（电力系统及其自动化专业论文）基于ethernet网络测试仪器的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 t h es t u d yo fn e t w o r kt e s t i n g i n s t r u m e n t sb a s e do ne t h e r n e t m a j o ro fp o w e rs y s t e m & a u t o m a t i o n g r a d u a t e ；z h uz h i g a o g u i d e r ：y a n gj i n g c h a n g ( p r o f e s s o r ) t h es t u d ya n dr e a l i z a t i o no fp r o g r a m m a b l en e t w o r kt e s t i n gi n s t r u m e n t s b a s e do nt c p i pi n t e r f a c ea r ed e s c r i b e di n t h i sp a p e r t h ea u t h o ra n a l y z e st h e w a yo fu s i n gt c p i pi n t e r f a c e ，t h e s o f t w a r el a b v i e wa n dt h es t a n d a r d c o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l el n s t r u m e n t s ( s c p i ) t or e a c ht h ea i m so fs h a r i n gt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c ea n db u i l d i n gv a r i o u so p e n i n gu n i v e r s a lt e s t i n g s y s t e m sf a s t a n dc o n v e n i e n tw h i c hb a s eo nc o m m e r c i a l i z e dh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep l a t f o r m s t h i sn e t w o r kt e s t i n gs y s t e mi sm a i n l ym a d eu po fb a s i ce l e m e n t ss u c ha s s e n s o r s ，d a t aa c q u i s i t i o n s ，n e t w o r ki n t e r f a c e ，d i s p l a y ，u n i v e r s a lc o m p u t e rs o f t w a r e a n dh a r d w a r e ，e t c i no r d e rt om e e tt h es y s t e m a t i cd e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s ，t h e o p e n i n ga n dm o d u l a r i z ed e s i g ni sa d o p t e di nt h ew h o l e h a r d w a r ew h i l et h ew o r k o fc o n f i g u r a t i o na n dc o n t r o la l ep r o v i d e dt h r o u 【g hs o f t w a r e t h es o f t w a r ea d o p t s m o d u l a r i z e ，h i e r a r c h i c a ld e s i g n a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i ca n df u n c t i o no ft h e w h o l es y s t e m ，t h ed e s i g ni sm a i n l yd i v i d e di n t o4p i e c e so fm o d u l ew h i c ha r e t c p i pm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l ea n dl a b v l e wm o d u l e t c p i pm o d u