通过以太网传输的嵌入式网关设计毕业论文.docVIP

常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书摘要本文是对简易嵌入式网关的设计，我们知道网关在人们的现实工作和生活中有着极其重要的作用。因此网关的设计具有着许多的现实的意义。本文的硬件部分采用的是性能相对高于51单片机但是又兼容51单片机特性的p89c668来作为微控制器，用芯片rtl8019as来作为以太网通信的控制器，这两部分和隔离滤波器pm34一起，就构成了网关设计中的最主要部分。单片机与rtl8018as一起将传输的数据通过tcp/ip中的几个固化在单片机里的子协议进行一个传输和解析，通过以太网的传输达到对现场的一个控制监测的效果。由于单片机中要固化许多的协议和传输数据，所以对它的存储器的空间有较高的要求，因此我们在硬件部分又对单片机进行了存储器的扩展。最小系统的完整性是单片机能够正常工作的基础。并且本文还采用了max232来构建它的串行通信电路，已达到本设计各方面工作的正常进行。本文的软件部分则是对软件中的固化的协议进行了一个实现，对tcp/ip协议进行研究分析，以便数据能够正常传输。关键词:单片机;网关; tcp/ip;以太网abstractthis article is a simple and easy design of the embedded gateway, we know that the gateway in the real work of people and it has a very important role in the life. so the design of the gateway has a lot of practical significance.hardware part of this article is relatively higher than performance but also compatible with 51 single-chip microcomputer 51 scm features p89c668 as microcontroller, using rtl8019as chip as a controller for ethernet communication, the two parts and isolation filter pm34, together constitute the major part in the design of the gateway. single-chip microcomputer with rtl8018as will transmit data via tcp/ip of a few curing child in scm agreement for a transfer and parsing, transmission through ethernet to achieve the effect of a control of on-site monitoring. because of the single chip microcomputer to curing many protocols and data transmission, so the space of the memory of it has higher requirements, so we in the hardware part and mcu for the extension of storage. the minimum system of integrity is the basis of the single-chip microcomputer that can work normally. and this paper also adopts the max232 to build its serial communication circuit, every aspect has reached the design work on the rails. software part of this paper is conducted of the agreement for curing in software implementation, the study of the tcp/ip protocol analysis, so that the data can be transmitted properly.key words: single chip microcomputer; gateway; tcp/ip; ethernetii常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1课题来源11.2国内外研究与应用现状11.2.1 以太网与tcp/ip11.2.2 嵌入式系统的概念及发展现状11. 2. 