基于AVR单片机的远程控制系统的研究.pdf

Me a s ur eme n t Con t r ol Te c hn o l o g y a n d I n s t r u men t s 基于 A V R单片机的远程控制系统的研究 徐 亚 娟 ，孙金 玮 ( 哈尔滨工业大 学 智能测试及信息处理技术研 究所， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 ) 摘 要 ：介绍 了一种利用 A V R单 片机和 R T L 8 0 1 9 A S以太 网控制 器实现的 R S 2 3 2接 口设备远程控 制 系统 ， 对 AV R 和 R T L 8 0 1 9 A S的硬 件 连 接 做 了详 细说 明 ， 并介 绍 了 R T L 8 0 1 9 A S的 工 作 原 理 及 系统 的 软 件 流 程 。该 统 可 实现 段 最 大长 度 为 1 0 0 m、 数 据 率 为 1 0 Mb p s的 以太 网数 据 接 收 与控 制 。 关键词 ：A V R单片机R T L 8 0 1 9 A S以太网控制器R S 2 3 2 T C P I P协议 随着 互 联 网的 日益 普 及 ， 各种 家 电设 备 、 仪 器 仪 表 以及 工业 生 产 中 的数 据采 集 与控 制 设备 在 逐 步地 走 向 网络 化 ， 以实现 分 布式 远程 监控 、 信 息 交换 与 共享 。 目 前广泛 使用 的 以太 网 以及 T C P I P协 议 已经成 为最 常用 的 网络标 准 之 一 ， 其 高速 、 可靠 、 分 层 以及 可 扩 充 性使 其 在各个 领域 的应 用越来 越灵 活 ， 很 多情 况下 采用 以太 网和 T C P I P， 能够 简化结 构和 降低成 本 。 目前 大 多 数 智 能 设 备 和仪 表 都 是 采 用 R S 2 3 2 4 8 5 或 U S B通讯 方 式 ，不 具备 远程 控 制 和数据 传输 能 力 。 利用 以太 网实现 工业 系统 远程控 制 ， 通过互 联 网共享 小 型嵌入 式设 备的 信息 ， 是工 业控 制研 究的发 展趋 势 。本 系统 采用 高速单 片机 AT me g a 6 4及 R T L 8 0 1 9 AS以太 网控 制器 ， 用 嵌入 式 T C P I P 协议 可 以实现 T C P和 U D P等 网 络功 能。 进 一 步实 现 H ， r I P协议 服 务 ， 实 现 We b S e v e r及 接入 I n t e me t的功 能。 1系统硬件 设计 系统 的结 构 框 图如 图 1所 示 ，AT me g a 6 4是 基 于增 强 的 A VR R I S C 结构 的低 功耗 8位 C MOS微控 制器 。内 带 6 4 K B的 F l a s h、 2 K B的 E Z P R OM、 4 KB的 S R AM。由于其 先进 的 指令集 以及单 时钟 周期指 令执行 时 间 ， A T m e g a 6 4 的数据 吞 吐率高 达 1 MI P S MHz ， 从 而 可以满 足 系统 在功 耗 和处理 速度方 面 的要 求 。 图 1 系统 结 构 框 图 R T L 8 0 1 9 A S 是 一 种 高 度 集 成 的 1 0 MB以 太 网 控 制 器 ，与 N E 2 0 0 0兼 容 ， 支 持 8位 、 1 6位 数 据 总线 ； 内置 1 6 K B S R A M 缓 存 ； 可 连接 同 轴 电缆 和双 绞 线， 并 可 自动 检 测所 连接 的介质 。 以太 网 隔离滤 波器选 用 2 0 F o 0 I N。 R T L 8 0 1 9 A S与 主处理 器 的接 口方式有 三种 ：跳线 方 式 、 P N P( 即插 即用 ) 方 式 和免 跳线 方 式 。