??? 摘? 要: 用8位單片機(jī)8031和ISA總線網(wǎng)卡,實(shí)現(xiàn)RS485串行設(shè)備與以太網(wǎng)的連接,以傳送控制信令和數(shù)據(jù)文件。程序設(shè)計(jì)采用C51語(yǔ)言,便于移植和調(diào)試。?

??? 關(guān)鍵詞: 以太網(wǎng)? 串行通訊? 單片機(jī)? C51

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??? 單片機(jī)或微控制器(MCU)(也稱(chēng)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,與監(jiān)測(cè)、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, 是信息流通的重要渠道。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet,則可以方便、低廉地將信息傳送到世界上的任何一個(gè)地方。?

??? 將嵌入式系統(tǒng)與Internet相連的主要困難在于:Internet的各種通信協(xié)議對(duì)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,影響本來(lái)的功能或根本不可能實(shí)現(xiàn)。?

??? 本文用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(guò)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。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(guó)工業(yè)總線的應(yīng)用中,RS485、RS422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(wú)連接。無(wú)連接原理比較簡(jiǎn)單,通訊雙方無(wú)握手過(guò)程。一方如有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,則立即通過(guò)串行接口發(fā)送出去,另一方被動(dòng)接收。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?可用于對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求不高的場(chǎng)合,如語(yǔ)音、圖像等。而面向連接方式則不同。甲方有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí),向乙方發(fā)送“請(qǐng)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)。大多數(shù)情況下,乙方要對(duì)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;否則發(fā)送“重發(fā)”命令。面向連接的串行通訊過(guò)程實(shí)現(xiàn)起來(lái)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)由七部分組成,如表1所示。除了數(shù)據(jù)域的長(zhǎng)度不固定外,其他部分的長(zhǎng)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;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(guò),即網(wǎng)卡一旦檢測(cè)到有效幀頭和幀起始位,就認(rèn)為有效數(shù)據(jù)開(kāi)始,并將有效數(shù)據(jù)存入接收緩沖環(huán)。?

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3 以太網(wǎng)卡?

??? RTL8019AS網(wǎng)卡是8/16位ISA總線的網(wǎng)卡,遵循IEEE802.3協(xié)議。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(shí)別模塊、FIFO控制模塊、協(xié)議邏輯陣列模塊及DMA和緩沖控制模塊。對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行編程可以實(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)卡接口電路是對(duì)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(xiě)、地址總線驅(qū)動(dòng)、中斷控制信號(hào)的產(chǎn)生、存儲(chǔ)器讀寫(xiě)信號(hào)以及I/O端口讀寫(xiě)信號(hào)的引入等;二是對(duì)網(wǎng)卡內(nèi)部的操作,包括對(duì)緩沖RAM的讀寫(xiě)、對(duì)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(hào),通過(guò)對(duì)網(wǎng)卡工作原理的分析,可以將接口信號(hào)線減至最少。表2是驅(qū)動(dòng)RTL8019AS網(wǎng)卡所需的信號(hào)線。?

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4 硬件框圖?

??? 系統(tǒng)采用8031為CPU主芯片,使用32K字節(jié)的外部存儲(chǔ)器62256來(lái)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)和地址總線分別與網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)和地址總線相連。硬件框圖如圖1所示。?

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5 軟件設(shè)計(jì)?

??? 對(duì)網(wǎng)卡編程就是對(duì)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(yǔ)言編制,具有可讀性強(qiáng)、移植性好、開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)。在代碼的使用效率上,也完全可以和匯編語(yǔ)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(guò)程又可分為網(wǎng)卡初始化、發(fā)送控制和接收控制三部分。主程序框圖如圖2所示。?

5.2 網(wǎng)卡初始化過(guò)程?

??? 對(duì)網(wǎng)卡的初始化就是對(duì)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(guò)程如下:?

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

??? (2)DCR=0x88:8位內(nèi)存訪問(wèn),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(cè)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(yè)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(yè)寄存器;?

??? (13)CR=0x22:選擇頁(yè)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(guò)程?

??? 在網(wǎng)絡(luò)中,幀傳輸?shù)倪^(guò)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(guò)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。?

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5.4 接收控制過(guò)程?

??? 幀的接收過(guò)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(duì)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(zhǎng)度,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(zhǎng)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(guò)程將一直持續(xù)到RBCR寄存器為0。?

??? void Receive_Data()?

??? {?

??? ? unsigned char data value,temp;?

??? ? unsigned int data datalength,i;?

??? ? RSAR1=Next_PKT;?

??? ? RSAR0=0;?

??? ? RBCR0=18;?

??? ? RBCR1=0;?

??? ? CR=0x0a;?

??? ? for(i=0;i<18;i++){?

??? ??? value=Data_Port;?

??? ??? recv_buf[i]=value;?

??? ? }?

??? ? datalength=(recv_buf[16]<<8)+recv_buf[17]+18;?

??? ? value=datalength&0x00ff;?

??? ? RBCR0=value;?

??? ? value=(datalength&0xff00)>>8;?

??? ? RBCR1=value;?

??? ? RSAR1=Next_PKT;?

??? ? RSAR0=0;?

??? ? CR=0x0a;?

??? ? for(i=0;i

??? ??? value=Data_Port;?

??? ??? recv_buf[i]=value;?

??? ? }?

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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(zhǎng)度幀、數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀等組成。其中引導(dǎo)幀用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭,長(zhǎng)度幀是這一包數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)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(duì)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(hào)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(cè)線路是否空閑,如線路空閑則向接收方發(fā)送“請(qǐng)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(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。接收方對(duì)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(cè)功能。?

??? 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(guò)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(guò)串口設(shè)備與以太網(wǎng)的相連,可以很好地解決多種工業(yè)總線的系統(tǒng)集成問(wèn)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?？梢灶A(yù)計(jì),小型串口設(shè)備與以太網(wǎng)相連將帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)浪潮。?

參考文獻(xiàn)?

1 劉彥明,李 鵬.實(shí)用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù).西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1998?

2 李 鵬.計(jì)算機(jī)通信技術(shù)及其程序設(shè)計(jì).西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1998