1　硬件結構和電路設計

　　1.1　總體設計

　　整個系統(tǒng)設計采用ATMEL公司8位通用微控制器AT89C51作為主處理器，驅動REALTEK公司的10M以太網控制芯片RTL8019AS,實現串口數據和外部網絡互連。

　　1.2　網卡接線設計

　　RTL8019AS為100管腳PQFP封裝，工作電壓5V。其接線原理圖如圖1所示。地址SA0-4接到單片機P2的低五位上；SA8和SA9接電源；其余SA5-7,SA10-19這13個管腳全部接地；IORB和IOWB分別接單片機的讀寫信號端；RSTDRV接到P1.2上；8位數據SD0-7按順序接到單片機P0.020.7腳；TPOUT+和PTOUT-是發(fā)送管腳對，連接到RJ45口的發(fā)送腳1和2;而TPIN+和TPIN-則是接收管腳對，連接到RJ45口的接收腳3和6;管腳X1和X2之間接20M的晶振及接地電容；LED0和LED1分別串接發(fā)光二極管和1k8電阻，連到5V電源上；IOCS16B管腳串接27k8電阻接地；管腳BD0-3（IOS0-3）是負責定義基地址位置的，全部懸空，作為0輸入。

?

?

　　LED0默認表示通信沖突COL,LED1表示接收數據包。發(fā)送對和接收對不能直接接到RJ45插頭上，要通過隔離電壓模塊（選用20F-01）和RJ45相連。網卡有16bit數據線，可以使用16bit或8bit模式傳送數據，使IOCS16B管腳為低，我們選中的是8bit模式。

　　1.3　串行接口部分

　　1串口部分采用MAX232和9針串口。單片機P3.0/RXD0和P3.0/RXD0通過MAX232芯片分別接到串口的2針和3針上。串口5針接地。

　　串行口選擇工作方式1,這時的波特率計算公式為：

?

　　串口在9600波特率時，晶振選用11.0592M,預設值算得0xFD,smod=0;晶振選用16MHz,預設值為0xF7,smod=1。

　　2　網卡的初始化和工作過程

　　2.1　網卡芯片RTL8019AS的控制方法

　　控制網卡芯片RTL8019AS是通過讀寫芯片上的32個字節(jié)的控制寄存器組實現的。另外該芯片含有16kbyte的RAM,地址為0x400020x7fff。這些RAM不能通過單片機直接尋址，必須通過32個字節(jié)的控制寄存器組，以DMA方式讀寫它們。

　　32個字節(jié)的控制寄存器組可以由單片機直接尋址，但其基地址是通過管腳BD0-3（IOS0-3）配置的。電路中將四個管腳全部懸空，全0輸入，產品資料說明其基地址為300H。

　　這32個字節(jié)的控制寄存器組分成4頁，00H寄存器稱為CommandRegister（CR），CR的最高兩位代表目前寄存器處于哪一頁。01H到0FH在不同的頁有不同的意義，同時，即使同一頁，讀和寫代表的意義也可能不同，這一點很值得注意。10H217H是遠程DMA端口，而18H-1FH是網卡復位端口。

　　2.2　DMA數據通道

　　RTL8019AS內部劃分為遠程DMA（RemoteDMA）通道和本地DMA（LocalDMA）通道兩個部分。本地DMA完成控制器與網線的數據交換，遠程DMA完成主處理器與網卡數據交換。單片機主處理器收發(fā)數據只需對遠程DMA操作。接收數據時，RTL8019AS接收到的數據通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)，收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器，主處理器通過遠程DMA通道將其讀出。當主處理器要向以太網發(fā)送數據時，先將一幀數據通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令；RTL8019AS在完成了上一幀的發(fā)送后，再完成此幀的發(fā)送。

　　所謂的DMA就是直接內存訪問（DirectMem2oryAccess）。普通的尋址方式是給出一個地址，然后取出對應的值。而在DMA方式下，我們指定一個寄存器地址，主機只要反復地讀取或寫入這個地址，就可以取出或寫入大量的數據。網卡指定的遠程DMA端口就是這個用途。設置好起始地址和讀出的byte數后，我們反復讀遠程DMA端口，就可以將網卡里從網線收到的數據包，從0x400020x7fff的RAM區(qū)讀出；反之，同樣設置好起始地址和寫入的byte數后，我們反復寫遠程DMA端口，就可以將數據發(fā)送到網卡的發(fā)送緩沖RAM中，然后發(fā)出發(fā)送的命令，就可以把數據包發(fā)送到網線中。