R T L 8 0 1 9 AS的 第 6 5脚 J P决定 网卡 的工作 方式 ，本 设计 中 J P脚接 高 电 平 ( v c c ) ，即 使 用 跳 线 方 式 ，此 时 可 以 省 掉 外 部 E 2 P R OM 9 3 C 4 6芯片 。单 片机 通过 I O 模式 访 问以太 网 控 制器 。R T L 8 0 1 9 A S必 须 工作 在 8位模 式 下 ，其 引脚 I O C S 1 6 B经 电 阻接地 。 电路框 图如 图 2所示 。 R T L 8 0 1 9 A S本 身具 有地 址译 码 功 能 ， 所 有 的控 制 功 能或 数据 传输 都是 通过 访 问地址 偏 移 为 0 0 H1 F H的 寄 存 器 完成 的 ， 所 以只需 要 5条地 址 线 ( S A4 - S A0 ) 。在跳 线 方 式 下 R T L 8 0 1 9 AS的 I O 地 址 由引脚 I O S 3 I O S 0决 定。 将 I O S 3 I O S 0对应 引脚全部接低 电平， 这 时 R T L 8 0 1 9 AS 的I O 基 地址 为 3 0 0 H，因此 可 以用 S A8和 S A 9进行 片 选 接 至 单 片 机 的 P C 7。 当 P C 7引 脚 置 高 电 平 时 选 中 R T L 8 0 1 9 A S ， 当 P C 7引脚置 低 电平 时选 中外部 R AM， 而 将 片选 信号 A E N接地 ，这种 片选 方 式可 以节省 一个 反 向器 。A U I用 来 检 测 在 AU I接 口外 部 MAU 的 使 用 情 况 。 当该引脚 未用 时 ， 应 该接 地 。 介质 的选 择 由 引脚 P L 1和 P L o决 定 ， R T L 8 0 1 9 A S 还 具有 自动 测试介 质连 接是 否成功 的功 能 。 无 屏蔽 双绞 线 ( U T P) 电缆是 目前 使用 最为普 遍 的电信 介质类 型 。为 了 更 方便 地将 嵌入式 以太 网模 块接 入 到局域 网 中 ， 本 设 计 采 用 R T L 8 0 1 9 AS与双 绞线 连 接的 接 口电路 ，即将 P L 0、 P L 1接地 。 2 以太 网控 制 器 的 工 作 过 程 以太 网控 制器 的 R AM 以 2 5 6字 节为一 页 ，是 按 页 存储 的结 构 ， 1 6位 R A M 地址 的高 8位又 叫页码 。以太 网 控 制器 的 1 6 K B R AM 的地 址从 0 x 4 0 0 0 0 x 7 F F F，即从 页 0 x 4 0到页 0 ) 【 7 F， 共有 6 4页用来接收 和发送 数据包 。 这 6 4 页 R AM是一块双 端 口 R AM。 所 谓双端 口就是说 有两套总 线 连接 到该 R A M，总线 A 用 于 以太 网控 制器读 写 片上 R AM， 总线 B 用于单 片机读 写 以太 网控制器上 的 R A M。 8 8 欢迎 网上投稿 w w w a e t n e t c n w ww a e t n e t t o m c n 电子技术应用2 0 0 7 年第 6 期 维普资讯 T 0 R S T D RV P LI _ _ J I J RD l ORB J P W R l OW B I NTO l NT0 LED0 ， s D0 s D7 LEDl PA0PA7 P C O P C 6( 7， S A0 S A 4 RX DI RI OU T Rl 1 N 3 ， P C 1 S A8一 S A9 C OM 8 C E WE E 1 日 Dl 丌 I N Tl OUT 2 D 0D7 ， MAX2 3 2 C D0D7 I O CS I 6 B =卜 l l _ _ 一 D0一 Q O Q7 A 0A 7 T P OL r r 1 P OU T T PR X- T P R ) ( CL K TP OU T+ T P OUT +T P R x+ TPRX+ AL E OE A8 A1 4 TP I N T P I N -T P r x - T P r x- 7 4 HC 5 7 4 6 2 2 5 6 AT m a 6 4 T P 仆+ TP I N+T P T X+ T P T X + 图 2 系 统 电路 框 图 总线 A又 叫 L o c a l D MA， 总线 B又 叫 R e m o t e D MA。 