用8位單片機實現串口-以太網轉換器

單片機或微控制器(MCU)（也稱為嵌入式系統）已經在各個領域得到了廣泛的應用。目前絕大多數系統都是以MCU為核心，與一些監測、伺服、指示設備配合實現一定的功能。以太網是當今最受歡迎的局域網之一，現已成為社會重要的基礎信息設施之一, 是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系統能夠連接到Internet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方。

?????? 將嵌入式系統與Internet相連的主要困難在于：Internet上面的各種通信協議對于存儲器、運算速度等的要求比較高，而嵌入式系統中除部分32位處理器以外，大量存在的是8位和16位MCU，支持TCP/IP等Internet協議將占用大量系統資源，從而影響本來的功能或根本不可能實現。

?????? 本文根據所做項目需要,用8031單片機和RTL8019AS網卡實現了RS485串口設備數據文件通過以太網傳輸到遠端計算機的功能。?

?? 1? 串行通訊

?????? 串行通訊在通訊領域被廣泛應用。標準的RS232接口已成為計算機、計算機外設、交換機和許多通訊設備的標準接口。在我國工業總線的應用中，RS-485、RS-422使用最為普遍。

?????? 在串行接口連接中，按連接方式可分為面向連接和無連接。無連接原理比較簡單，通訊雙方無握手過程。一方如有數據需要發送，則立即通過串行接口發送出去，另一方被動接受。該方式能夠達到較高的通訊速率，但不能保證數據傳輸的可靠性，只用于一些對數據可靠性要求不高的場合，如語音、圖像等。而面向通訊過程則不同，在甲方有數據發送請求時，則向乙方發送“請求發送數據”命令。乙方收到后，如準備就緒，則回送確認信息。甲方得到乙方的確認后方可發送數據。在大多數情況下，乙方要對收到的數據進行校驗，校驗正確發送“通訊終止”命令，否則可發送“重發”命令。面向連接的串行通訊過程實踐起來通常要復雜得多，通常用于數據文件的傳輸。

?????? 2? 以太網的物理傳輸幀

?????? 標準IEEE802.3幀結構有七部分組成，如表1所示。其中除了數據域的長度不固定外，其他的長度都是固定不變的。在發送數據時，幀頭、起始位和校驗位都是網卡自動添加的；在接收數據時，幀頭和起始位將被網卡自動跳過，即網卡一旦檢測到有效幀頭和幀起始位,就認為有效數據開始,并將有效數據存入接收緩沖環。

?3? 以太網卡

?????? RTL8019AS網卡是8/16位ISA總線的網卡，遵循的標準與協議為IEEE802.3。按功能可將其劃分為接收功能模塊、CRC產生模塊、發送功能模塊、地址識別模塊、FIFO控制模塊、協議邏輯陣列模塊以及DMA和緩沖控制模塊等部分。對網卡進行編程就可以實現局域網內任意站點之間的通信而不需要網絡操作系統的支持。

?????? 熟悉網卡接口電路是實現對網卡編程的首要條件。網卡接口電路可分為兩部分，一是與計算機ISA總線相連，包括數據總線讀寫、地址總線驅動、中斷控制信號的產生、存儲器讀寫信號以及I/O端口讀寫信號的引入等；二是對網卡內部的操作，包括對緩沖RAM的讀寫、對RTL8019AS的控制、讀站地址PROM以及讀自舉ROM等。ISA總線共有98個信號，但通過對網卡工作原理的分析，我們可以將接口信號線減至最少。表2是驅動RTL8019AS網卡所需的最少的信號線。

?4? 硬件框圖

?????? 系統采用8031作為CPU主芯片，使用32K字節的外部存儲器62256來存放以太網包（最大可以有1500字節）和串行數據， 8K字節的2764存放程序，用75176與485總線通訊。系統的數據與地址總線分別與網卡的數據與地址總線相連。硬件框圖如圖1所示。

5? 軟件設計

?????? 對網卡的編程就是對網絡接口控制器（NIC）RTL8019AS中各種寄存器進行編程控制，從而完成數據分組的正確發送和接收。所有程序采用Franclin C51語言編制，具有可讀性強，移植性好，開發周期短的特點。即使在代碼的使用效率上，也完全可以和匯編語言相比。