3 课题发展现状21.3 本文研究的内容3 1.4 本章小结4第2章 嵌入式网关的理论基础52.1以太网技术52.1.1 tcp/ip协议52.1.2数据的封装和分用62.2以太网协议72.2.1以太网协议简介72.2.2以太网协议结构82.3本章小结9第3章 系统硬件设计103.1系统硬件电路103.2单片机基本系统103.2.1单片机最小系统113.2.2单片机存储器电路123.2.3单片机电源电路133.3以太网接口电路133.3.1以太网控制器芯片rtl8019as133.3.2 rtl8019as工作原理143.3.3片内dma地址空间分配153.4以太网接口电路设计163.5串行通信接口电路193.6pcb板的绘制203.7本章小结21第4章 系统软件设计224.1 系统软件设计224.2以太网驱动程序设计224.2.1 rtl8019as初始化234.2.2 rtl8019as的发送程序和接收程序234.3 arp协议的实现254.4 ip协议的实现274.5 icmp协议的实现294.6 udp协议的实现314.7本章小结33第5章 结论34致 谢35参考文献36附录a38附录b3941常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第1章 绪论1.1课题来源互联网的普及，使得实现智程控制不再是人们的梦想。通过设计一种简易嵌入式网关，用户可以从全球的任何一个角落实现对设备的一个监管，方便了人们的工作生活。把网关接收到的数据通过以太网的传输到达处理器，再由处理器进行分析、检测、反馈，达到一个远程监控的作用。本课题所提出的适用于以太网的简易嵌入式网关设计，主要是选择一种性价比较高的微处理器，通过软件编程实现一些基本tcp/ip协议功能，从而实现部分网络通讯协议的功能，且价格较为低廉。通过与internet的互联，从而实现“管控一体化”，使管理人员不必深入现场，便可通过internet联网监测现场设备运行状态，提高工作的灵活性和可靠性，尤其适合无人职守工作站。可以使其广泛适用于工业控制领域，适合多种工业现场。1.2国内外研究与应用现状1.2.1 以太网与tcp/ip 以太网不是一种具体的网络，而是一种组网的技术规范。它在很大程度上取代了其他局域网标准。以太网络使用的是csma/cd（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并且符合ieee802.3标准。以太网技术具有简单方便、价格低、速度高的优点。目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、执行制造层得到了广泛应用,并呈现逐渐向下延伸的趋势，现在已经能够应用在工业的监测。以太网技术经过多年的发展已经相当的成熟，目前最低的速率为10mbps,而百兆以太网已经得到了广泛的应用，千兆以太网也在遇见日渐成熟。在工业控制中，以太网的数据传输并不是所有的工业环境都需要达到微秒级别的时间要求，并且在工业环境中待传输的信息类型包括实时过程控制数据、设备状态、监控数据、系统故障诊断数据、报警数据等，这些数据通常在量上并不大。在工业控制中，实时的控制能力、信息传输的确定性和操作性非常的重要。因此结合工业以太网数据量小的特点，又由于tcp/ip协议本身的可靠和稳定性，大多数工业以太网协议都选择了tcp/ip协议来实现。工业控制网络发展的趋势与要求：1、工业网络体系的原则开放性；2、工业控制的方向与internet集成；3、高性能工业网络的要求更高的带宽；4、新的工业网络体系；5、严格的实时性要求。1.2.2 嵌入式系统的概念及发展现状嵌入式系统有时称为嵌入式计算机系统，指的是专用的计算机系统。它是随着多种技术的发展而发展起来的。它已成为现代科技发展的的一个重要组成部分。由于反应速度快、用途很广，现在嵌入式系统几乎应用于所有的电气设备。嵌入式系统起源于微型计算机时代，然而虽然计算机集成度在不断的提高，但这也不能彻底地满足嵌入式系统的微小体积、极低价位、高可靠性的要求。因此，嵌入式系统芯片化是它发展的必然趋势。而单片机由于具有体积小、功能强、价格低廉和使用灵活的特点，在嵌入式系统发挥着不可或缺的作用。可以说，随着技术的发展，嵌入式系统无处不在。虽然嵌入式这个概念很早就已经存在了，但是嵌入式系统真正风靡发展起来却是近几年才开始的，以他的发展情况，大致有了以下四个阶段： 无操作系统阶段：这一阶段只是初步具备了嵌入式的应用特点，但是它的统结构和功能都不完全，很多方面都还存在缺陷。但由于嵌入式系统使用起来非常的简单方便、价格相对的便宜，所以已经在工业上得到了广泛的应用。 简单操作系统阶段简 到20世纪80年代，随着微电子技术的不断提高，开始出现各种简单的嵌入式操作系统。这时候虽然还是比较简单的，但是已经具有了一定的的兼容性，内核也相对精巧而且效率也较高。 实时操作系统阶段：到20世纪90年代，嵌入式系统发展迅速。这时嵌入式的操作系统的实时性得到了很大的改善，并且已经能够逐步的运行在各种不同类型的微处理器上。