单片机实现串口协议的网络化

　　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。[page]

[page]

　　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。