l ea g a i na m o n gt h e mi sd i v i d e di n t o6p a r t sw h i c ha r en e t w o r kc a r d d r i v e rl a y e r , a r pl a y e r , i c m pl a y e r ，u d pl a y e r ，1 pl a y e ra n d t c pl a y e r a st h ec o n t r o li n t e r f a c eo ft h ei n s t r u m e n t ，l a b v i e wl i n k st h e c o m p u t e ra n di n s t r u m e n th a r d w a r et h r o u 【g ht h ea p p l i c a t i o np r o g r a m a n di ta l s o c a r r i e so nt h ew o r k so fs i g n a la n a l y z i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，v a r i o u s f i g u r e sd i s p l a y , e t c ，t h r o u 曲t h ep o w e r f u ld a t aa n a l y s i sh a n d l i n gc a p a c i t yo ft h e 西华大学硕士学位论文 c o m p u t e rt or e a c ht h ep u r p o s e so fu s i n gs o f t w a r et oe x p r e s sh a r d w a r e ，r e d u c i n g c o s to fs y s t e ma n ds t r e n g t h e n i n gs y s t e m a t i cf u n c t i o na n df l e x i b i l i t y f i n a l l y ，ap r o g r a m m a b l en e t w o r kt e s t i n gi n s t r u m e n t sw h i c hb a s e do n t c p 1 pi n t e r f a c e ，l a b v i e wa n dt h es t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l e i n s t r u m e n t s ( s c p l ) i sa c c o m p l i s hi n t h i s d e s i g n t h i ss y s t e m r e a l i z e st h e a u t o m a t i ct e s t i n go fp a r a m e t e r si np o w e rn e t w o r ks u c ha sv o l t a g e ，c u r r e n t ，p o w e r f a c t o r ，e t c a n dm a n yo t h e rp a r a m e t e r sw h i c hu s e di nv a r i o u sw a y ss u c ha s p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dh y d r a u l i cl e v e lc a na l s ob et e s t e db yu s i n gt h i ss y s t e m i tr e a l l yp r o v i d e saw a yo fr e d u c i n gt e s t i n gc o s t ，s t r e n g t h e n i n gt h es y s t e m a t i c f l e x i b i l i t ya n di m p r o v i n gt e s t i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：t e s t i n gt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e s t i n gs y s t e m ，l a b v i e w ，s c p i t c p i p 3 西华火学硕士学位论文 1 1 网络测试系统的概念 第一章引言 随着自然科学技术的不断发展，多种学科的创新和融合，测量仪器和计 算机技术以及通信技术的互动，使人们对测试过程、测试目的以及测试结果 都有了新的要求，对电子测量与仪器的要求也越来越高。