这时已经具备了很多的功能，并提供了大量的应用程序接口（api），使得应用软件的开发变得更加简单。 面向internet阶段 21世纪是一个网络飞速发展的黄金时代，嵌入式系统已经应用到各种网络环境中。但是现在大多数的嵌入式系统还是孤立于internet之外，目前来说，嵌入式设备与internet相结合才是嵌入式技术的真正未来。同时单片机的在嵌入式系统中的应用是嵌入式系统走进了一个新的时代，单片机的发展经历了scm,mcu,soc三大阶段:scm即单片微型计算机(single chip microcomputer)阶段，主要是寻求单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。mcu即微控制器(micro controller unit)阶段，主要的技术发展方向是:不断扩展满足嵌入式应用，突显其智能化控制能力。soc即片上系统(system on chip)阶段，是嵌入式系统最新发展趋势。1.2.3 课题发展现状互联网技术的迅速发展，使得网络技术越来越与人们的日常生活密不可分。目前随着以太网技术的进一步发展和完善，信息的控制性和可操作性的不断提高，现在将以太网技术应用到工业现场的控制领域已经成为了可能。从目前的发展趋势来看，以太网的应用己经进入到了远程的程度。一方面，以太网的远程控制操作大大减少了人力资源的浪费。另一方面它也降低了一些在工业检测中存在的安全隐患。通过互联网的互联作用，从而实现“管控一体化”效果。在一些人力所不及的环境，以太网技术也发挥了它巨大的作用。而将互联网络延伸至单片机又成为网络在工业领域应用中的另一种的趋势。时代的快速发展，使得现代的远程监控技术已经走进人们的生活，可以说远程监控系统就是信息网络与控制网络结合的产物，它集现代多种技术为一体，在许多领域有着广泛的应用。而远程控制的实现，网关是必不可少的一个组成部分，嵌入式网关的应用使得远程控制得到实现。在这个日益信息化的社会，计算机和网络已经全面渗透到我们生活的每一个领域。为了实现远程控制，同时满足人们工作生活的多方面行，嵌入式internet的发展也迫在眉睫。对于它的研究，国外已经从理论阶段过度到了研发阶段，并且有的公司已经研制出了自己的产品。至目前为止，大部分的嵌入式系统采用的是8位的微控制器。但是由于这些系统的硬件资源有限以及成本的敏感性，实现完整的tcp/ip协议比较困难，所以不得不接入到32位的位处理器中，大大增加了成本。同时从国内外的研究现状上也可以看出，对于嵌入式internet技术，大部分国外公司的解决方案都是基于高速处理器之上，或者在普通的8位、16位微处理器上实现与internet接入，并且其费用是非常高的。因此，如何在单片机上低成本的实现嵌入式internet, 就有很大的前景。但是，将嵌入式系统与internet相接入不是一蹴而就的，这中间存在着许多的困难。要想把这项技术应用到人们的工作以及人们的生活中，就要首先让这些困难得到很好的解决。首先：internet的各种通信协议对存储器的空间以及处理器的运行速度等都有着较高的要求，如果选用32位的处理器的话，成本就会大大提高等。所以这一系列的问题则要求我们要深入的研究这些问题。近年来我国的控制与通讯工程师们也开始致力于新型工业以太网的研究工作，其中有代表性的是采用ff制定的快速以太网标准。1.3 本文研究的内容本课题所提出的适用于以太网的简易嵌入式网关设计，主要是选择一种性价比较高的微处理器，通过软件编程实现一些基本tcp/ip协议功能，从而实现部分网络通讯协议的功能。课题主要任务是研究单片机在计算机分布式控制系统中与以太网相互通信的实现。本课题采用51系列单片机p89c668单片机控制以太网接口芯片rtl8019as实现网桥功能，并提供tcp/ip协议功能。论文的工作具体如下：(1)硬件电路设计本课题硬件设计采用51系列p89c668位单片机，rtl8019as芯片，rs232等接口。(2)在p89c668单片机上实现tcp/ip协议的子集，包括：arp,icmp,udp,及tcp等。(3)采用c语言开发协议处理程序，利用模块化的编程思想，分层实现各个协议，提高程序的可移植性和可读性。1.4 本章小结本章对课题的现实来源以及它的发展前景进行了一个简单的阐述，并且对以太网的进行了简单地介绍，了解了tcp/ip协议是以太网通信协议中最重要的一部分。本章还对嵌入式系统的发展历史进行了一个简单地总结，明确了本文所要研究和所要实现的最终目标。通过对本章的学习可以使读者了解到嵌入式网关设计的现实意义，以及对它所包含的理论知识有了一个大体的了解。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第2章 嵌入式网关的理论基础 本文实现的是把以太网作为物理网络的嵌入式网关的设计，以tcp/ip协议实现数据的传输。以太网应用于工业领域是现代网络发展的一个必然的趋势, 在工业中以太网的最主要任务就是实时数据传输。怎样快速稳定、实时准确的传送数据是我们首先考虑和解决的问题。通过对数据传输各方面的综合考虑，我们选用以太网的tcp/ip协议。