2 1数 据包 的发送 过程 ( 1 )封装 数据 包 ： 数据 包 在发 送前 ， 单 片机将 其按 如 图 3所示 的 以太 网帧格式 封 装好， 并存放 在外 部 S RA M。 l 堕旦 里 I 里 塑室 竺 笙I 旦 些些l 些些l 型L 鍪 塑 一 -_ l 竺 7 字节 I 字 节 6 字节 6 字节 2 字 节 4 6 1 5 0 0 字 节： 图 3 以 太 网帧 格 式 ( 2 )通 过远 程 D MA将 数 据 包 写入 到 R L T 8 0 1 9 A S 的 数据 发 送缓 冲区 ，数 据 的 目的缓 冲 区首 地 址 和 字节 数 由内部 寄存 器 R S C R O、 1设定 。 ( 3 )通 过 R T L 8 0 1 9 A S的本 地 DMA将 数 据 送人 nF O 缓冲器进 行发 送 。 2 2 数据 包 的接 收过 程 ( 1 )本 地 D M A 将需 要 接收 的数 据 包存 人 到 接 收缓 冲环 中。 ( 2 )由远程 D MA 将 接 收缓 冲 环 中 的数 据包 写 入 到 外部 S R AM 中。 如果 以太 网控制器 运行 正常 ，接 收到 数据包 时 自动 启动本地 D MA 将数据存 人接收缓 冲环中 ， 也 就是 说第一 步是 由 R T L 8 0 1 9 AS 自动完成 的 。但是 ， 接 收缓 冲环的 范 围需要 设 置 ， P S T A R T、 P S T O P 分别 用 于设 置 接 收 缓 冲环 的起始 页和发 送页 ， 设 置 了接 收缓 冲环之后 ， 接收 到 的第 一 个数 据包放置 的位 置由当前页面寄存 器 C U R R决定 。 3 服 务 器 端 工 作 过 程 图 4所示 为本 系统 T C P I P 各层 协 议 ，链 路 层协 议 由单 片 机 控制 R T L 8 0 1 9 A S 实现 ，而其 他 协 议 由单 片 机 内部 程序 实现 。 服务 器 接 收 数 据 时 ，以太 网驱 动 程 序 负 责 接 收 数 据 ，由 以太 网控 制器 中断 处理 程序 唤 醒数 据接 收任 务 ， 图 4 本 系 统 T C P I P各 层 协 议 由数 据接 收任务 将接 收 到 的数据 帧交 给 网络接 口层 ， 网 络 接 口层取 出帧头 ， 判 断接 收 数据 的类 型 ， 如 果 是 A R P 报 文 ， 则 将 AR P 报 文交 给 AR P 协 议模 块 处 理 ； 如果 是 I P 数据 包 ， 则将 I P数 据包 交 给 I P协 议模 块 处 理 ， I P协 议 模块 取 出 I P 首部信 息 ， 然后 根 据数 据包 的类 型 ， 将报 文 交 给相 应 的协议 模 块( U DP模 块 、 T C P 模 块或 I C MP 模 块 ) 处 理 ， U D P 模 块 或 T C P模 块 收 到报 文 后 ， 取 出首 部 进行处 理 ， 并将 用 户数据 交 给应用 程序 。 