摘 要：本文主要提出了一種基于普通單片機的網(wǎng)絡接入模塊的設計方案。網(wǎng)絡接入模塊是廉價的測控網(wǎng)絡接入方案，它可以將具有RS-232等接口的測控設備簡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)的分布式測控系統(tǒng)，可以作為一種新的實用測控網(wǎng)絡分布式控制的方法。

關鍵詞：網(wǎng)絡接入模塊，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)分布式測控系統(tǒng)是一種低成本、高可靠性、快捷的技術方案。局域網(wǎng)測控系統(tǒng)的組成方式有以下三種。方案一采用PC機+網(wǎng)卡+采集卡組成局域網(wǎng)測控網(wǎng)關，進行協(xié)議轉換，將由現(xiàn)場總線連接測控設備組成的分布式測控系統(tǒng)接入局域網(wǎng)，將管理PC機放在局域網(wǎng)內，組成一個較大的自控系統(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)測控網(wǎng)關。嵌入式系統(tǒng)實際上是在硬件和軟件上均可按用戶需要進行配置的微型機。所以，實際上它是第一種方案的簡化和微型化。它的成本比第一種有所下降，但價格還是較高。方案三則由于最近網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢，人們利用單片機加上局域網(wǎng)接口芯片組成網(wǎng)絡接入模塊。它以單片機取代PC機，用局域網(wǎng)接口芯片取代局域網(wǎng)卡，并只需一臺網(wǎng)絡計算機進行監(jiān)控，使測控方案的價格大大下降。這就使測控設備能以低廉的費用，以簡捷的方式接入局域網(wǎng)，使網(wǎng)絡信息家電、IC卡網(wǎng)絡控制等變?yōu)楝F(xiàn)實，使局域網(wǎng)分布式測控系統(tǒng)能得到迅速的發(fā)展。

二、 TCP/IP網(wǎng)絡基本原理與網(wǎng)絡接入模塊的組成及結構

　　1. TCP/IP網(wǎng)絡基本原理及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通常采用一種簡化的四層模型，分別為：應用層、傳輸層、網(wǎng)際層、網(wǎng)絡接口層。其中網(wǎng)絡接口層由控制同一物理網(wǎng)絡上的不同機器間數(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)絡的主機上，IP協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機制并定義了IP數(shù)據(jù)幀的格式。同時為了建立網(wǎng)絡間的互連，應提供ARP地址解析協(xié)議，實現(xiàn)從IP地址到網(wǎng)絡物理地址的映射，并用RARP逆向地址解析協(xié)議實現(xiàn)物理地址到IP地址的映射。傳輸層讓網(wǎng)絡程序通過定義的通道，端口等獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡連接的端口號等，實現(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)絡應用層要有一個定義應用的會話過程，如Http、Ftp、Telnet等。

　　2.網(wǎng)絡接入模塊的組成及結構

　　網(wǎng)絡接入模塊就是局域網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)議轉換器。它主要在網(wǎng)絡層完成局域網(wǎng)TCP/IP協(xié)議和測控設備現(xiàn)場總線RS-232協(xié)議的轉換，完成局域網(wǎng)和測控設備及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡間的互聯(lián)，實現(xiàn)不同局域網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡設備之間的數(shù)據(jù)交換。

　　由于網(wǎng)絡接入模塊的接口豐富，且價格低廉，所以它可以直接將具有RS-232、RS-485（需通過轉接口實現(xiàn)轉接）接口的測控設備接入局域網(wǎng)，組成局域網(wǎng)分布式測控系統(tǒng)，而不需要再架設現(xiàn)場總線。

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

圖1、網(wǎng)絡接入模塊的組成原理結構圖

　　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，采用RJ-45插口，可以直接連接到局域網(wǎng)上。

　　網(wǎng)絡接入模塊中的單片機可選用普通單片機，如AT系列的AT89C52等。單片機閃存（或外接EEPROM）內用匯編語言寫入TCP/IP通信協(xié)議，以及與RS-232、RS-485等現(xiàn)場串行總線通信協(xié)議。它負責完成網(wǎng)際層、網(wǎng)絡接口層的協(xié)議轉換，數(shù)據(jù)交換任務。它將從局域網(wǎng)接收來的UDP包，進行拆包，取出數(shù)據(jù)，再按RS-232、RS-485等現(xiàn)場串行總線通信協(xié)議重新組成幀，發(fā)送給測控設備;或者將測控設備發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀，重新打成IP包，向局域網(wǎng)服務器發(fā)送。