tcp/ip协议internet最基本的协议，是国际互联网络的基础。由于tcp/ip协议自身具有的稳定性和确定性，现在已经在工业等方面广泛的应用。以太网遵循ieee802.3标准，tcp/ip协议是它所遵循的一个通讯协议。现在由于嵌入式系统还在硬件上受到一定的限制，并不能实现整个的tcp/ip协议，因此我们将tcp/ip协议精简了一部分。本文设计目标为嵌入式网关，实现的相关协议为: arp，udp, tcp, ip,icmp协议。2.1以太网技术2.1.1 tcp/ip协议tcp/ip协议并不是tcp和ip这两个协议的合称，而是指因特网整个tcp/ip协议族。tcp/ip 体系结构模型与osi模型非常相似，但又不完全一样。它采用四层结构体系，这四层由高到低分别是：应用层、传输层、网络层以及网络接口层，其中每一层都完成不同的通信功能，如图2-1所示。 图2-1 tcp/ip 协议结构网络接口层有时也被称为网络访问层和数据链路层，它是在tcp/ip协议栈的最底层，是有控制同一物理网络的不同机器间数据传送的底层协议组成。网络接口层能够对实际的网络媒体进行管理，并且定义如何使用实际网络。它是负责接收ip数据包并通过网络发送，或者从网络上接收物理帧，抽出ip数据包，交给ip层。我们知道，如果要从一台ip主机到达位于路由器另一端的一台ip主机，就必须知道信宿主机的ip地址。因此tcp/ip网络互联使用arp确定数据包的本地的目标硬件地址。arp（address resolution protocol）是地址解析协议，它主要是把一个ip地址映射成物理地址。arp协议就是完成获得对方物理地址的一个协议方法。网络层负责相邻计算机之间的通信，并且管理网络名称。网络层执行tcp/ip的三个任务，分段：即路由器从一种网络携带数据到另一个网络是，网络能够携带的最大的数据块；寻址：它定义了一种机制，通过这种机制tcp/ip上的所有网络接口必须与逐个标识每个接口，以及接口所属网络的特定的、唯一的位模式相关联；路由：定义了从发送方转发数据包到接收方的机制，其中涉及大量的中继。网络层所包含的主要协议有ip协议（网际协议）、icmp协议（internet互联网控制报文协议）、arp（地址解析协议）等。传输层有时候也被称为主机对主机层，该层涉及从一台主机到另一台主机的移动数据。它有传输控制协议（tcp）和用户数据报协议（udp）两种协议。这两种协议有两个特色：面向连接和非连接，tcp为面向连接，而udp为非连接。tcp是一个可靠的段对段的协议，它在发送数据前协调和保持连接，获得数据传输成功的确认，以及请求重新传输丢失或者错误的数据。而udp则尽他最大的传送数据，并不接收信息的查询。应用层被称为处理层，是协议栈与主机上的应用或者处理程序交界的层，向用户提供一组常用的应用程序。应用层处于tcp和udp之上的一组协议，包括http超文本传输协议和ftp文件传输协议等。2.1.2数据的封装和分用当数据在网络上传输时都必须经过封装，每一层都在上一层数据基础上加上头部信息包括本地信息和物理信息，逐层传输，直到链路层。tcp/ip的每一层将传出的数据进行包装识别以便传给下一层。数据封装结构如图2-2：图 2-2 tcp/ip 数据封装层次当目的主机受到一个数据时，数据就开始从协议栈底部向顶部上升，同时去除这个头部信息，并且验证数据的目的地是否是本地，以确定接收数据的上层协议，这就是用到分用，如图2-3所示：图 2-3 tcp/ip 数据分用过程2.2以太网协议2.2.1以太网协议简介以太网是一个局域网的规范，它在现在的通信中被广泛应用，是现在通用的通信协议的标准。以太网采用的是csma/cd技术，即载波监听多路访问及冲突检测。以太网与ieee8023标准相类似，也就是说它包含于ieee 802.3标准组。ieee802.3是csma/cd网络，定义了csma/cd总线网的mac子层和物理层的规范。以太网的功能和性能正在逐步的改善，它有半双工和全双工两种操作模式。半双工意味着同一媒体的发送和接收是异步进行的。接收与发送共用一个通道，同一时刻只能发送或只能接收，所以半双工可能会产生冲突。这样它的传输的有效性和高速性就降低了。全双工是指接收与发送采用两个相互独立的通道，可同时进行，互不干扰，它有单独的发送和接收通路。在全双工模式下，发送方和接收方之间采用的是点到点的连接，这就意味着可以得到更高的传输速率。由于发送数据和接收数据是在不同的电缆线上完成的，因此不会产生冲突。以太网系统由三个基本单元组成：1）物理媒体，用于携带计算机之间的以太网信号；2）媒体访问控制规则，嵌入在每个以太网接口处，从而使得多路计算机对共享以太网信道作出正确判断；3）以太帧，由一组系统用于携带数据的标准比特流构成。每台装备以太网卡的英特网上的计算机都能独立运行，而不需要中心控制器。连接以太网的所有工作站都接入共享信令系统，又称为媒体。发送数据时，工作站首先要查看信道，如果信道空闲，即可以以太帧或数据包格式传输数据。每帧传输完毕之后，网络各站必须公平争取下一帧的传输机会。共享信道的访问取决于嵌入每个工作站的以太网接口的媒体访问控制机制。