摘 要：本文主要提出了一種基于普通單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接入模塊的設(shè)計(jì)方案。網(wǎng)絡(luò)接入模塊是廉價(jià)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)接入方案，它可以將具有RS-232等接口的測(cè)控設(shè)備簡(jiǎn)單又直接地連接在局域網(wǎng)上，利用豐富現(xiàn)成的局域網(wǎng)資源，組成一系列局域網(wǎng)的分布式測(cè)控系統(tǒng)，可以作為一種新的實(shí)用測(cè)控網(wǎng)絡(luò)分布式控制的方法。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)接入模塊，TCP，IP，UDP ，ARP

一、前言

　　利用現(xiàn)有局域網(wǎng)的豐富資源，組建局域網(wǎng)分布式測(cè)控系統(tǒng)是一種低成本、高可靠性、快捷的技術(shù)方案。局域網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)的組成方式有以下三種。方案一采用PC機(jī)+網(wǎng)卡+采集卡組成局域網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將由現(xiàn)場(chǎng)總線連接測(cè)控設(shè)備組成的分布式測(cè)控系統(tǒng)接入局域網(wǎng)，將管理PC機(jī)放在局域網(wǎng)內(nèi)，組成一個(gè)較大的自控系統(tǒng)。這種組成方式成本很高，只適用于大的控制系統(tǒng)。方案二采用嵌入式系統(tǒng)+局域網(wǎng)卡+采集卡來組成局域網(wǎng)測(cè)控網(wǎng)關(guān)。嵌入式系統(tǒng)實(shí)際上是在硬件和軟件上均可按用戶需要進(jìn)行配置的微型機(jī)。所以，實(shí)際上它是第一種方案的簡(jiǎn)化和微型化。它的成本比第一種有所下降，但價(jià)格還是較高。方案三則由于最近網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，人們利用單片機(jī)加上局域網(wǎng)接口芯片組成網(wǎng)絡(luò)接入模塊。它以單片機(jī)取代PC機(jī)，用局域網(wǎng)接口芯片取代局域網(wǎng)卡，并只需一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，使測(cè)控方案的價(jià)格大大下降。這就使測(cè)控設(shè)備能以低廉的費(fèi)用，以簡(jiǎn)捷的方式接入局域網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)信息家電、IC卡網(wǎng)絡(luò)控制等變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使局域網(wǎng)分布式測(cè)控系統(tǒng)能得到迅速的發(fā)展。

二、 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)基本原理與網(wǎng)絡(luò)接入模塊的組成及結(jié)構(gòu)

　　1. TCP/IP網(wǎng)絡(luò)基本原理及TCP/IP的具體連接過程

　　TCP/IP協(xié)議是把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速傳輸。參考開放系統(tǒng)互連（OSI）模型，TCP/IP通常采用一種簡(jiǎn)化的四層模型，分別為：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)際層、網(wǎng)絡(luò)接口層。其中網(wǎng)絡(luò)接口層由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，如Ethernet 協(xié)議等，為TCP/IP協(xié)議組的下層物理電氣層接口。網(wǎng)際層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)上，IP協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制并定義了IP數(shù)據(jù)幀的格式。同時(shí)為了建立網(wǎng)絡(luò)間的互連，應(yīng)提供ARP地址解析協(xié)議，實(shí)現(xiàn)從IP地址到網(wǎng)絡(luò)物理地址的映射，并用RARP逆向地址解析協(xié)議實(shí)現(xiàn)物理地址到IP地址的映射。傳輸層讓網(wǎng)絡(luò)程序通過定義的通道，端口等獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡(luò)連接的端口號(hào)等，實(shí)現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層要有一個(gè)定義應(yīng)用的會(huì)話過程，如Http、Ftp、Telnet等。

　　2.網(wǎng)絡(luò)接入模塊的組成及結(jié)構(gòu)

　　網(wǎng)絡(luò)接入模塊就是局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器。它主要在網(wǎng)絡(luò)層完成局域網(wǎng)TCP/IP協(xié)議和測(cè)控設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線RS-232協(xié)議的轉(zhuǎn)換，完成局域網(wǎng)和測(cè)控設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)不同局域網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