?????? 5.1? 主程序

?????? 主程序可分為網絡通訊和串行通訊兩部分。網絡通訊過程又可分為網卡初始化、發送控制和接收控制等三部分。主程序框圖如圖2所示。

5.2 ?網卡初始化過程

?????? 對網卡的初始化就是對相關寄存器進行初始化。這些寄存器包括CR、DCR、RBCR、PSTART、PSTOP、

ISR、IMR、PAR0-PAR5、MAR0-MAR5、CURR、TCR和RCR等。初始化過程如下：

?????? （1）CR=0x21：選擇頁0寄存器，將NIC處于離線狀態；

?????? （2）DCR=0x88：8位內存訪問，正常工作方式；

?????? （3）RBCR0=0，RBCR1=0：遠程DMA操作時傳遞字節數清零；

?????? （4）RCR=0xc0：接收到的幀存入緩沖環；

?????? （5）TCR=0xe2：環路測試狀態；

?????? （6）PSTART=0x4c，PSTOP=0x80：構造緩沖環；

?????? （7）ISR=0xff：中斷寄存器清零；

?????? （8）IMR=0x00：屏蔽所有的中斷；

?????? （9）CR=0x61：選擇頁1；

?????? （10）設置網卡地址PAR0-PAR5；

?????? （11）設置多址寄存器MAR0-MAR5；

?????? （12）CURR=0x4d：初始化當前頁寄存器；

?????? （13）CR=0x22：選擇頁1，正常工作狀態；

?????? （14）TCR=0XE0：發送器正常工作狀態；

?????? 5.3 ?發送控制過程

?????? 在網絡中，幀傳輸的過程就是發送方將待發送的數據按幀格式要求封裝成幀，然后通過網卡發送到網絡的傳輸線上。發送程序框圖如圖3所示。

?????? 5.4 ?接收控制過程

?????? 幀的接收過程分為兩步：第一步由本地DMA將幀存入接收緩沖環中；第二步由遠程DMA將接收緩沖環中的幀讀入內存。即將網絡上的數據幀接收并緩存在網卡的接收緩沖環中，然后由主機程序將緩存在緩沖環中的幀讀走并存入內存中。

?????? 幀的接收工作由網卡自動完成，只需對與相關的寄存器如PSTART、PSTOP、CURR和BNRY進行適當的初始化即可。

?????? 幀讀入較幀接收要復雜一些。首先必須初始化相應的寄存器RSAR、RBCR，然后再啟動遠程DMA讀操作和主機程序的讀端口操作。

?以下是接收數據幀的子程序，為了獲得數據長度，我們先讀入18個字節的數據，然后根據有效數據的長度將幀完整讀入。為了啟動遠程DMA讀操作，應該令CR=0AH，遠程DMA將從接收緩沖環的DMA地址處讀入1字節并送往I/O數據端口，由主機程序讀入內存。這一過程將一直持續到RBCR寄存器為0。

?????? 5.5 ?串口通訊子程序

?????? 為實現數據文件的串口傳輸編制了一個串口通訊協議，該協議由引導幀、長度幀、數據幀和確認幀等組成。其中引導幀是用于同步每一包數據的引導頭，長度幀是這一包數據的總長度，數據幀是其中的數據信息，確認幀是接收方對發送方的回應。每幀數據由16個字節組成，每幀的第14個字節為標志位，第15字節為校驗位。標志位中有2位幀標志位，3位序號位；校驗采用和校驗，只計算0-13字節，溢出值舍去。在發送方有數據發送時，先檢測線路是否空閑，如線路空閑則向接收方發送“請求發送數據”命令幀。接收機收到后，如準備就緒，則回送“可以發送”的確認

命令。發送方得到確認后開始發送數據。接收方對收到的每一幀數據進行和校驗，校驗正確發送“和校驗正確”命令，發送方發送下一幀；否則發送“重發”命令，發送方重發此幀。協議中還具有等待超時處理、幀不同步處理和線路沖突檢測功能。

?????? 6? 結束語

?????? 利用8位單片機8031驅動ISA總線網卡，實現串口設備通過以太網進行通訊，可以方便、可靠、低廉地將數據傳輸到遠端設備。而且，通過串口設備與以太網的相連，可以很好的解決多種工業總線的系統集成問題，同時也大大豐富了工業總線的體系，促使其向更高層次發展。可以預計，小型串口設備與以太網相連將帶來一場新的技術浪潮。