该机制建立在载波监听多路访问/冲突检测（csma/cd）基础上。随着每个以太帧发送到共享信道上，所有以太网接口关注目标地址。如果帧目标地址与接口地址相匹配，那么该帧就能被全部读取并且被发送到那台计算机的网络软件上。如果发现目标地址与它们本身的地址不匹配时，所有其它网络接口将停止读帧操作。2.2.2以太网协议结构以太网技术的核心是媒体访问控制子层（mac），它决定了以太网的主要网络性能。mac子层通常又可以分为帧的封装/解封和媒体访问控制两个功能模块。一般以太网采用的是ieee802.3标准，它的物理传输帧是由七个部分组成的，如表2-1所示：（1）pr：同步位，它是帧的前导码，包括了七个字节的二进制，有“0”、“1”交替组成，共56位。它指示一帧的开始并接收器接收器均能与到达帧同步（2）sd: 分隔位,这一位仅在ieee802.3标准里有效，表示接收后面跟随的是帧数据，前6位为1,0交替出现，后两位为11。（3）da:目的地址,表示帧准备发往的目的地，它的地址6个字节.当目的地址出现全地址时,则是广播地址,表示该帧数据可以被任何局域网接收到。（4）sa:源地址,48位,表明发送该帧站的地址,即发送端的网卡地址,与da一样是6个字节。1500则标识帧所携带的长层数据类型。 （5）type：类型字段，用于标识数据字段中所包含的高层协议，也就是说，该字段告诉接收设备如何归类解释不同的数据字段。（6）data：数据段 ，这个数据段的范围是46字节至1500字节之间。一个完整的以太网传输包最大不能超过1514字节。（7）pad：填充位。由于一个以太网传输帧的数据包不能小于60字节, 由于da，sa，type 为14个字节，所以还必须要另外传输46字节的数据，当额外所传输的数据仍然不足46字节时，后面就补000000.等。（8）fcs:数据校验位. 它处在帧尾，共占4个字节，是32位冗余检验码（crc）,这个校验由网卡自动计算生成并检测，在帧尾自动加入。表2-1 ieee802.3帧结构表prsddasatypedatafcs同步位分隔位目的地址源地址类型字段数据段帧校验序列7166246-1500456位8位48位48位16位不超1500字节32位除了数据段的长度不定外，其他部分的长度固定不变，数据段的范围是46至1500个字节，一个完整的以太网传输包字节数最大不能超过1514。其中da，sa，type 为14个字节，而且它的最小字节是不能低于60个字节的。由于da、sa、type是14个字节，则需要额外传输46字节的其他数据，当额外所传输的数据仍然不足46字节时则需要填充。以上所填充的字符个数是在长度字段之外的，如果传输时字节超过1500时，那么就将它需要拆分成多个帧以方便传送。实际上，以太网控制器能够自动产生数据段，当发送的da、sa、type填充的数据段不足时。在接收数据的过程中，pr、sd是直接被跳过的，控制器一旦检测到有效前序字段就认为接收数据开始。以太网的硬件能够自动执行它的冲突退避算法，因此我们在编写以太网接口程序时就不必担心报文会因为冲突而发不出去。2.3本章小结本章从最基本的概念开始，从以太网技术和以太网协议两个方面介绍了嵌入式网关的理论基础。其中在介绍以太网协议技术时着重的接受了以太网的其中一个通讯协议，即tcp/ip协议。tcp/ip协议在本文中是实现正常通信的重要部分；同时，本章还对以太网协议进行了一个简单地介绍，对以太网协议的内部结构进行了一个说明。通过对本章的学习，读者可以学习到关于以太网技术、以太网协议以及tcp/ip协议的简单入门知识。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第3章 系统硬件设计 3.1系统硬件电路本系统是由p89c668提供一个接口和片外存储芯片，与以太网控制器协议转换模块相连。以太网控制器协议转换模块主要由以太网通信控制器rtl8019as和隔离滤波器pm34组成。通过以太网控制器协议转换模块与rj45接口和以太网相连，从而将所得数据通过以太网传输到处理器中进行处理记录，达到一个远程监控的效果。系统的体系结构如图3-1所示：图3-1系统硬件结构图3.2单片机基本系统因为所选的单片机需要有大容量的rom和ram空间来存放程序代码和tcp/ip协议的数据缓存区，因此我采用的是飞利浦p89c668单片机。p89c668 有64k的片上 flash存储器，8k的片上 ram,可以用来存放和在其中运行所固化其中的tcp/ip协议。p89c668是8oc51单片机的衍生品，它不但保留了8oc51的总线的兼容性，而且它是一种加速的 80c51 结构，指令的执行速度是标准8oc51器件的2倍。p89c668的具体特征如下所示： (1)具有80c51的特性并且兼容硬件接口；它有64k的片上 flash存储器 ，8k的片上 ram并且支持在系统编程(isp)。 (2)它自带片内可工sp和iap编程的flash存储器；它可以通过调用boot rom程序对flash存储器作isp编程，也可通过调用在boot rom中的标准子程序对flash存储器进行擦除和再编程（即iap）。 (3)它的时钟周期是可以编程的；它每个的机器周期默认的是6个时钟周期；每个机器周期，但是也可以设置为12个时钟周期来进行操作； 在默认的机器周期下，它的频率可以高达20mhz，也就相当于40mhz时的性能；而在12个时钟周期下它的频率最高可以达到33mhz。 (4)它一共具有8个中断源和4个中断优先级以及4个8位的i/o口。 (5)它的dart采用的是全双工，性能非常强；它带有帧错误检测功能并且可以自动的识别地址。(6)为了降低功耗，它的时钟在不工作时可以被中止，再要恢复工作时时钟可以被恢复；为了进一步减少功耗可以让其处于空闲或者掉电的模式。(7)它兼容87c51硬件接口，可以利用它来进行编程。(8)它有两个数据指针（dptr）寄存器，可以用来存放16位地址；(9)它采用的是复位方式是异步端口复位，方便了信号的识别，节约了资源；(10)低emi，即禁止地址锁存使能的实施（ale)；(1l)提供可靠性较高的的iic串行总线接口；（12)提供可编程的计数器阵列(pca)；捕捉/比较；并且还提供pwm输出。3.2.1单片机最小系统单片机的最小系统包括晶振电路和复位电路两部分，只有将这两部分电路与单片机结合起来才能真正实现控制核心的作用。1. 晶振电路单片机的工作的时间基准是由晶振电路提供的，晶振电路的来源有两种方式：内部振荡方式和外部振荡方式。在本次的设计中，我们采用的是内部振荡的方式来产生时钟信号。p89c668的内部有一个用于构成内部振荡器的反向放大器，xtal1和xyal2两个管脚分别是放大器的输入和输出，电路中c1和c2是两个30pf电容器，它们起到了一个稳定振荡频率、快速启动的作用，y1是一个12mhz的石英晶。在xtal1和xyal2之间接入了c1和c2以及y1就构成了单片机的时钟电路。2. 复位电路单片机的复位电路通常可以分为三种，一种是上电复位，另外两种是按键复位和内部复位。上电自动复位是通过电容的充放电来实现的；按键手动复位是电平复位方式，通过reset端经电阻与电源vcc接通实现的。本次设计采用的是上电复位。：当单片机复位时，芯片中的一部分寄存器和一些引脚都恢复到了默认的值，但是振荡器是任然处于工作的状态，单片机从起始地址0000h开始执行程序。如图3-2所示即为单片机的最小系统：图3-2 单片机最小系统3.2.2单片机存储器电路我们知道，由于单片机中需要固化部分的协议，并且需要执行和传输数据，因此需要的存储空间就相对的大一些，本次设计采用24wc256对单片机的存储空间进行扩展。24wc256的内部含有32768个字节，并且每个字节都是8位的数据存储空间。它的电路图如图3-3所示：如上图所示：scl和sda分别为串行时钟和串行数据/地址，它们分别是一个输入和输出管脚。这两个管脚分别与单片机的p1.6/scl和p1.7/sda相连接，进行一个数据和时钟的交换。24wc256芯片的存储地址是16位的，它通常是先发送高8位的地址，然后是低6位的。它的页地址是000000111111，每当有一个数据被写进来后，它的低6位地址就会自动加一，直到地址变为111111，在有数据进来后，就会被放到000000中去。图3-3 存储器电路3.2.3单片机电源电路 电源是所有电气设备不可或缺的部分，根据产品的不同所需的电源也是不同的，有些产品只要用电池就可以正常完成工作，但是对一些品来说，我们就需要考虑的是怎样将家用或公用的220v或380v的交流电转换成产品所需要电压。本次设计的电源采用的是将220v交流电转化为单片机可以使用的5v电源，因此可以直接作为单片机供电电路用，为了防止电流的反灌，加了一个二极管。电路图如图3-4所示：图3-4 电源电路如上图所示，三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件。lm7805最大可以输出1a的电流，内部有限流式短路保护。当220v电源整流滤波后送入lm7805稳压，在输出端接一个470u和0.1u电容进一步滤除纹波，得到5v稳压电源，可以供单片机使用。3.3以太网接口电路 3.3.1以太网控制器芯片rtl8019as rtl8019as是现在应用比较广泛的一种以太网控制器，由于它具有软件移植性好、接口简单、价格便宜和带宽充裕的优点，所以在市场上10mbps网卡中占有相当大的比例。其主要性能如下：（1）具备全双工通讯和功率下降特性，兼容ne2000即插即用适配器；（2）支持10base、bnc和aui接口之间的自动检测；（3）有8/16位的数据总线，有8个中断申请线以及16个i/o基地址选择；（4）支持utp、aui、bnc的自动检测功能，还支持对10baset拓扑结构的自动极性修正；（5）集成了媒体访问控制子层和物理层的功能，可以方便的用来设计基于（isa）总线的网络系统，也可以简单地实现与单片机的互联；（6）采用的是pqfp封装，有100个引脚，大大缩小了pcb板的尺寸，允许3个诊断led引脚可编程输出。