　　由于網(wǎng)絡(luò)接入模塊的接口豐富，且價(jià)格低廉，所以它可以直接將具有RS-232、RS-485（需通過轉(zhuǎn)接口實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接）接口的測(cè)控設(shè)備接入局域網(wǎng)，組成局域網(wǎng)分布式測(cè)控系統(tǒng)，而不需要再架設(shè)現(xiàn)場(chǎng)總線。

　　網(wǎng)絡(luò)接入模塊的組成如圖1所示，其主要由單片機(jī)和局域網(wǎng)接口芯片組成。

圖1、網(wǎng)絡(luò)接入模塊的組成原理結(jié)構(gòu)圖

　　局域網(wǎng)接口芯片可選用符合IEEE802.3協(xié)議通用接口芯片，如RTL8019AS等芯片。這些芯片完成與局域網(wǎng)在物理層上的通信任務(wù)，采用RJ-45插口，可以直接連接到局域網(wǎng)上。

　　網(wǎng)絡(luò)接入模塊中的單片機(jī)可選用普通單片機(jī)，如AT系列的AT89C52等。單片機(jī)閃存（或外接EEPROM）內(nèi)用匯編語言寫入TCP/IP通信協(xié)議，以及與RS-232、RS-485等現(xiàn)場(chǎng)串行總線通信協(xié)議。它負(fù)責(zé)完成網(wǎng)際層、網(wǎng)絡(luò)接口層的協(xié)議轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)交換任務(wù)。它將從局域網(wǎng)接收來的UDP包，進(jìn)行拆包，取出數(shù)據(jù)，再按RS-232、RS-485等現(xiàn)場(chǎng)串行總線通信協(xié)議重新組成幀，發(fā)送給測(cè)控設(shè)備;或者將測(cè)控設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀，重新打成IP包，向局域網(wǎng)服務(wù)器發(fā)送。

三、網(wǎng)絡(luò)接入模塊的硬件設(shè)計(jì)與工作原理

　　1.硬件原理框圖

　　系統(tǒng)提供RJ45接口連接局域網(wǎng)，并且提供一個(gè)RS-232總線的串口并控制測(cè)控設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)接入模塊可以將從局域網(wǎng)上過來的UDP數(shù)據(jù)報(bào)解包后送給對(duì)應(yīng)的串口，也可將從串口過來的數(shù)據(jù)封裝為UDP包送到局域網(wǎng)中。單片機(jī)采用62256外部RAM芯片來暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并保存中間處理結(jié)果以及作為與UDP服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的緩沖區(qū)：如在發(fā)生UDP數(shù)據(jù)發(fā)送錯(cuò)誤需要重新發(fā)送時(shí)，將數(shù)據(jù)再次從RAM中取出并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，而在數(shù)據(jù)發(fā)送后被正確接收后才將該幀數(shù)據(jù)沖內(nèi)存單元內(nèi)刪除。使用EEPROM芯片，既可以作為看門狗（用于單片機(jī)程序故障時(shí)自動(dòng)復(fù)位）使用，也可以保存IP地址、網(wǎng)卡物理地址和其他參數(shù)。具體，網(wǎng)絡(luò)接口模塊的硬件原理框圖如圖2所示：

圖2、網(wǎng)絡(luò)接入模塊的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖

　　其中AT89C52單片機(jī)采用P0.0～P0.7口與RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的數(shù)據(jù)端口SD0～SD7連接，單片機(jī)的P2.0～P2.4與網(wǎng)卡芯片地址端口SA0～SA4連接，單片機(jī)P3.7、P3.6分別對(duì)應(yīng)網(wǎng)卡芯片的IORB、IOWB端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的交換及TCP/IP通信的實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的P2.5、P2.6端口分別對(duì)應(yīng)AT24C512的串行EEPROM的SCL，SDA口。AT24C512中存放IP地址，網(wǎng)卡物理地址等設(shè)備參數(shù)。單片機(jī)與62256RAM芯片的數(shù)據(jù)接口采用時(shí)分復(fù)用片選方式用P0.0～P0.7口與62256的D0～D7口交換數(shù)據(jù)，用P1.0 ～P1.7來控制62256內(nèi)存單元的物理地址進(jìn)行數(shù)據(jù)存放控制。單片機(jī)通過P3.0～P3.3端口分別與MAX232芯片（其作用是將TTL電平轉(zhuǎn)變?yōu)镽S-232電平）串口控制的片選信號(hào)，然后根據(jù)相應(yīng)的串口線路進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳送。而串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過CTS控制信號(hào)進(jìn)行MAX232芯片的選通，然后MAX232芯片輸出中斷信號(hào)來分別與單片機(jī)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)交換及自定義通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