测试项目和测试范 围与日俱增，测试速度和测量精度的要求不断提高，迫切要求测量技术不断 改进与完善，自动测试系统便应运而生。 自动测试技术是近代发展起来的系统是一门新兴技术，它将计算机技术、 软件技术、智能仪器、总线与接口技术等有机地结合在一起。“”真正高速、 高精确度、多参数、多功能的自动测试系统，是电子测量技术与自动控制利 电子计算机技术密切结合的成果，是电子测量仪器数字化与数字信息系统相 结合的产物”，能避免了人为因素的误差，可获得十分良好的测试复现性； 通过进行大量的冗余测量，进行判断、分析和折算，可以存很大程度上消除 或削弱随机误差和系统误差，从而获得极高的测量精确度。 计算机通信技术的迅速发展，有力的推动了测试仪器网络化的发展，人 们希望对仪器的控制能突破传统的地域和空间的限制，在这样的情况下，网 络测试仪器发展起来。传统的网络通信，大多数嵌入式设备仍处于孤立应用 阶段，为了实现多个m c u 之间的信息共享和交流，通常利用c a n 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 等总线组成网络，实现信息的交换，但是这些网络传输距离短，而且数据在 传输过程中，容易受到外部干扰，可靠性差，而且孤立于i n t e r n e t 网以外， 如果能把嵌入式设备直接接入i n t e r n e t ，就可以用方便、低廉的方式实现信 息的交流与共享。因此，基于e t h e r n ec 网络仪器的研究具有非常重要的意义。 所谓网络仪器，就是指服务于人们从任何地点、任何时间都能够获取到 测量信息( 或数据) 以及对仪器进行远程控制的所有硬件、软件的有机集合， 已经远远超出了传统单个独立仪器的范畴，也不是传统单个式独立仪器的组 合，而且少不了电子化信息传输媒介，即电子化的信息载体。”没有电子化 信息载体的介入，在任意时刻、从任何地点获取测量数掘使根本不可能的。 曲华大学硕士学位论文 把t c p t p 协议作为一种嵌入式的应用，嵌入到智能测控仪器的r o m 中， 使仪器之间信号的接收与发送都以t c p i p 方式进行，这样，测控系统在对仪 器进行控制以及仪器中断向上位机出传送数据时都以i n t e r n e t 为依托，将测 控网和企业内部网以及i n t e r n e t 连接起来。在这样构建的网络中，信息可跨 越网络传输到任何领域，实时、动态( 包括远程) 的在线控制得以实现。 1 2 网络测试系统的发展现状及研究意义 随着科学技术的进步和生产发展对测试系统不断提出新的要求，按已有 的测量仪器与系统总线标准组建的系统仍受距离、仪器台数等的限制。因此， 人们也越来越希望把各种智能仪器仪表与计算机连接起来进行通讯，并且用 计算机技术及网络通讯技术来扩展自动测试系统的空间，从而使电子测量由 独立的单台仪器向大规模的自动测试系统的方面发展。各囤科学家和技术人 员在智能仪器仪表的基础上研究了网络化智能仪器仪表，使智能仪器仪表在 实现智能化的基础上同时实现网络化，使现场测控参量就近登临刚络，并具 备必要的信息处理功能。现场智能仪器仪表与网络通汛线缆连接，使得现场 智能仪器仪表与普通的计算机一样成为网络中的独立节点，信息可以跨越刚 络传输所能及的任何领域进行实时动态的在线测控功能( 包括远程) 。” 近些年，随着计算机技术、网络通讯技术和测控技术的发展与相互结合， 国内外不断发展适合远程测控的网络化智能仪表仪器，实现网络测试系统已 成为现代测试测量行业的重要发展方向。 目前，最重要的一点变化是扩展了w e b 技术的应用，特别是扩展了传输 控制协议网络协议( t c p t p ) 、浏览器和嵌套服务器的应用。比如：通过 g p i b e t t l n e t 转换器、r s 2 3 2 r s 4 8 5 一，i c p i p 转换器，将数据采集仪器的数扼 流转换成遵循f c p i p 协议的形式，然后上1 nl r a n e t i n t e r n e t 网，使现场仪 器直接具有i n t r a n e t i n t e r n e t 功能。网络通过释放系统的潜力，打破了在 同一地点进行采集、分析和显示的传统模式，依靠i n t e r n e t 和网络技术，人 们将能够有效的测控远程仪器设备，在任何地方进行采集、在任何地方进行 分析、在任何地方进行显示。 网络化测试仪器不是建立在虚幻的概念之上，而且已经在显示中得以广 西华大学硕士学位论文 泛的应用，比如近些年出现的网络流量计，网络传感器，网络化示波器和逻 辑分析仪以及网络化远程抄表系统就是很好的例了。不久的将来越来越多的 测试和测量仪器仪表将融入i n t e r n e t 。基于刖络的自动测试系统f 处于不断 的发展之中，具有十分广泛的应用前景。 1 3 本论文研究的主要内容 本课题研究的主要内容是实现基于以太网的测试仪器的整个通信系统以 及的网络通信功能。