　　2.3　網卡的初始化過程

　　復位，使RSTDRV先高后低，注意每一步都要有100ms的延時，以確保復位成功。然后進行熱復位，就是先后讀、寫網卡復位端口。

　　使CR=0x21,停止芯片運行，選擇頁面0。

　　使RBCR1=0;RBCR0=0,將遠程DMA操作的傳輸字節(jié)數清零。

　　使PSTART=0x46;PSTOP=0x80;BNRY=0x46,設置接收開始頁面、結束頁面和邊界頁面。

　　使IMR=0x0,清除中斷屏蔽寄存器。

　　使RCR=0x08+0x04,設置接收配置寄存器，允許接收多址和廣播報文。

　　使TCR=0,設置發(fā)送配置寄存器，使用默認配置。

　　使DCR=0x80+0x40+0x00,設置數據配置寄存器，選擇字節(jié)DMA。

　　使ISR=-1,設置中斷狀態(tài)寄存器，清除所有已有中斷。

　　使用DMA方式，從0000H2000BH中取得本網卡MAC地址。注意，MAC地址每個byte都是重復一遍存放的，所以只要取單數1、3、5等byte就可以了。

　　使CR=0x61,選擇頁面1。

　　將剛才取得的MAC地址放入PAR0-5中。網卡檢查接收到的包是否和PAR里MAC值匹配，然后決定收下或丟棄。所以，也可以任意設置這個PAR值，來偽造自己的MAC值。

　　將MAR02MAR7全部設為0xFF,允許接收所有的多址數據包。

　　使CURR=0x47,設置當前接收頁面為0x47。

　　使CR=0x22,啟動網卡芯片，開始接收和發(fā)送過程。

　　2.4　網卡工作接收和發(fā)送過程

　　網卡RAM是以256byte為一頁，是按頁存儲的結構，16bit的RAM地址高8bit又叫頁碼。網卡的16k的RAM地址從0x400020x7fff,從頁0x40到頁0x7f,一共有64頁。64頁被接收和發(fā)送數據包用。接收和發(fā)送都是以頁為最小的單位進行的。接收緩沖區(qū)需要定義，剩下的就可以作為發(fā)送緩沖區(qū)。

　　接收緩沖區(qū)由兩個寄存器決定：PSTART（PageStartRegister）和PSTOP（PageStopRegister）。設置了接收緩沖區(qū)之后，這個緩沖區(qū)就形成了一個循環(huán)隊列?？刂平邮站彌_區(qū)的有兩個寄存器CURR、BNRY。CURR是網卡寫緩沖區(qū)的指針，指向當前要寫的頁；BNRY是讀指針，指向用戶已經讀走的頁。

　　BNRY不可以超過CURR,否則沒被用戶讀取的數據就被覆蓋了。用戶設置完了CURR以后，就不用管它，網卡接收到新的數據后，會自動修改它。用戶讀出數據后，要修改BNRY的值，以通知網卡該數據已經讀出了。

網卡RAM區(qū)如圖2所示，我們設置PSTART和PSTOP,就決定了接收區(qū)域在46和7F之間，剩下6頁作為發(fā)送緩沖區(qū)，可以滿足一次發(fā)送容量為1514byte的最大以太網數據包的要求。CURR初始值設為47,BNRY初始值設為46。當收到新的數據包時（例如3頁），網卡將它們依次放到47、48和49頁，CURR自動指向4A頁。當我們讀完這3頁的數據包后，要將BNRY改為49,以通知網卡數據包已經讀完了。

?

　　網卡芯片接收到以太網數據包后，存在CURR指向的頁面中。一個數據包可以占據一頁，也可以占據多頁。在接收包的包頭里，保存有該包的信息。包頭格式如表1:

?

　　讀完這個包頭，我們就能知道本包的接收狀態(tài)，包長度，以及下一個包的位置。在接收循環(huán)中，檢查中斷狀態(tài)寄存器ISR狀態(tài)，發(fā)現有新包來，先讀取包頭信息，接著按照包頭指示讀取全包，然后改寫B(tài)NRY,再接著讀下一個包，這樣循環(huán)，直到達到CURR位置。注意，一個包有可能占據接收緩沖區(qū)的首、尾頁面，此時須小心讀取。

　　發(fā)送數據包比較簡單，將準備好的數據用DMA傳到發(fā)送緩沖區(qū)，然后設置發(fā)送長度到TBCR1和TBCR0中，再設置傳輸開始頁面，即令TPSR=0x40,最后，使CR=0x26,就開始傳送了。

　　傳送完成后要清掉中斷狀態(tài)寄存器ISR的發(fā)送完成標志。值得注意的是，發(fā)送包的包長度不能小于以太網規(guī)定的60byte,否則網卡不會將其發(fā)出。

　　3　TCP/IP協(xié)議在單片機上的軟件設計

　　3.1　TCPIP協(xié)議棧和鏈路層格式

　　Internet上使用的是TCP/IP協(xié)議簇，由下至上包含四層：數據鏈路層、網絡層（IP）、傳輸層（TCP）和應用層。我們在單片機上能實現的是數據鏈路層的功能，上層協(xié)議鑒于單片機有限的資源，只能實現部分功能。TCP/IP協(xié)議棧如表2:

?