　　2.網(wǎng)絡(luò)接入模塊的工作原理及流程

　　網(wǎng)絡(luò)接入模塊上電復(fù)位后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后分別接受數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送預(yù)處理（數(shù)據(jù)打包、拆包）-網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送-自定義通信協(xié)議的數(shù)據(jù)處理等操作。

　　根據(jù)單片機(jī)的程序的不同可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)TCP/IP的數(shù)據(jù)通信：即采用TCP和UDP兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是TCP連接的方式采用可靠連接，雖然系統(tǒng)的可靠性高，但建立可靠連接的系統(tǒng)開銷大，不適用于采用傳輸數(shù)據(jù)量少的場(chǎng)合。所以采用UDP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并采用上層出錯(cuò)重發(fā)等協(xié)議來進(jìn)行差錯(cuò)控制。采用UDP的單片機(jī)算法流程如下:

圖3.單片機(jī)UDP通信的算法流程

　　在單片機(jī)相關(guān)的存儲(chǔ)器中寫入相應(yīng)UDP的控制處理程序，進(jìn)行UDP的數(shù)據(jù)打包、拆包，檢驗(yàn)等處理和ARP地址解析的處理并進(jìn)行自定義通信協(xié)議握手連接等處理，以確保測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的正確傳輸。

四、 網(wǎng)絡(luò)接入模塊對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)PC機(jī)通信軟件的實(shí)現(xiàn)

　　網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)通過WINDOWS的TCP/IP編程的Winsock機(jī)制來實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)接入模塊的控制與通信。在一臺(tái)作為服務(wù)器的計(jì)算機(jī)上設(shè)置一個(gè)TCP/IP端口監(jiān)控的程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)接入模塊發(fā)到局域網(wǎng)的UDP數(shù)據(jù)報(bào)。對(duì)于UDP數(shù)據(jù)報(bào)傳送方式，上層服務(wù)器先建立一個(gè)套接字，然后把它和本地接口綁定在一起，由這個(gè)綁定的套接字接口讀入U(xiǎn)DP數(shù)據(jù)，并在UDP數(shù)據(jù)拆包后進(jìn)行自己定義通信協(xié)議的處理（包括安全驗(yàn)證、出錯(cuò)重發(fā)及用戶自定義幀格式等的處理）。具體的單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的UDP收發(fā)數(shù)據(jù)流程如下圖所示：

圖4、UDP數(shù)據(jù)通信Winsock方式工作流程

五、 網(wǎng)絡(luò)接入模塊應(yīng)用中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題

　　在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)接入模塊組建局域網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)際過程中，要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，注意以下幾個(gè)問題：

　　1.網(wǎng)絡(luò)接入模塊的處理及傳輸速度

　　在利用網(wǎng)絡(luò)接入模塊組成的局域網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)中，上位PC機(jī)與下位測(cè)控設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換的速度取決于網(wǎng)絡(luò)接入模塊的處理及傳輸速度：網(wǎng)絡(luò)接入模塊的處理速度主要取決于實(shí)際需要處理的數(shù)據(jù)計(jì)算量和單片機(jī)的處理速度;而網(wǎng)絡(luò)接入模塊的傳輸速度取決于局域網(wǎng)接口芯片的速度、單片機(jī)的處理速度，以及網(wǎng)絡(luò)接入模塊和測(cè)控設(shè)備交換數(shù)據(jù)的方式。在一般的測(cè)控系統(tǒng)中，要傳送的僅僅是控制命令和測(cè)量反饋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量及需要單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)計(jì)算量不大。網(wǎng)絡(luò)接入模塊與測(cè)控設(shè)備之間采用RS-232串口方式連接，其通信速率僅幾十kb/s～上百kb/s。這時(shí)局域網(wǎng)接口芯片的速度（10Mb/s）和微處理器的速度就遠(yuǎn)大于串口通信速度。網(wǎng)絡(luò)接入模塊的傳輸速率就取決于串口的通信速率。