主要的内容是在上位机建立控制界面，通过控制界面对 仪器终端进行控制，同时仪器终端根据接收到的命令进行各种操作，并且把 结果信息和上位机进行通信。所有的数据传输都是以t c p i p 协议的方式进行 的。 在硬件方面，用m c u ( 单片机) 和以太网控制芯片设计网络接口通讯模块， 把通信模块嵌入到仪器中，可以方便的把整个仪器和i n t e r n e t 连接起来进行 数据传输。所作的工作包括选择符合要求的微处理器、以太网控制器和各种 外围芯片，设计相应的硬件电路，并完成电路板的绘制和硬件的制作，最终 通过硬件调试。 软件方面，在上位机，采用l a b v i e w 进行控制界面的编制；在仪器终端， 编写各种驱动软件以及t c p i p 网络协议，最后实现整个系统的通信，达到通 过上位机来控制仪器终端完成各种工作，比如数据传输，数据显示，数掘采 集等等。 1 4 本论文的突破点和创新点 ( 1 ) 实现了多参数的同时测量。由于网络测试测试系统的设计是模块化的， 可以同时连接多个测试模块，每个模块又可以实现多个通道的测试，因此整 个系统可以实现多参数的同时测试。 ( 2 ) 采用可编程仪器标准控制命令( s c p i ) 刺测试仪器进行控制。因为标准 s c p i 仪器的程控消息、响应消息、状态报告结构和数据格式的使用只与仪器 的测试功能、精度及性能相关，而与具体型号的仪器和厂家无关。因此具有 开放性和通用性。 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 采用虚拟仪器作为远程网络测试仪器的控制面板，利用l a b v ie w 软件内 置的各种节点资源，实现硬件的软件化，可以利用通用计算机强大的资源和 处理能力实现各种信息的采集、处理、存储及显示等功能。 西华大学硕士学位论文 第二章网络测试仪器系统整体设计方案 2 1 实现网络测试仪器的方案 在整个系统进行设计之前，我们对整个系统的设计方案进行了各方面 的选择和论证，以用最少的时间和最低的成本和最优的性能达到我们的设 计系统要求。下面简要介绍各个方案的选择。 2 1 1 以太网接口方案的选择 以太网接口的设计，主要考虑的因素是控制器的选择和网络控制器的 选择以及m c u 和网络控制器的连接通信问题。在资料收集阶段，收集到的 关于这部分的资料主要是采用以下两种方案。 方案一： 选用5 l 系列单片机作为c p u ，7 4 l s 3 7 3 作为锁存器，外部数据存储器 采用6 l c l 0 2 4 ( 1 2 8 k ) ，可为数据处理提供足够大的缓存。使用e 2p r o mx 2 5 0 4 5 既可以作为看门狗，也可以将i p 地址、网卡物理地址和其它初始化参数保 存在里面。网卡芯片选用c jf e l l sj o g jc 公司生产的局域网处理芯片c s 8 9 0 0 ， 通过脉冲变压器n e l 0 3 与r j 4 5 相连接。系统框图如图2 一l 所示。 f i g2 1s y s t e mf r a m eo fp r o j e c t o n e 图2 一】方案系统框图 方案二： 选用a t 8 9 c 5 2 单片机作为c p u ，锁存器采用7 4 h c 5 7 3 ，外扩数据存储器 6 2 2 5 6 和程序存储器2 7 5j 2 。网卡芯片选用r e a 】t e k 公司的r t l s 0 19 a s ，外 接一个隔离l p f 滤波器( 2 0 f 0 0 1 n ) 连接r j 一4 5 接口。9 3 c 4 6 是采用4 线s p i 西华人学硕士学位论文 串行接1 ：3 的s e r a le 2p r o m ，容量为l k b i t ( 6 4 x l6 b i t ) ，主要保存r t l 8 0 1 9 a s 的初始化配置信息。考虑到嵌入式应用的场合，如果不使用9 3 c 4 6 可以降 低成本，同时又减少连线，此时需要将r t l 8 0 1 9 a s 的工作方式选择为跳线 方式”1 。方案二的系统框图如图22 。 r c 串8 - 2 。3 h 酱- 【 一f - - 一，- ， i8 9 c 5 2 二二_ 敞； 1 1 ： - - r 日 s ( 哿嚣 图2 2 方案二系统框图 比较以上两个方案，从目前所应用的例子来看，嵌入式系统应用最广泛 的就是n e 2 0 0 0 兼容系列网卡，它具有接口方便，驱动简单，占用资源少等优 点。r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a s 网络接口：占片不仅与n e 2 0 0 0 系列兼容( 如 d m 9 0 0 8 ，d p 8 3 9 0 1 a 等) 而且软件移植性较好，与单片机的接口相对较简单，相 对5 1 单片机而言带宽充裕，在市场上的l o m b p s 网卡中占有相当的比例，并 且基于r t l 8 0 1 9 a s 网卡芯片使t c p i p 协议栈的编写更为简明高效。