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隨著互聯網的日益普及，各種家電設備、儀器儀表以及工業生產中的數據采集與控制設備在逐步地走向網絡化，以實現分布式遠程監控、信息交換與共享。目 前廣泛使用的以太網以及TCP/IP 協議已經成為最常用的網絡標準之一，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和TCP/IP，能夠簡化結構 和降低成本。 目前大多數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據傳輸能力。 利用以太網實現工業系統遠程控制， 通過互聯網共享小型嵌入式設備的信息，是工業控制研究的發展趨勢。本系統采用高速單片機ATmega64及RTL8019AS 以太網控制器，用嵌入式TCP/IP 協議可以實現TCP和UDP等網絡功能,進一步實現HTTP協議服務,實現Web Sever 及接入Internet 的功能。 1 系統硬件設計 系統的結構框圖如圖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行時 間，ATmega64 的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以滿足系統在功耗和處理速度方面的要求。 RTL8019AS 是一種高度集成的10MB以太網控制器，與NE2000兼容, 支持8位、16位數據總線;內置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。以太網隔離濾波器選用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 模式訪問以太網控制器。RTL8019AS 必須工作在8位模式下，其引腳IOCS16B經電阻接地。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據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。 介質的選擇由引腳PL1和PL0決定，RTL8019AS 還具有自動測試介質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類型。為了更方便地將嵌入式以太網模塊接入到局域網中， 本設計采用RTL8019AS 與雙絞線連接的接口電路，即將PL0、PL1 接地。 2 以太網控制器的工作過程 以太網控制器的 RAM 以 256 字節為一頁，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 頁用來接收和發送數據包。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 用于以太網控制器讀/寫片上RAM，總線B 用于單片機讀/寫以太網控制器上的 RAM。總線A又叫Local DMA，總線B 又叫 Remote DMA。 2.1 數據包的發送過程 (1) 封裝數據包：數據包在發送前，單片機將其按如圖3所示的以太網幀格式封裝好,并存放在外部SRAM。 (2)通過遠程DMA將數據包寫入到 RLT8019AS 的數據發送緩沖區， 數據的目的緩沖區首地址和字節數由內部寄存器RSCR0、1設定。 (3) 通過RTL8019AS的本地DMA將數據送入FIFO 緩沖器進行發送。 2.2 數據包的接收過程 (1)本地 DMA 將需要接收的數據包存入到接收緩沖環中。 (2)由遠程 DMA 將接收緩沖環中的數據包寫入到外部 SRAM 中。 如果以太網控制器運行正常，接收到數據包時自動啟動本地 DMA 將數據存入接收緩沖環中，也就是說第一步是由 RTL8019AS 自動完成的。但是，接收緩沖環的范圍需要設置，PSTART、PSTOP 分別用于設置接收緩沖環的起始頁和發送頁，設置了接收緩沖環之后，接收到的第一個數據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 TCP/IP 各層協議，鏈路層協議由單片機控制RTL8019AS 實現，而其他協議由單片機內部程序實現。 服務器接收數據時，以太網驅動程序負責接收數據，由以太網控制器中斷處理程序喚醒數據接收任務，由數據接收任務將接收到的數據幀交給網絡接口 層，網絡接口層取出幀頭，判斷接收數據的類型，如果是ARP 報文，則將ARP 報文交給ARP 協議模塊處理;如果是IP 數據包，則將IP數據包交給IP 協議模塊處理，IP協議模塊取出IP 首部信息，然后根據數據包的類型，將報文交給相應的協議模塊(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，并將用戶數據交給應用程序。 服務器發送數據時，將用戶數據交給UDP協議模塊或TCP 協議模塊處理，UDP協議模塊或TCP協議模塊將其首部和數據封裝成UDP數據包或TCP數據包，然后將封裝好的數據包交給IP協議模塊，IP模塊在上層 交給的數據包上添加IP首部，并封裝成IP數據包，然后為 IP 數據包尋找路由，如果找不到相應路由，則向ICMP 協議發送出錯報文，由ICMP 協議模塊進行處理，在找到了合適的路由后，如果是以太網方式，則將數據包發送到網絡接口層，利用ARP協議找到目的IP對應的物理地址，然后封裝成以太網 幀，由網卡驅動程序將以太網幀發送出去。 4 利用HTTP協議實現Web接收與發送控制數據 在單片機系統中實現HTTP 協議服務端的功能，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一的瀏覽器就可以與服務器進行信息交換。 超文本傳輸協議(HTTP)是目前通過Internet進行信息交換最主要的方式。在Internet上HTTP 通訊經常發生在 TCP/IP 連接之上。其缺省端口是TCP 協議的80 端口，當然，其他的端口也是可以使用的。HTTP 協議是建立在請求/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，并發送一個請求到服務器，請求中包含請求方法、URI、協議版本以及相關的 MIME(Multipurpose Internet Mail Extensions) 樣式的消息。服務器響應一個狀態行，包含消息的協議版本、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，在網絡上發送和接收的數據已經被分 成一個或多個數據包(packet)，每個數據包包括：要傳送的數據;控制信息，即告訴網絡怎樣處理數據包。TCP/IP決定了每個數據包的格式。 圖5 是通過Web 瀏覽器看到的網絡控制界面，必需將客戶計算機與服務器系統的IP地址設置在一個段內。如本系統服務器IP地址設為192.168.0.10，客戶機IP地址設為192.168.0.11，默認網關均為255.255.255.0。 (1) 發送控制數據過程:①通過瀏覽器向服務器系統(單片機)發送HTTP 請求;②服務器系統通過HTTP服務程序查看網頁程序中表單內輸入變量的變化;③取出變量值,調用串口程序將數據發出。 (2)接收采集數據過程：①系統HTTP 協議程序的http_serve 中調用串口程序接收串口數據,并用此數據取代其內部網頁中的表格內“NO DATA”標記;②服務器系統把Web頁面傳送給用戶界面的瀏覽器。 用低成本的AVR單片機和以太網控制器，配合適當的網絡協議，實現了通過網絡對RS232接口設備的數據采集及系統控制。如對其進行適當的改變與擴展，便可以用于其他接口的儀器儀表，并應用于更廣泛的領域。由于系統的控制器使用的是單片機，限于其內部資源，所以網頁文件不能過大。 參考文獻 [1] 何蘇勤. TMS320C2000系列DSP原理及實用技術[M]. 北京:電子工業出版社，2003. [2] 賈云飛，王景芹. 利用單片機控制以太網網卡進行數據傳輸的研究.網絡與總線，2003,(6):41. [3] 閆保中,虞凌宏,王仁龍. 基于AVR高速單片機的Web sever的研究.應用科技，2006，33(3):25. [4] J. Magid. Web服務器技術指南.李謙譯.北京：機械工業出版社,1996. [5] Network Working Group： RFC 2616 - Hypertext Transfer Protocol——HTTP/1.1. |
