用于单片机的以太网网关--网络通

    摘要：“网络通”是基于普通单片机的廉价以太网测控网关。它可以将具有RS-232、RS-485等接口的测控设备简单而且直接地连接在以太网（因特网）上，利用丰富的现成的以太网资源，组成一系列以太网的分布式测控系统。

    关键词：以太网分布式测控系统 以太网测控网关 网关 网络通

1 概 述

　　利用现有以太网（因特网）的丰富资源，组建以太网分布式测控系统是一种低成本、高可靠性、快捷的技术方案。组建以太网分布式测控系统的关键设备是以太网测控网关，而以太网测控网关的组成方式有以下三种。

　　第一种是在20世纪90年代中期，人们采用PC机+网卡+采集插卡组成以太网测控网关，进行协议转换，将由现场总线连接测控设备组成的分布式测控系统接入以太网，将管理PC机放在以太网内，组成一个较大的自控系统。这种组成方式成本很高，只适用于大的自控系统。

　　第二种是在近几年，人们采用嵌入式系统+以太网卡+采集卡来组成以太网测控网关。嵌入式系统实际上是在硬件和软件上均可按用户需要进行剪裁的PC机。例如，PC-104实际就是一台没有显示器、键盘、硬盘、软盘的PC-486DX计算机，有电子硬盘及各种I/O插口，可装入Windows CE和其他PC机应用软件。所以，实际上它是第一种网关的简化和微型化。它的成本比第一种有所下降，但价格还是较高。另外，利用了PC机的软件，开发速度较快。

　　第三种是今年以来，人们利用单片机加上以太网接口芯片组成以太网测控网关。这实际上是嵌入式网关向大众化、普及化的进一步发展。它以单片机取代PC机，用以太网接口芯片取代以太网卡，使测控网关的价格下降到几百元。这就使测控设备能以低廉的费用，以简捷的方式接入以太网，使网络家电变为现实，使以太网分布式测控系统能得到迅速的发展。

　　本文重点介绍我们研制的基于单片机的以太网测控网关--"网络通"的结构、原理和应用。

2 网络通的组成

　　"网络通"是以太网测控网关。它主要在网络层完成以太网TCP/IP协议和测控设备现场总线RS-232、RS-485、并口通信等协议的转换，完成以太网和现场总线网络间的互联，实现不同以太网和现场总线网络之间的数据交换。

　　"网络通"的组成如图1所示，由单片机和以太网接口芯片组成。

　　以太网接口芯片可选用符合IEEE802.3协议的10Base-T通用接口芯片，如UM9003、RTL8019、DM9008等芯片。这些芯片完成与以太网在物理层上的通信任务，采用RJ-45插口，可以直接连接到以太网上。

　　"网络通"对单片机没有什么独特的要求，可选用普通的单片机，如80C51等。单片机内用汇编语言写入TCP/IP通信协议，以及RS-232、RS-485等现场总线及并行总线通信协议。它负责完成数据链路层、网络层的协议转换，数据交换任务。它将从以太网接收来的IP包，进行拆包，取出数据，再按RS-232、RS-485等现场总线或并行总线通信协议重新组成帧，发送给测控设备；或者将测控设备发送来的数据帧，重新打成IP包，向以太网发送。

　　由于"网络通"具有RJ-45、RS-232、RS-485及并行通信总线等多种接口，是异型网互联、协议转换的网关，所以使用"网络通"可以很容易将具有RS-232、RS-485、CAN、双口RAM等接口的测控设备连接到以太网上，构建基于以太网的分布式测控系统。

　　由于"网络通"的接口丰富，且价格低廉，所以它既可以作为网关连接以太网和RS-485、CAN等现场总线网，也可以直接将具有各种接口的测控设备接入以太网，组成以太网分布式测控系统，而不需要再架设现场总线，如图2所示。

3 上位PC机软件

　　"网络通"为了方便测控设备通过以太网和以太网上任一PC节点进行数据通信，特意设置了VB下的专用控件lenlib.ocx，用户只需在PC机上安装10/100 Base-T以太网卡，在WIN98平台上即可调用该控件。控件lenlib.ocx提供以太网上接收和发送"网络通"产品数据的软件接口。嵌入lenlib.ocx控件可设计开发出"网络通"的各种网络控制系统应用软件，实现各种基于以太网的分布式测控系统。

　　lenlib.ocx控件是一种ACTIVEX控件，使用lenuser对象。它向应用开发者提供了一个属性remoteip，3个方法GetData()、SendData()、Link()和1个事件dataarrival()。其调用步骤如下。

　　① 首先连接PC机和"网络通"。remoteip属性赋值"网络通"的IP地址，再用Link()方法连接。当收到"ACK"字符串表示连机成功时，可以进行下一步通信。