此外， r t l s o l 9 a s 供货比较稳定，有较好的性价比。同时，在整个p c 机的网络控制 器来看，几乎全是用r e a l t e k 公司的r t l s l 3 9 控制芯片，因为该芯片性能稳 定，接i ：3 电路简单，控制方便，性价比高。所以从方案的实用性和经济性考 虑，我们选择的是第二个方案。 2 1 2 数据采集方案的选择 在整个系统设计中，仪器要实现测试功能，必然要进行数据采集。不论 是对外部的电压、电流、压力、温度还是液位等参数进行测试，都需要经过 传感器进行信号采集，然后经过信号放大和调理，最后以电压的形式输入系 统进行处理。但是c p u 对数据的处理只能处理数字信号，那么必须将采集到 的电压模拟信号进行数字化，最常用的就是进行模数转换。 西华大学硕十学位论文 在选择a d 转换器件时，我们既要考虑精度的要求，又要考虑系统的成本， 还要考虑我们系统所需要配置的资源。如果选择常觇的8 位a d ( 比如0 8 0 9 ) ， 虽然操作简单，而求价格便宜，但是精度不高，达不到我们的精度要求。选 择2 4 位的a d ，虽然精度完全满足我们的设计要求，但是就价格很高，性价比 不高。后面我们决定用1 6 位的a d 转换器，能满足这样要求的a d 转换器件很 多，而且生产的公司也参差不齐，综合系统的资源和我们的设计要求，如果 选择并口的1 6 位a d 转换器件，那么对单片机i o 口的资源就要求很高，需 要用两个( 1 6 位) i 0 来连接数据线，同时还需要别的口来作为a d 转换器的控 制线，这样，对资源本来就不充裕的单片机来随，很难实现，而且以这样的 连接方式必然会影响总线对其他器件的控制。 最后决定用a d 公司1 6 位串行方式的a d 转转器件a d 7 7 0 5 ( a d 7 7 0 6 ) 。该 芯片是一种基于一a 转换技术的1 6 位无误码模数转换j 占片，和传统的a d 转换器相比，传统的积分型和逐次比较型a d 实现起来难度较大，且成本很 高，一aa 0 转换技术却能以较低的成本获取极高的分辨率。 a d 7 7 0 5 ( a d 7 7 0 6 ) 芯片是带有自校正功能，内部由多路模拟丌关、缓冲器、可 编程增益放大器( p g a ) 、一a 调制器、数字滤波器、基准电压输入、时钟 电路及串行接口组成，具有包括2 通道差分输入( a d 7 7 0 5 ) 和3 种伪差分通 道输入( a d 7 7 0 6 ) ，可通过指令设定、对不同幅度的输入信号实现l 、2 、4 、 8 、1 6 、3 2 、6 4 和1 2 8 倍的放大，因此a d 7 7 0 5 0 6 芯片既可接受从传感器送 来的低电平输入信号，亦可接受高电平( 1 0 v ) 信号，它运用一技术实现 1 6 位无误码性能；它的输出速度同样可由指令设定，范围由2 0 h z 到5 0 0 h z ； 它能够通过指令设定对零点利满程进行校f ，a d 7 7 0 5 0 6 与微处理器的数据 传送通过串行方式进行，采用了节省端口线的通信方式，最少只占用控制机 的两条端口线，能最大程度的节省单片机i o 口资源，满足整个系统性能要 求。 2 1 3 控制界面和仪器显示方案的选择 要通过上位机对仪器进行通信，必然要有控制界面，对仪器的控制界而 通常是用v b 、v c 或者通过w e b 浏览器来实现。 用v b 、v c 来编写控制界面以及建立动态链接库，虽然不是很难，但是在 西华大学硕士学位论文 需要编写程序来和t c p i p 协议进行对接，这是比较复杂的一件事情。如果用 w e b 浏览器来连接，那么就需要在仪器终端的t c p i p 协议栈的应用层编弓界 面，在上位机访问时，通过h t t p 超文本文件的形式来传输信息，这必然要占 用单片机的内存空删，而且要求处理器内存空间很大，处理速度较快，综合 考虑，单片机很难满足这一要求。 最后决定利用虚拟仪器l a b v i e w 来实现。l a b v i e w 软件平台，本身集成了 v i s a 标准和内置的t c p 节点以及各种驱动，在使用时，只需要按照要求设置 内在的t c p i p 各种节点的参数，就能将上位机和仪器终端通过t c p i p 协议 连接起来进行通信。上位机可以通过控制面板的各种操作向仪器发送各种命 令，同时仪器也可以将各种信息通过网络传输到上位机。 在仪器终端，有的时候需要对一些数据，图表以及字符进行显示。我们 选择最直观的方法就是用1 2 8 6 4 的l c d 来显示各材信息。 2 2 方案论证及论证结果 在控制界面和显示方案的选择过程种，遵循了简单实用的原则，避免把 问题复杂化，比如在选择控制界面的时候，v b 、v c 、w e b 浏览器都可以实现， 但是复杂繁琐，而且目前在测控领域，l a b v i e w 应用很广泛，而且性能稳定， 是测控领域用得最为广泛的工具，所以我们就基于这一原则选择了用f 。