0  引言
   計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)革命?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。過(guò)去大量的浩如煙海的8/16位單片機(jī)的嵌入式設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過(guò)程控制、工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等的實(shí)時(shí)應(yīng)用，已經(jīng)到了享受網(wǎng)絡(luò)方便的時(shí)候了。它們將成為Internet網(wǎng)的發(fā)展沃土，順應(yīng)“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”向“網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用”擴(kuò)展的大潮。
   目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段，以單片機(jī)為核心，與一些控制設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet這個(gè)信息流通渠道，則可以方便、低廉地將信息送到世界上任何一個(gè)地方，這將形成集管理與控制與一體的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。要做到這一點(diǎn)并不難，在電子技術(shù)、傳感技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)達(dá)的今天，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的取得，已經(jīng)不是難事，溫度、壓力、濕度、速度、加速度、電流、電壓這些數(shù)據(jù)只需要一個(gè)小小的嵌入式系統(tǒng)就可解決。另外，以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)也正在不斷向前發(fā)展。這里介紹一種嵌入式Internet系統(tǒng)的接口技術(shù)，它的特點(diǎn)是使用8位單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信控制器RTL8019AS等組成的系統(tǒng)，采用以太網(wǎng)協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),因而成本低，容易實(shí)現(xiàn)。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由串行接口、單片機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制器等部分組成，如圖1所示。
  
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1．2  系統(tǒng)電路原理
  本系統(tǒng)電路主要由CPU、 串口的電平轉(zhuǎn)換電路、具有IIC總線的EEPROM、8位鎖存、32K的RAM、以太網(wǎng)通信控制器和隔離濾波器組成。其電路原理見(jiàn)圖2所示。
   電路用到的主要芯片有89C52、24c512(IIC總線的eeprom)、373 八位鎖存器、以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS和隔離濾波器T1組成。
    本系統(tǒng)CPU采用ATMEL公司的89C52單片機(jī)，串口的電平轉(zhuǎn)換電路采用MAX232，網(wǎng)絡(luò)通信控制器采用RTL8019AS。
     RTL8019AS 是臺(tái)灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10Mbps以太網(wǎng)控制芯片，實(shí)現(xiàn)基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內(nèi)置16Kb的 SRAM、雙DMA通道和FIFO完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。在本接口設(shè)計(jì)中，使用跳線模式（JP置為高），硬配置RTL8019AS為8位模式。使用 RTL8019AS的低5位地址線A0～A4以及低8位數(shù)據(jù)線D0～D7。
 