按数据链路的不同，可以将rtl8019as内部寄存器分为两部分：一部分是rtl8019as定义寄存器和ne2000兼容寄存器，这部分寄存器分为4页，每页16个寄存器，单片机通过指令设置命令寄存器cr中的ps0、ps1两位来寻址不同的页，通过16个i/o端口地址来寻址页内寄存器；另一部分为即插即用寄存器。3.3.2 rtl8019as工作原理由于选用的p89c668是一个8位的单片机，因此要选择的以太网控制芯片必须支持8位的工作状态。rtl8019as是针对pc机的isa总线设计的，现在运用于p89c668单片机设备中，在硬件和软件的设计上有一些特殊性，p89c668单片机能够将rtl8019as内部的寄存器映射成片外ram寄存器来访问。本地的dma是通过网线来和外面的数据来进行交换的，它的操作是由控制器本身来完成的，因此单片机在收发数据的时候只要对远程的dma进行操作就可以了。当处理器要发送数据到网上时，它可以通过远程dma通道，先将一帧的数据送到rtl8019as中的发送缓存区，然后在发出传送数据帧的命令。rtl8019as在完成了上一帧的数据发送后，再完成这一帧数据的发送。rtl8019as会把收到的数据先通过mac比较后，在进行crc的校验，最后通过fifo存到接收缓存区之中 ，最后以中断或寄存器标志的方式来通知单片机，待接收缓存区中收集满一帧的数据值之后。rtl8019as工作原理如图3-5所示。图3-5 rtl8019as工作原理 rtl8019as的dma与我们一般在微机组成原理上看到的的dma有不同，它们之间存在着一点差别。rtl8019as的本地 dma操作是由以太网控制器本身所来完成完成的，而其远程dma则是需要在单片机的参与下才能够完成操作，这样数据帧才能发送到单片机的内存中。与dma有关的寄存器如图3-6所示：图3-6与dma有关的寄存器rtl8019as内部还有一个16kb的sram，它由接收缓冲以及发送缓冲两个部分组成。具体结构如图3-7所示。 设定接收缓冲页的范围是pstart和pstop寄存器；设定发送缓冲页范围的是rsar0、rsar1和rbcr0、rbcr1寄存器。 图3-7接收发送缓冲区工作示意图3.3.3片内dma地址空间分配在以太网控制器rtl8019as中，它本身是含有ram的，大小为16k字节，它的地址范围是0x4000到0x7fff。其中，我们又用页对它进行了划分，一页的话有256个字节，因此总共的地址范围是为64页。我们通常把地址的高8位又叫做页的地址，因此页地址的范围为0x40-0x7f。这16k的ram是分两部分来使用的，我们通常把一部分用来存放接收到的数据包，而另一部分则用来存储待发送的数据包，如表3-1,则为rtl8019as内部ram的使用情况。表3-1 rtl8019as内部ram使用 如表3-1所示，其中pstart和pstop中分别存放着接收缓冲区的起始页地址和结束页地址，尤其需要指明的是pstop不能用来接收；bnry是起到了一个读指针的作用，即它用来指向最后一个已经读的页；curr是当接收结束时，当前页的地址，起到了写指针的作用。3.4以太网接口电路设计以太网控制器协议转换模块主要由微控制器p89c668、以太网通信控制器rtl8019as和隔离滤波器pm34组成。所设计的以太网接口电路，是针对嵌入式网关设计监控通信的实现。rtl8019as在复位上升沿锁定iocs16b脚的电平，它的值决定了数据总线的宽度：如果iocs16b脚的电平为高电平的话，则数据总线为16位总线方式，反之为8位总线方式。rtl8019as的工作方式一般有三种，分别是：（1） 跳线方式：跳线决定了网卡的i/o口和中断都由；（2）即插即用方式：pnp是由软件自动进行配置的；（3） 免跳线方式：从外部接入的93c46它里面的内容来决定网卡的i/o和中断。我们选择的是跳线方式，即rtl8019as为8位模式，在设计中，我们使用rtl8019as的低5位地址线sa0sa4以及低8位数据线sd0sd7。将rtl8019as的低5位地址线与p89c668的高8位地址线连接，然后再将rtl8019as的低8位的数据线与p89c668的低8位数据线相连接。rtl8019as还将其网络收发器的4根引脚out、out、in、in相连接，通过外接的隔离滤波器pm34与以太网相连。采用隔离滤波器pm34是为了提高网络通信的抗干扰能力。电路中iocs16b是16位或8位i/o的选择脚。当上电复位的时候，这个脚为芯片的输入脚，如果这个脚为低电平，网卡将选择8位模式，如果这个脚为高电平，网络控制器将选择16位的模式，本电路用了个电阻r9（27k）下拉，因此在复位时，这个脚为低电平，网卡选择8位模式。,具体电路如图3-8所示 。由于rtl8019as每个引脚（除aen外）内部都有100k的下拉电阻置地，故当各引脚悬空时内部检测为低电平，由上图可知85脚、84脚、82脚、81脚分别空。从而选择了基地址300h， 则其内部寄存器地址硬件配置如表3-2所示。36脚43脚为数据输入输出口直接连接到单片机p0口。rtl8019as有三个分别反映其工作状态的输出引脚，它们分别为led0(led_col|led_link)、led1(led_rx|led_crs)以及led2(led_tx|mcsb)，分别输出网络的连接性、数据发送和数据输出等状态。