　　數據鏈路層處于協(xié)議棧的最低層，傳輸以太網的物理傳輸幀，其幀格式如表3：

?

　　數據鏈路層是所有TCP/IP包的基礎，所有它上層的包都被封裝到鏈路層幀的數據段中。鏈路層就是MAC對MAC的通信。

　　3.2　PING命令在單片機上的實現

　　PING是網絡層（IP層）的命令，網絡層就是IP對IP之間的通信。主機對一個目標IP地址發(fā)出狀態(tài)請求，后者發(fā)出回應，這樣，就可以用來檢查兩者之間的線路是否暢通。這里涉及到兩個網絡層協(xié)議：

　　ARP和ICMP。首先，網絡中要知道目標IP的MAC地址，才能發(fā)送數據。為了獲取該地址，我們向整個網絡發(fā)送一個ARP廣播包，詢問該IP對應的MAC地址，然后目標IP應答，我們就從應答信息中得到MAC地址。其次，發(fā)送一個ICMP包，請求目標IP狀態(tài)，目標IP回應，就完成網絡連接測試。在我們的實驗中，發(fā)出PING命令的是網絡中的PC主機，接收信號并產生響應的是我們的單片機系統(tǒng)。我們假定單片機系統(tǒng)控制的網卡的IP為192.168.0.176。

　　第一步，實現ARP協(xié)議。ARP協(xié)議是"AddressResolutionProtocol"（地址解析協(xié)議）的縮寫，它的作用是將IP地址轉換成物理地址（就是常說的MAC地址）。協(xié)議ARP的分組格式如表4:

?

　　當單片機主處理器處理網卡收到的ARP廣播請求時，如果發(fā)現是請求“192.168.0.176”的MAC地址，于是按要求打一個ARP應答包，將自己的MAC地址放到應答包中，發(fā)送回網絡就完成了PING的第一步。注意，要在應答包尾加18byte的補丁，否則應答包長度不滿足最小60byte的要求。

　　第二步，實現ICMP協(xié)議。ICMP是“InternetControlMessageProtocol”（Internet控制消息協(xié)議）的縮寫。用于在IP主機、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網絡本身的消息。這些控制消息雖然并不傳輸用戶數據，但是對于用戶數據的傳遞起著重要的作用。

　　ICMP是封裝在IP協(xié)議中，所以有IP包頭。

　　ICMP協(xié)議結構如表5：

?

　　網絡主機在收到ARP的應答包后，取出其中的MAC地址，然后向該MAC發(fā)出ICMP請求。主處理器處理該請求時，將請求包的標識和序列號對應填入ICMP應答包，其它部分按要求填寫。校驗和的計算有成熟的公式，容易計算，只要先把校驗和部分置0,將包頭的計算結果再填入校驗和就可以了。

　　最后將該ICMP應答包送入網絡，這樣就完成了PING的全過程。此時，發(fā)出PING命令的網絡主機就會得到“Replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msTTL=128”的信息。

　　4　串行數據與網絡的數據交換的討論

　　網絡層之上，有兩種傳輸層協(xié)議：TCP（Trans2missionControlProtocol）和UDP（UserDatagramProtocol）。對于數據傳輸要求高的場合，需要使用TCP協(xié)議作為雙方通信方式，但此種方式較為復雜。而對于一些實時信號及其反向控制信號的傳遞，實現UDP協(xié)議就可以滿足要求了。表6是UDP協(xié)議結構：

?

　　當原始數據從串口送到到主處理器后，主處理器將其打包成UDP報文，發(fā)送到網絡中。網絡端監(jiān)控主機接收并處理該UDP報文，然后將控制信息同樣以UDP報文發(fā)出。主處理器把網絡控制信號返回給串口。這樣，我們在Internet中就可以方便地完成對現場串口數據源的監(jiān)視和控制過程。

　　5　結語

　　因為單片機對于各種電器設備有良好的接入和控制能力，所以，我們實現了單片機的網絡接入功能后，就在電器的硬件設備和網絡之間建起了一道橋梁。通過它，可以實現對各種實時信號、儀器儀表、家用設施等目標的遠程監(jiān)視，在宏觀上對各種設備統(tǒng)一管理，實現人與系統(tǒng)的和諧的交互。這必將大大提高工作效率，改善工作環(huán)境，提升人們的生產、生活水平。

?