)送下一幀；否則發(fā)送“重發(fā)”命令，發(fā)送方重發(fā)此幀。協(xié)議中還具有等待超時(shí)處理、幀不同步處理和線路沖突檢測功能。

?????? 6? 結(jié)束語

?????? 利用8位單片機(jī)8031驅(qū)動(dòng)ISA總線網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，可以方便、可靠、低廉地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端設(shè)備。而且，通過串口設(shè)備與以太網(wǎng)的相連，可以很好的解決多種工業(yè)總線的系統(tǒng)集成問題，同時(shí)也大大豐富了工業(yè)總線的體系，促使其向更高層次發(fā)展。可以預(yù)計(jì)，小型串口設(shè)備與以太網(wǎng)相連將帶來一場新的技術(shù)浪潮。