三、網(wǎng)絡接入模塊的硬件設計與工作原理

　　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RS-232總線的串口并控制測控設備。網(wǎng)絡接入模塊可以將從局域網(wǎng)上過來的UDP數(shù)據(jù)報解包后送給對應的串口，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。單片機采用62256外部RAM芯片來暫時存儲數(shù)據(jù)，并保存中間處理結果以及作為與UDP服務器端進行數(shù)據(jù)通信的緩沖區(qū)：如在發(fā)生UDP數(shù)據(jù)發(fā)送錯誤需要重新發(fā)送時，將數(shù)據(jù)再次從RAM中取出并發(fā)送到網(wǎng)絡，而在數(shù)據(jù)發(fā)送后被正確接收后才將該幀數(shù)據(jù)沖內存單元內刪除。使用EEPROM芯片，既可以作為看門狗（用于單片機程序故障時自動復位）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)絡接口模塊的硬件原理框圖如圖2所示：

圖2、網(wǎng)絡接入模塊的硬件結構原理框圖

　　其中AT89C52單片機采用P0.0～P0.7口與RTL8019AS網(wǎng)卡芯片的數(shù)據(jù)端口SD0～SD7連接，單片機的P2.0～P2.4與網(wǎng)卡芯片地址端口SA0～SA4連接，單片機P3.7、P3.6分別對應網(wǎng)卡芯片的IORB、IOWB端口，實現(xiàn)對網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的交換及TCP/IP通信的實現(xiàn)。單片機的P2.5、P2.6端口分別對應AT24C512的串行EEPROM的SCL，SDA口。AT24C512中存放IP地址，網(wǎng)卡物理地址等設備參數(shù)。單片機與62256RAM芯片的數(shù)據(jù)接口采用時分復用片選方式用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內存單元的物理地址進行數(shù)據(jù)存放控制。單片機通過P3.0～P3.3端口分別與MAX232芯片（其作用是將TTL電平轉變?yōu)镽S-232電平）串口控制的片選信號，然后根據(jù)相應的串口線路進行串口數(shù)據(jù)傳送。而串口接收數(shù)據(jù)時，通過CTS控制信號進行MAX232芯片的選通，然后MAX232芯片輸出中斷信號來分別與單片機進行串口數(shù)據(jù)交換及自定義通信協(xié)議的實現(xiàn)。

　　2.網(wǎng)絡接入模塊的工作原理及流程

　　網(wǎng)絡接入模塊上電復位后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后分別接受數(shù)據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送預處理（數(shù)據(jù)打包、拆包）-網(wǎng)絡數(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)單片機的程序的不同可以采用兩種方式實現(xiàn)TCP/IP的數(shù)據(jù)通信：即采用TCP和UDP兩種方式進行數(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)量少的場合。所以采用UDP方式進行數(shù)據(jù)傳輸，并采用上層出錯重發(fā)等協(xié)議來進行差錯控制。采用UDP的單片機算法流程如下:

圖3.單片機UDP通信的算法流程

　　在單片機相關的存儲器中寫入相應UDP的控制處理程序，進行UDP的數(shù)據(jù)打包、拆包，檢驗等處理和ARP地址解析的處理并進行自定義通信協(xié)議握手連接等處理，以確保測控數(shù)據(jù)的正確傳輸。

四、 網(wǎng)絡接入模塊對應的網(wǎng)絡PC機通信軟件的實現(xiàn)

　　網(wǎng)絡計算機通過WINDOWS的TCP/IP編程的Winsock機制來實現(xiàn)與網(wǎng)絡接入模塊的控制與通信。在一臺作為服務器的計算機上設置一個TCP/IP端口監(jiān)控的程序，實時監(jiān)控網(wǎng)絡接入模塊發(fā)到局域網(wǎng)的UDP數(shù)據(jù)報。對于UDP數(shù)據(jù)報傳送方式，上層服務器先建立一個套接字，然后把它和本地接口綁定在一起，由這個綁定的套接字接口讀入UDP數(shù)據(jù)，并在UDP數(shù)據(jù)拆包后進行自己定義通信協(xié)議的處理（包括安全驗證、出錯重發(fā)及用戶自定義幀格式等的處理）。具體的單片機與計算機之間的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)絡接入模塊應用中的幾個關鍵技術問題