表3-2 rtl8019as硬件地址分配地址a19a10a9a8a7a6a5a4a3a2a1a0300h0011000000003*h0011000*31fh001100011111当rtl8019as选择了基地址为300h时，则电路扩展就要以此为基准来进行配置，rtl8019as地址线a19a10固定接地，a9、a8定接p2.5作为地址选择端，由单片机来控制而不是用34脚aen（直接接地）来作为地址选择端。根据地址分配表将a7,a6，a5固定接地，a4a0要根据所要访问的rtl8019as寄存器地址不同而不同，由单片机的地址线（由p89c668的p2.0p2.4来选择300h31fh）来选择。具体单片机接口寻址配置如表3-3和3-4所示。图3-8以太网与单片机的接口电路图由表可知在电路中单片机对rtl8019as的i/o进行寻址并不是连续的，（仅有p2口来选择地址，而p0口并没有参与地址编址，只用来作为数据总线，为了寻址编程方便故在地址中全为0，程序中分别定义reg00reg1f来分别对应300h31fh端口，定义如下：#define reg00 xbyte0xe000 /* 300h*/#define reg01 xbyte0xe100 /* 301h*/#define reg02 xbyte0xe200 /* 302h*/. . . #define reg1f xbyte0xff00 /* 31fh*/表3-3单片机与rtl8019as接口地址线sa8,9/addr13sa4/addr12sa3/addr11sa2/addr10sa1/addr9sa0/addr81xxxxxp2口p2.5p2.4p2.3p2.2p2.1p2.01xxxxx表3-4单片机与rtl8019as对应地址单片机也就是dphrtl8019as（i/o）(11)10 0000 0xe0300h(11)1x xxxx3xxh(11)11 1111 0xff31fhrtl8019as一共有32位的输入输出地址，它的偏移量为00h至1fh，寄存器地址为16个，地址范围是00h至0fh。我们将寄存器分为了4页，分别为page0、page1、page2和page3，是否访问该页是cr中的ps1、ps0位来决定的。但由于前3页寄存器的与ne2000兼容，因此只有page3是rtl8019as自己定义的。由于远程dma地址每个都是相同的，所以只用其一即可。它们的地址范围为10h至17h，一共是8个。复位端口一共有8个，地址范围是18h到1fh，它们的端口功能都是一样的，都是用于rtl8019as的复位，因此只用一个就可以了。 因为上面我们选择的是8位的操作工作方式，则我们也可以得出18个有用的地址。根据它们的地址和功能的不同，我们将rtl8019as的寄存器组分为两组，一组是ne2000,另一组是pnp.在本课题中主要用的是ne2000寄存器，在这组寄存器中共包括4页寄存器，每页都可以由cr寄存器中的ps0和ps1来选择。每一页包含16个寄存器。其中cr命令寄存器在程序中担负读写以太网数据，启动和停止发送命令和选择寄存器页码等，对程序的成功运行起了很大作用。其描述如表3-5所示。表3-5 cr命令寄存器描述3.5串行通信接口电路计算机与计算机之间或者计算机与终端之间，它们有两种方式来传输数据一种是串行通讯另一种是并行通讯。但由于串行通讯成本低以及通信距离远等优点，本系统采用串行通信全双工的方式进行通信。rs-232c是个人计算机上常用的通讯接口之一，由于串行通信是一位一位的在一根传输线上传送信息,所用的传输线少,并且可以借助现成的电话网进行信息传送,因此,特别适合于远距离传输通常。rs-232 接口以9个引脚 (db-9) 或是25个引脚 (db-25) 的型态出现，本次设计采用的是9个引脚 (db-9)。本串口硬件电路采用传统的电平转换芯片max232来进行ttl与rs-232c之间的电平转换，因为它的内部有专门的升压电路，所以可以把输入的+5v电源变换成为rs-232c输出电平所需的10v电压。因此外部只要接入+5v的电压就可以了，接口非常的方便实用，芯片不易损坏，电路图如3-9所示。10脚（t2in）和11脚（t1in）是ttl/cmos电平信号输入脚，其一与p89c668的txd引脚相连，同理9脚（r2out）和12脚（r1out）与p89c668的rxd引脚相连；8脚（r2in）和13脚（r1in）为rs-232电平输入引脚，与db9的发送引脚相连，同理7脚（t2out）和14脚（t1out）与db9的接收引脚相连。其中11脚和12脚分别与单片机的txd和rxd(即11脚p3.0/rxd与13脚p3.1/txd)接口相连接。图3-9 串行接口电路3.6pcb板的绘制对一件产品的开发，pcb板的绘制是极其重要的，它是产品硬件设计的开发前序和软件开发的必备。要想绘制pcb板，则要经过以下几个步骤：1、利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表；2、手工更改