服 务器 发送 数据 时 ， 将 用 户数据 交 给 U D P协 议模 块 或 T C P 协 议 模块 处 理 ， U D P协 议 模 块 或 T C P协 议 模 块 将 其 首部 和数 据 封 装成 U D P数 据 包 或 T C P数 据 包 ， 然 后将 封 装 好 的 数据 包 交 给 I P协 议 模 块 ， I P模 块 在 上层 交给 的数据 包 上添 加 I P首部 ，并封 装 成 I P数 据 包 ， 然 后 为 I P 数据 包寻 找路 由 ，如果 找不 到相应 路 由 ，则 向 I C MP协 议发 送 出错 报文 ， 由 I C MP协 议模 块 进行 处理 ， 在找 到 了合 适 的路 由后 ， 如果 是 以太 网方 式 ， 则将 数据 包 发送 到 网络接 口层 ，利用 A R P协议 找到 目的 I P对 应 的物 理地 址 ， 然后 封 装成 以太 网帧 ， 由网卡 驱 动程 序将 以太 网帧发 送 出去 。 电子技术应用2 0 0 7年第 6期 欢迎订购 电子技术应 8 ) 2 0 ( 02 0 0 6年合订光盘( O 1 0 - 8 2 3 O 6 O 8 4 ) 8 9 维普资讯 4 利用 H 1 _ r P协议实 现 We b接 收与发 送控 制数据 在单 片机 系统 中实现 HI TI )协议 服 务 端 的功 能 ， 就 可以为其 他 的客户 机提供 超文 本信 息 ， 客 户端 只需 要使 用 统一 的浏览 器就可 以与服务 器进行 信息交 换 。 超文 本传 输协议 ( H I T P) 是 目前通 过 I n t e r n e t 进行 信 息 交换 最 主要 的方式 。在 I n t e rac t上 HT F P 通 讯 经 常发 生 在 T C P I P连 接之 上 。其缺 省 端 口是 T C P协 议 的 8 0 端 口， 当然 ， 其他 的端 口也是 可 以使 用 的 。H T I P 协议 是 建立 在请求， 响应( r e q u e s t r e s p o n s e ) 模 型 上 的。首 先 由客 户建 立一条 与服务 器 的 T C P链 接 ， 并发 送一个 请求 到服 务 器 ， 请求 中包含 请求 方 法 、 U R I 、 协 议版 本 以及 相关 的 MI ME( Mu l t i p u r p o s e I n t e me t Mal l E x t e n s i o n s )样式 的消息 。 服 务 器 响应 一个 状态 行 ， 包 含消 息 的协 议 版本 、 一个 成 功 或 失败码 以及相 关 的 MI ME 式 样 的消 息( 包含 服 务器 的信息 、 资 源实体 的信 息和可 能 的资源 内容) 。 单 片机服务 器除 了包括 H T ML文件 以外 ，还有 一个 HT I P 驻 留程 序 ，用 于 响应 计 算 机 端 的控 制 请 求 。用 H I ML文件编写的 网络界面 ， 可以通过浏览器访 问并利用 相应 的按扭 向服务器发送 H m请求 ， 此请求被送往 由 I P 地址指定的 U R L。驻 留程序接 收到请求 ， 在进行 必要的操 作后 回送所要求 的文件 。在这一过程 中 ， 在 网络 上发送 和 接收的数据已经被分成一个或 多个数据包( p a c k e t ) ， 每个 数 据包包 括 ： 要传送的数据 ； 控制信息 ， 即告诉 网络 怎样处理 数据包 。T C P I P决定 了每个数据包 的格式 。 图 5是通 过 We b浏 览器 看 到 的网络 控 制 界 面 ， 必 需将客 户计 算机 与 服务 器系 统 的 I P地 址设 置 在一个 段 内 。如 本 系统服 务 器 I P地址 设 为 1 9 2 1 6 8 0 1 0， 客 户机 I P地址设为 1 9 2 1 6 8 0 1 l ， 默认 网关均为 2 5 5 2 5 5 2 5 5 0。 ( 1 )发送 控 制数 据 过程 ： 通 过浏 览器 向服 务器 系 统 ( 单 片 机 ) 发 送 H 1 r P 请求 ； 服 务 器 系 统 通 过 m T P 服务 程序 查看 网页程 序 中表单 内输 入变 量 的变化 ； 取 出变 量值 ， 调用 串 口程 序将 数据 发 出。 ( 2 )接收采 集 数据 过程 ： 系统 H Tr P协 议程 序 的 圈 作 为汽 车行业 的领 先半 导体供应 商 ， 车 微控 制 器( MC U) 。 岫 脚 蛳瑚柚蛆 l ： 嚣 l 嚣 黑 。 o - 园 盈 珏 户矗 _ 瞧 0 0 e l , t 蛘 ；： 哟 ! 塑受 童熊 二二二 ： 二 ： 一二 = ： = 二： _二： ： ： ： _二 ： ： _=：兰： ： 盛 I ! 曼 薯 舅 盛 视 I 馘 一 一 一 _ 一 一 F - 一 ， 一一 一 一 粕 f 一 。 一 。 i - 耐 W - 一 P c P I一 矗 岛知， 。 电度盛视 女 两 葡螨 一 一 一 。一 一 一 - 面 豳 i i 甬 一 一 一 一 一一 I _ 一 一 一 。 赫 i t r i g s - 一一一一 一 一 一 r 参敦设置 蕞 蟛I 置 I= =_二=_ 二二二 撼I 摹 赫 l E _I _二 二 二_ _l t,r J t ， 二二 二二二二击 井时 f_ ： 二=二二 梆 I 羹 糯 n囊忱 I 鼍 嚏 。 二 二 重盈 重盈 开关控制 i 誊 h 。l - 图 5客 户 机 采访 到 的 网络 界 面 h t t p s e r v e 中调 用 串 口程 序接 收 串 口数 据， 并用 此数 据取 代 其 内部 网 页 中 的表 格 内“ NO D AT A” 标 记 ； 服 务 器 系统 把 we b页 面传送 给用 户界面 的浏览 器 。 用低 成 本 的 AV R单片 机 和 以太 网控 制器 ，配合 适 当 的网络协 议 ， 实 现 了通过 网络 对 R S 2 3 2接 口设 备 的数 据 采集 及 系统控 制 。如对其 进行 适 当 的改变 与扩 展 ， 便 可 以用 于其 他 接 口的仪 器仪 表 ，并 应 用 于更 广 泛 的 领 域 。 由于系统 的控 制器 使用 的是单 片 机 ， 限于其 内部 资 源 ， 所 以网页文 件不 能过大 。 参 考文 献 1 】 何 苏 勤T M S 3 2 0 C 2 0 0 0系列 D S P原 理 及 实 用技 术 M】 北 京 ： 电 子 工业 出版 社 ， 2 0 0 3 2 J 贾 云 飞 ， 王景 芹 利用 单 片 机 控 制 以太 网网 卡进 行 数 据 传 输 的研 究 网络 与 总线 ， 2 0 0 3 ， ( 6 ) ： 4 1 3 】 闫保 中， 虞 凌 宏， 王仁 龙 基 于 A V R 高 速单 片 机 的We b s e v e r的研究 应用科技 ， 2 0 0 6， 3 3 ( 3 ) ： 2 5 4 】 J M a g i d We b服 务 器技 术 指 南 李谦 译 北 京 ： 机 械 工 业 出版 社 ， 1 9 9 6 5 】 N e t w o r k Wo r k i n g G r o u p：R F C 2 6 1 6一H y p e r t e x t T r a n s f e r P r o t o c o l HT r P 1 ， 1 ( 收稿 日期 ： 2 0 0 7 0 1 2 2 ) 1 6位汽车微控 制器 年出货量突破 1 亿 飞 思卡 尔半导体 公 司现在 正 以每 年超 过 1亿件 的 出货 量销 售其 流行 的 S 1 2 1 6位 汽 飞 思 卡 尔 S 1 2与 S 1 2 X MC U 系列 产 品 的设 计 着 眼 于在 多种 汽 车 电子 平 台上 实现 可 扩展 性 、 硬 件 和 软 件 的 重复 使 用 。 这 些 平 台 包括 车 身 、 底 盘 与安 全 系统 。 作 为 目前 汽 车 市场 上普 遍 使 用 的 1 6位 架 构 ， S 1 2 系列 可 以提 供 广泛 的 性