　　在應用網(wǎng)絡接入模塊組建局域網(wǎng)測控系統(tǒng)的實際過程中，要根據(jù)實際應用需要，注意以下幾個問題：

　　1.網(wǎng)絡接入模塊的處理及傳輸速度

　　在利用網(wǎng)絡接入模塊組成的局域網(wǎng)測控系統(tǒng)中，上位PC機與下位測控設備之間數(shù)據(jù)交換的速度取決于網(wǎng)絡接入模塊的處理及傳輸速度：網(wǎng)絡接入模塊的處理速度主要取決于實際需要處理的數(shù)據(jù)計算量和單片機的處理速度;而網(wǎng)絡接入模塊的傳輸速度取決于局域網(wǎng)接口芯片的速度、單片機的處理速度，以及網(wǎng)絡接入模塊和測控設備交換數(shù)據(jù)的方式。在一般的測控系統(tǒng)中，要傳送的僅僅是控制命令和測量反饋數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量及需要單片機處理的數(shù)據(jù)計算量不大。網(wǎng)絡接入模塊與測控設備之間采用RS-232串口方式連接，其通信速率僅幾十kb/s～上百kb/s。這時局域網(wǎng)接口芯片的速度（10Mb/s）和微處理器的速度就遠大于串口通信速度。網(wǎng)絡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10 Mb/s，遠大于微處理器的速度，遠大于網(wǎng)絡與測控設備的數(shù)據(jù)交換速度，遠大于測控工作的要求，所以滿足應用要求。

　　2.網(wǎng)絡接入模塊的IP地址

　　局域網(wǎng)測控系統(tǒng)中，測控設備通過網(wǎng)絡接入模塊進入局域網(wǎng)，就必須確定自己的IP地址。網(wǎng)絡接入模塊的IP地址有活動IP和固定IP兩種獲取的方法：上電時，網(wǎng)絡接入模塊軟件自動在系統(tǒng)中搜尋是否有代理服務器。若有代理服務器，則申請并由代理服務器分配給一個活動IP地址，作為網(wǎng)絡接入模塊的IP地址;若系統(tǒng)中沒有代理服務器，則啟用單片機在硬件上設立的一個固定IP地址作為網(wǎng)絡接入模塊的IP地址。通常在局域網(wǎng)內所需要控制的網(wǎng)絡接入模塊較少時，如連同同一局域網(wǎng)內工作站不超過255臺時，可以分別為網(wǎng)絡接入模塊分配獨立的IP地址，以簡化處理，方便單片機實現(xiàn)，否則只能采用代理服務器的方式動態(tài)分配IP地址。

　　3.安全控制

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

　　4.實時性問題

　　測控系統(tǒng)在很多場合都要強調它的實時性，但局域網(wǎng)不是一個實時系統(tǒng)。由于它的載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通信方式，決定了局域網(wǎng)中IP包的傳輸會有延遲，甚至丟包，這是利用局域網(wǎng)組成分布式測控系統(tǒng)最大的缺點。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，當網(wǎng)絡的繁忙程度大為減輕時，IP包幾乎沒有碰撞，傳輸延遲、丟包現(xiàn)象就大大減小，不會影響測控系統(tǒng)的正常工作。同時，在系統(tǒng)的網(wǎng)絡層之上，可增加應答協(xié)議，并根據(jù)實際應用情況，增加一定大小的緩沖存儲器暫存未應答的數(shù)據(jù)包直到應答為止，丟包的問題就可基本克服。而且可以將直接連接網(wǎng)絡接入模塊的網(wǎng)線通過交換機中轉連入局域網(wǎng)，以保證其交換速度。

六、網(wǎng)絡接入模塊的應用前景

　　基于單片機的網(wǎng)絡接入模塊可以滿足一般測控系統(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目中推廣。它可以作為一個模塊，直接嵌入到測控設備，生產(chǎn)新一代的網(wǎng)絡測控設備、信息家電等嵌入式應用系統(tǒng)。這必將大大促進局域網(wǎng)測控系統(tǒng)、信息家電等自動控制設備的發(fā)展。

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