　　② 通信。连通后，GetData()用来接收网络数据，SendData()用来发送数据到网络上。PC机收到"网络通"发数据后，触发DataArrival()事件，使用 DataArrival 事件内的 GetData 方法来获取已发送的信息，获取当前的数据块并将其存储在变体类型的变量中。

　　③ SendData,GetData,link语法：

　　返回值　　Void

　　a. object.SendData data

　　b. object.GetData data, [type,] [maxLen]

　　通常总是将GetData方法与 DataArrival事件并用，而 DataArrival 事件包含totalBytes参数。如果指定一个比totalBytes参数小的maxLen，则将得到警告10040，以此指出剩余的字节将丢失。

　　c. object.link

　　参数如表1所列。

表1

　　设置值

　　type的设置值如表2所列。

表2

4 "网络通"应用中的几个技术问题

　　在应用"网络通"组建以太网测控系统的实际过程中，要注意以下几个问题。

　　（1）"网络通"的传输速度

　　在利用"网络通"组成的以太网测控系统中，上位PC机与下位测控设备之间数据交换的速度取决于"网络通"的传输速度；而"网络通"的传输速度取决于以太网接口芯片的速度、单片机的处理速度，以及"网络通"和测控设备交换数据的方式。

　　在一般的测控系统中，要传送的仅仅是控制命令和测量数据，数据量不大?quot;网络通"与测控设备之间采用RS-232、RS-485、CAN等串口方式连接，其通信速率仅几十kb/s~上百kb/s。这时以太网接口芯片的速度（10Mb/s）和微处理器的速度就远大于串口通信速度。"网络通"的传输速率就取决于串口的通信速率。

　　当要传送的数据速率要求很高时（如图像），"网络通"与测控设备之间就不能再采用串口连接，而必须采用并口连接，这时传输速率就取决于微处理器的处理速度。此时，要选用一些高速的单片机，如P89C52RX系列或SX系列等单片机。

　　以太网接口芯片的速度已达10 Mb/s，远大于微处理器的速度，远大于"网络”与测控设备的数据交换速度，远大于测控工作的要求，所以对其可不予考虑。

　　（2）网络通的IP地址

　　以太网测控系统中，测控设备通过"网络通"进入以太网，就必须确定自己的IP地址。"网络通"的IP地址有活动IP和固定IP两种获取的方法。上电时，"网络通"软件自动在系统中搜寻是否有代理服务器。若有代理服务器，则申请并由代理服务器分配给一个活动IP地址，作为"网络通"的IP地址；若系统中没有代理服务器，则启用"网络通"在硬件上设立的一个固定IP地址作为"网络通"的IP地址。

　　（3）安全控制

　　在小型封闭的局域网中进行测控，安全问题不大，但在广域网甚至因特网上进行测控，安全控制就至关紧要。为此，在"网络通"中，微处理器采用48~128位的用户密码来保护测控设备的安全，合法用户可以修改、设定自己的密码。网络非法用户即使窃取了"网络通"的IP地址，没有用户密码，也无法通过"网络通"来操作测控设备。

　　（4）实时性问题

　　测控系统在很多场合都要强调它的实时性，但以太网不是一个实时系统。由于它的载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通信方式，决定了以太网中IP包的传输会有延迟，甚至丢包，这是利用以太网组成分布式测控系统最大的缺点。但是，现在以太网的速度越来越快，百兆网甚至千兆网，或在一些小型封闭的局域网中，当网络的繁忙程度大为减轻时，IP包几乎没有碰撞，传输延迟、丢包现象就大大减小，不会影响测控系统的正常工作。同时，在系统的网络层之上，可增加应答协议，丢包的问题就可基本克服。据此，我们做过的几个以太网测控系统一直工作正常。

　　（5）"网络通"的连接

　　"网络通"有两个插座：一个是RJ-45插座，可用双绞线直接连接到以太网；另一个是25脚插座，内含RS-232、RS-485、电源和数据、地址、控制等并行总线。用户可用硬跳线选定自己使用的通信方式。

　　"网络通"是一个系列产品，分为HX-1和HX-2两种，其结构基本一样。主要不同是内部采用的微处理器芯片不同，因而传输速率不同：HX-1型传输速度在1 Mb/s以下，主要用于文本数据传输；而HX-2型在1 Mb/s以上，主要用于图像数据传输。

结束语

　　用单片机组成以太网关--"网络通"可以满足一般测控系统的要求，而且它的造价、尺度都非常小。它既可以作单独的网关，用以连接以太网与现场总线网，或将测控设备直接接入以太网，这就使组建以太网测控系统不再是一件很麻烦的事；同时，它又可以作为一个模块，直接嵌入测控设备，生产新一带的网络测控设备、网络家电。这必将大大地促进以太网测控系统的发展。