0  引言

　　計算機和網(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。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。過去大量的浩如煙海的8/16位單片機的嵌入式設(shè)備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動化、家庭自動化等的實時應(yīng)用，已經(jīng)到了享受網(wǎng)絡(luò)方便的時候了。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"擴展的大潮。

　　目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨應(yīng)用的階段，以單片機為，與一些控制設(shè)備配合實現(xiàn)一定的功能。如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet這個信息流通渠道，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)。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)了各種應(yīng)用系統(tǒng)中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等的嚴格要求，因此它贏得了巨大的市場，在應(yīng)用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機。嵌入式接入Internet是近幾年隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和發(fā)展而發(fā)展起來的一項新興概念和技術(shù)，它通過為現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)增加因特網(wǎng)接入能力來擴展其功能，一般指設(shè)備通過嵌入式模塊而非PC系統(tǒng)直接接入Internet,以Internet為介質(zhì)實現(xiàn)信息交互的過程，通常又稱為非PC接入。嵌入式系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的通信功能，成本低，控制方便可靠，滿足系統(tǒng)對通信的要求。考慮到本身的特點，在大量工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用嵌入式設(shè)備功能比較單一，在上述網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片接口程序的基礎(chǔ)上只需要開發(fā)簡化的嵌入式協(xié)議棧，就可滿足許多情況下的應(yīng)用需求。目前，許多公司和組織致力于將以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線實現(xiàn)無縫連接，使以太網(wǎng)越來越向底層延伸。以太網(wǎng)在現(xiàn)場設(shè)備中的應(yīng)用研究和基于以太網(wǎng)的智能芯片的開發(fā)等也日益成為研究的熱點。這里介紹一種嵌入式Internet系統(tǒng)的接口技術(shù)，它的特點是使用8位單片機與網(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，容易實現(xiàn)。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)由串行接口、單片機、網(wǎng)絡(luò)控制器等部分組成，如所示。

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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。IIC是作為英特爾IC的互補，這種總線類型是由菲利浦半導體公司在八十年代初設(shè)計出來的，主要是用來連接整體電路（ICS） ,IIC是一種多向控制總線，也就是說多個芯片可以連接到同一總線結(jié)構(gòu)下，同時每個芯片都可以作為實施數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃础＿@種方式簡化了信號傳輸總線。其電路原理見所示。

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　　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，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.

　　單片機89C52P0口的P0~P4腳通過373八位鎖存器作為地址線連接RTL8019AS的低5位地址線，RD、WR分別連接讀寫時序控制腳IORB、 IOWB;P0口作為數(shù)據(jù)線連接RTL8019AS的低8位數(shù)據(jù)線。中AT24C512為64KBE2PROM,主要用來保存嵌入式透明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，同時也考慮到以后的擴展。

　　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)： 一個是廣播地址，一個是多播地址（我們用不上）；一個是它自已的地址。

　　2 軟件設(shè)計

　　Internet網(wǎng)上的協(xié)議格式有多種，對單片機來說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系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以分為三部分：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。

　　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。因為89C52芯片只有I/O端口，因此要編寫單獨的寄存器讀、寫子程序。

　　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、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器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CAN總線上有數(shù)據(jù)到達時，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，當有按CAN2.0A協(xié)議格式組合成的一幀數(shù)據(jù)報文在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中要發(fā)送到CAN總線上去時，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)換模塊主要負責從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A.同時，可能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中的完整CAN協(xié)議報文封裝成UDP數(shù)據(jù)報，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)報為短幀形式（每個數(shù)據(jù)幀多為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3次握手建立連接，再傳輸數(shù)據(jù)，之后還要通過握手釋放連接。這樣傳輸效率對有限的網(wǎng)絡(luò)資源來說無疑是一種浪費。而UDP是無連接的傳輸，可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時，也減輕網(wǎng)關(guān)的處理任務(wù)。當然，UDP傳輸協(xié)議是不可靠的，對于控制網(wǎng)絡(luò)來說，是不允許的。為了提高通信的可靠性，采用了回傳校驗機制。通過實驗測試表明這種方式是行之有效的。

　　以太網(wǎng)是Xerox公司發(fā)明的基帶LAN標準。它采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD），速率為10Mbps,傳輸介質(zhì)為同軸電纜。以太網(wǎng)是在20世紀70年代為解決網(wǎng)絡(luò)中零散的和偶然的堵塞而開發(fā)的，而IEEE802.3標準是在初的以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上于1980年開發(fā)成功的。現(xiàn)在，以太網(wǎng)一詞泛指所有采用CSMA/CD協(xié)議的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)2.0版由數(shù)字設(shè)備公司、Intel公司和Xerox公司聯(lián)合開發(fā)，它與IEEE802.3兼容。

　　以太網(wǎng)控制器也稱以太網(wǎng)適配器，就是我們通常稱的"網(wǎng)卡".安裝方法即是插在機器主板的PCI擴展槽里，一般為白色，然后安裝所購買網(wǎng)卡中內(nèi)附的驅(qū)動光盤即可。不裝網(wǎng)卡的話你是無法連接網(wǎng)絡(luò)的。不過現(xiàn)在一般主板都有集成網(wǎng)卡。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、ARP、UDP協(xié)議的若干個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。

　　系統(tǒng)首次執(zhí)行或復位時，以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將首先調(diào)用NICInit （）和UDPAPPInit（）等進行NIC、ARP、IP、UDP和應(yīng)用程序的初始化。初始化完成后，即進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，89C52將反復檢測 RTL8019AS是否接收以太網(wǎng)幀。當有數(shù)據(jù)被接收時，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（） 子程序進行ARP處理并發(fā)送響應(yīng)ARP數(shù)據(jù)報；若不是ARP,則判斷是否為IP數(shù)據(jù)報。該程序?qū)⒆x入UDP數(shù)據(jù)報文首部的數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)處理，還原出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報文存入數(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)報文發(fā)往CAN總線。

　　反過來，當總調(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中準備好的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上時，它將調(diào)用NICInitTxFrame（）、 udpstartPktOut）、IPGenCheckSum（）、IPStartPktout（）、NICSendTxFrame（）、 UDPEndPktOut（）等子函數(shù)進行發(fā)送處理，從而實現(xiàn)CAN總線到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2.3 以太網(wǎng)層應(yīng)用程序設(shè)計

　　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)報協(xié)議），通過VisuaIC++編寫用戶層程序。

　　WinSock提供了對UDP的支持，通過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)，同時也可以通過它接收CAN協(xié)議數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收方處于相同的地位沒有主次之分。利用CAsynSocket類操縱無連接的數(shù)據(jù)發(fā)送較簡單。首先生成一個本地套接口（需要指明SOCK_DGRAM標記）；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)議可以使管理主機和89C52網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信。

　　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實現(xiàn)，只要是8位的單片機即可，內(nèi)部RAM容量大一點越好。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。