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    單片機(jī)89C52P0口的P0～P4腳通過(guò)373八位鎖存器作為地址線連接RTL8019AS的低5位地址線，RD、WR分別連接讀寫(xiě)時(shí)序控制腳IORB、 IOWB；P0口作為數(shù)據(jù)線連接RTL8019AS的低8位數(shù)據(jù)線。圖2中AT24C512為64KBE2PROM，主要用來(lái)保存嵌入式透明SX-52網(wǎng)關(guān)的配置信息，如網(wǎng)關(guān)IP地址、MAC地址等。這樣，可以靈活方便地修改網(wǎng)關(guān)參數(shù)，適應(yīng)不同環(huán)境，同時(shí)也考慮到以后的擴(kuò)展。
    RTL8019AS除與89C52連接外，還將其網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的４根引腳TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-通過(guò)外接的隔離濾波器T1`與以太網(wǎng)相連。采用隔離濾波器T1是為了提高網(wǎng)絡(luò)通信的抗干擾能力。
以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS可以接收三種地址的數(shù)據(jù): 一個(gè)是廣播地址,一個(gè)是多播地址(我們用不上)；一個(gè)是它自已的地址。
2 軟件設(shè)計(jì)
     Internet網(wǎng)上的協(xié)議格式有多種，對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)不可能支持太多的協(xié)議格式。根據(jù)以太網(wǎng)的封裝格式的物理傳輸幀整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為三部分：CAN總線設(shè)備接口通信程序、透明網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和以太網(wǎng)層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。
2．1  CAN控制器協(xié)議模塊
    CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊程序主要由寄存器讀程序CANRead()、寫(xiě)程序CANWrite()、初始化程序CANInit()、發(fā)送程序txdsub()、接收程序rxdsub()程序組成。因?yàn)?9C52芯片只有I/O端口，因此要編寫(xiě)單獨(dú)的寄存器讀、寫(xiě)子程序。
    選用CAN2.0A協(xié)議構(gòu)建CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)，初始化主要完成控制寄存器CR、驗(yàn)收代碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR、總線定時(shí)寄存器BTR0,1 和輸出控制寄存器OCR的設(shè)置。初始化完成后，由總調(diào)度模塊監(jiān)控控制器。當(dāng)CAN總線上有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，它調(diào)用接收子程序rxdsub()，把這一幀數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ｂ中，然后釋放接收緩沖器。同樣，當(dāng)有按CAN2.0A協(xié)議格式組合成的一幀數(shù)據(jù)報(bào)文在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ａ中要發(fā)送到CAN總線上去時(shí)，總調(diào)度模塊將調(diào)CAN發(fā)送子程序txdsub()發(fā)送。
2．2 以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊
     以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報(bào)文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ａ。同時(shí)，可能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ｂ中的完整CAN協(xié)議報(bào)文封裝成UDP數(shù)據(jù)報(bào)，然后將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。
     在通信傳輸層采用UDP協(xié)議是考慮到CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)為短幀形式（每個(gè)數(shù)據(jù)幀最多為８字節(jié)）。如果采用TCP傳輸協(xié)議，要傳輸８字節(jié)CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，要先通過(guò)３次握手建立連接，再傳輸數(shù)據(jù)，之后還要通過(guò)握手釋放連接。這樣傳輸效率對(duì)有限的網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一種浪費(fèi)。而UDP是無(wú)連接的傳輸，可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時(shí)，也減輕網(wǎng)關(guān)的處理任務(wù)。當(dāng)然，UDP傳輸協(xié)議是不可靠的，對(duì)于控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，是不允許的。為了提高通信的可靠性，采用了回傳校驗(yàn)機(jī)制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明這種方式是行之有效的。
以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由以太網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、ARP、UDP協(xié)議的若干個(gè)API函數(shù)組成，主要有 NICInit()、NICDMAInit()、NICInitTXFrame()、NICSendTXFrame()、NICReadAgain()、 ARPCheckifis()、ARPSendresponse()、ARPSendStPacket()、ICMPProcPkin()、 UDPAppInit()、IPGenCheckSum()、UDPAppProcPktin()、UDPStartPktout()和 UDPEndPktout()等。所使用的變量有：remoteIP[3:0]、myIP[3:0] 、UDPRxSrcPortMSB、DPRxSxcPortLSB、UDPRxDataLenMSB、UDPRｘDataLenLSB、 UDPTxSrcPortMSB、UDPTXSrcPortLSB、UDPTxDestPortMSB、UDPTxDestPortLSB、 UDPTxDataLenMSB、UDPTxDataLenLSB等。
    系統(tǒng)首次執(zhí)行或復(fù)位時(shí)，以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將首先調(diào)用NICInit ()和UDPAPPInit()等進(jìn)行NIC、ARP、IP、UDP和應(yīng)用程序的初始化。初始化完成后，即進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中，89C52將反復(fù)檢測(cè) RTL8019AS是否接收以太網(wǎng)幀。當(dāng)有數(shù)據(jù)被接收時(shí)，89C52調(diào)用NICDMAInit()和NICReadAgain()讀入以太網(wǎng)幀首部再調(diào)用 ARPCheckIFIs()判斷接收幀是否為ARP數(shù)據(jù)。若是ARP，則轉(zhuǎn)入ARPSendResponse()和ARPSendstPacket() 子程序進(jìn)行ARP處理并發(fā)送響應(yīng)ARP數(shù)據(jù)報(bào)；若不是ARP，則判斷是否為IP數(shù)據(jù)報(bào)。若非ＩＰ數(shù)據(jù)報(bào)則清除該以太網(wǎng)幀；當(dāng)所接收幀包含IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，則需進(jìn)一步判斷是ICMP數(shù)據(jù)報(bào)還是UPD數(shù)據(jù)報(bào)文。若是ICMP數(shù)據(jù)報(bào)則執(zhí)行ICMPProcPktIn()子程序處理ICMP數(shù)據(jù)報(bào)并重發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)；若數(shù)據(jù)為UDP數(shù)據(jù)報(bào)文，則調(diào)用UDPProcPktIn()子程序。該程序?qū)⒆x入U(xiǎn)DP數(shù)據(jù)報(bào)文首部的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理，還原出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ｂ中，再通知總調(diào)度程序，由總調(diào)度程序調(diào)用CAN總線控制子程序?qū)AN協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)往CAN總線。
      反過(guò)來(lái)，當(dāng)總調(diào)度程序通知以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)Ｂ中準(zhǔn)備好的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上時(shí)，它將調(diào)用NICInitTxFrame()、 udpstartPktOut)、IPGenCheckSum()、IPStartPktout()、NICSendTxFrame()、 UDPEndPktOut()等子函數(shù)進(jìn)行發(fā)送處理，從而實(shí)現(xiàn)CAN總線到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。[!--empirenews.page--]
2．3 以太網(wǎng)層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    以太網(wǎng)上的通信協(xié)議一般采用TCP/IP協(xié)議。本文采用流行的SOCKET套接字編程，傳輸層協(xié)議選擇UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議），通過(guò)VisuaIC++編寫(xiě)用戶層程序。
    WinSock 提供了對(duì)UDP的支持，通過(guò)UDP協(xié)議可以向指定IP地址的透明網(wǎng)關(guān)發(fā)送CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以通過(guò)它接收CAN協(xié)議數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收方處于相同的地位沒(méi)有主次之分。利用CAsynSocket類操縱無(wú)連接的數(shù)據(jù)發(fā)送較簡(jiǎn)單。首先生成一個(gè)本地套接口（需要指明SOCK_DGRAM標(biāo)記）；然后利用 int CAsyncSocket SendTO const VOID IPBuf int nBufLen  UINT nHostPort  LPCTSTR IpszHostADDress= NULL int nFlags=0發(fā)送數(shù)據(jù)，int CasyncSocket ReceiveFrom void IpBuf int nBufLen Cstring&rSocketADDress?UINT&rSocketPort int nFlags=0接收數(shù)據(jù)。利用UDP協(xié)議可以使管理主機(jī)和89C52網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，這種傳輸方式也易于使數(shù)據(jù)89C52網(wǎng)關(guān)透明化。
3．接入Internet部分的程序流程圖
    前面已經(jīng)介紹了軟件設(shè)計(jì)的原理，這里介紹接入Internet部分的程序流程圖。
 

 
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4.小結(jié)
   系統(tǒng)中可以采用多種單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，只要是8位的單片機(jī)即可，內(nèi)部RAM容量大一點(diǎn)越好。該系統(tǒng)目前正在家庭電器的控制系統(tǒng)中使用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，接收信息正確，表明系統(tǒng)應(yīng)用可行。