　　局域網(wǎng)接口芯片的速度已達(dá)10 Mb/s，遠(yuǎn)大于微處理器的速度，遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)與測(cè)控設(shè)備的數(shù)據(jù)交換速度，遠(yuǎn)大于測(cè)控工作的要求，所以滿足應(yīng)用要求。

　　2.網(wǎng)絡(luò)接入模塊的IP地址

　　局域網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)中，測(cè)控設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)接入模塊進(jìn)入局域網(wǎng)，就必須確定自己的IP地址。網(wǎng)絡(luò)接入模塊的IP地址有活動(dòng)IP和固定IP兩種獲取的方法：上電時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接入模塊軟件自動(dòng)在系統(tǒng)中搜尋是否有代理服務(wù)器。若有代理服務(wù)器，則申請(qǐng)并由代理服務(wù)器分配給一個(gè)活動(dòng)IP地址，作為網(wǎng)絡(luò)接入模塊的IP地址;若系統(tǒng)中沒有代理服務(wù)器，則啟用單片機(jī)在硬件上設(shè)立的一個(gè)固定IP地址作為網(wǎng)絡(luò)接入模塊的IP地址。通常在局域網(wǎng)內(nèi)所需要控制的網(wǎng)絡(luò)接入模塊較少時(shí)，如連同同一局域網(wǎng)內(nèi)工作站不超過255臺(tái)時(shí)，可以分別為網(wǎng)絡(luò)接入模塊分配獨(dú)立的IP地址，以簡(jiǎn)化處理，方便單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，否則只能采用代理服務(wù)器的方式動(dòng)態(tài)分配IP地址。

　　3.安全控制

　　在小型封閉的局域網(wǎng)中進(jìn)行測(cè)控，安全問題不大，但為確保系統(tǒng)安全，在網(wǎng)絡(luò)接入模塊中，單片機(jī)采用48～128位的用戶密碼來保護(hù)測(cè)控設(shè)備的安全，并將部分關(guān)鍵命令碼變換加密。合法用戶可以修改、設(shè)定自己的密碼。非法用戶即使竊取了網(wǎng)絡(luò)接入模塊的IP地址，沒有密碼，也無法通過網(wǎng)絡(luò)接入模塊來操作測(cè)控設(shè)備。

　　4.實(shí)時(shí)性問題

　　測(cè)控系統(tǒng)在很多場(chǎng)合都要強(qiáng)調(diào)它的實(shí)時(shí)性，但局域網(wǎng)不是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。由于它的載波偵聽碰撞檢測(cè)（CSMA/CD）通信方式，決定了局域網(wǎng)中IP包的傳輸會(huì)有延遲，甚至丟包，這是利用局域網(wǎng)組成分布式測(cè)控系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)。但是，現(xiàn)在局域網(wǎng)的速度越來越快，百兆網(wǎng)甚至千兆網(wǎng)，或在一些小型封閉的局域網(wǎng)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的繁忙程度大為減輕時(shí)，IP包幾乎沒有碰撞，傳輸延遲、丟包現(xiàn)象就大大減小，不會(huì)影響測(cè)控系統(tǒng)的正常工作。同時(shí)，在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層之上，可增加應(yīng)答協(xié)議，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，增加一定大小的緩沖存儲(chǔ)器暫存未應(yīng)答的數(shù)據(jù)包直到應(yīng)答為止，丟包的問題就可基本克服。而且可以將直接連接網(wǎng)絡(luò)接入模塊的網(wǎng)線通過交換機(jī)中轉(zhuǎn)連入局域網(wǎng)，以保證其交換速度。

六、網(wǎng)絡(luò)接入模塊的應(yīng)用前景

　　基于單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接入模塊可以滿足一般測(cè)控系統(tǒng)的要求，而且它的成本低、體積小，便于在智能樓宇，校園一卡通等工程項(xiàng)目中推廣。它可以作為一個(gè)模塊，直接嵌入到測(cè)控設(shè)備，生產(chǎn)新一代的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控設(shè)備、信息家電等嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。這必將大大促進(jìn)局域網(wǎng)測(cè)控系統(tǒng)、信息家電等自動(dòng)控制設(shè)備的發(fā)展。

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