a b v i e w 来作控制界面。 西华人学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 3 1 系统硬件整体框图 整个系统的设计主要包括四个部分 部分、信号采集处理部分、显示部分等 介绍各个部分所要完成的功能。 上位机( 虚拟仪器) 、网络接口控制 总体框图如图3 一l 所示。下面简要 上位机( 虚拟仪器) 部分所要完成的功能是通过网络向仪器终端发送控制 命令，仪器终端所有的动作是根据上位机发送的命令来执行的，当接收到上 位机来的命令时，仪器根据接收到的命令进行相应的动作同时把信息通过 网络发送反馈回上位机。 网络接口控制部分主要是完成仪器和e t h e r n e t 的接通和数据的接收与发 送，当网络有数据传送到仪器时，仪器要判断所送来的数据包是不是发送给 自己的数据包，如果是，就接收放入内存专门开辟的缓冲区中，同时回送接 收到数据的信号给上位机，如果不是自己的数据包，丢弃。 信号采集处理部分主要的功能是对采集数据并日处理。当上位机送来的数 据采集的命令时，仪器要对外部信号比如( 电压、电流、液位、压力、温度 等) 进行采集然后进行信号调理，a d 转换成数字量供处理器分析处理。 显示部分主要的功能时显示一些图片，字符，数掘等等。 竺嚣耻掀1 至引兰斗。斟一l p c 付j l , 翼、 嬖可丽 ( 虚拟仪器) 广 ! ：! 隔离 变压器 f i g3 1 f r a m eo fs y s t e m 图3 1 系统整体框图 r a me e p r o m c p u ( o - 片机) 网络控制器 ( 8 0 1 9 a s ) l c d r $ 2 3 2 西华人学硕士学位论文 3 2 系统的主要器件及接口电路 在整个系统中，根据各个模块的功能，系统主要用到下列主要器件：处 理器( m c u ) 、网络控制器( r t l s 0 1 9 a s ) 、a d 转换器( a d 7 7 0 6 ) 以及l c d 显示 器( r t l1 2 8 6 4 一1 ) ，下面就各个器件以及接u 电路进行简要的介绍。 3 2 18 0 1 9 a s 工作原理及接口电路 ( 1 ) 基本介绍 r t l 8 0 1 9 a s 是一种高集成度的以太网控制芯片，它具有全双工特性，为运 行即插即用的n e 2 0 0 0 可兼容适配器提供一个简单的方法。在用绞线连接到一 个全双工的以太网交换中继器时，全双工功能支持同步传输和接收。这个特 性不仅使得信道带宽从i o m 到2 0 m ，而且避免了以太网c s m a c d 协议中存在的 信道争夺而导致的问题。微软的即插即用功能可以把用户从关注于适配器的 资源结构的麻烦中解放出来，比如关注i r q ，t o 利内存地址等等。在做特殊 用途而不是用做即插即用的兼容设备时，r t l 8 0 1 9 a s 一样支持跳线和个性化免 跳线两种方式的选择。为了提供完全的即插即用功能，r t f ，8 0 1 9 a s 提供了在集 成l o b a s e t 接收器，b n c 和a u i 接口之间自动检测的能力。此外，l o b a s e t 接 收器可以完全自动地纠正接收双绞线中出现的极性错误。除厂上述几点，8 条 i r q 线和1 6 位的i o 基地址可以令一些很重要的资源具有灵活性。 r t l 8 0 1 9 a s 支持1 6 k 、3 2 k 、6 4 k 位的b r o m 和i 、 j 存接l 二| 。它还提供了页面 模式功能，浚功能可以在仅仅只有1 6 k 位的系统内存空间里支持4 m 位的b r o m 。 另外，在8 r o m 程序装载之后，b r o m 清除命令可以用来释放8 r o m 存储器空n u 以便其他的系统使用。 r t l s 0 1 9 a s 是一个集成了1 6 k 位s r a m 的芯片。这样不仅可以提供了更多 友好的功能，而且能够起到节约s r a m 资源和s r m 总量的效果。主要性能如 下： 1 )符合e t h e r n e ti i 与i e e e 8 0 2 3 ( 1o b a s e 5 、1o b a s e 2 、1 0 b a s e t ) 标 准： 2 ) 全双工，收发同时达到1 0 m b p s 的速率，具有休眠模式，以降低功耗； 3 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； 西华大学硕士学位论文 4 )支持8 1 6 位数掘总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择； 5 ) 支持u t p 、a u i 、b n c 自动检测，可连接同轴电缆和双绞线；还支持 对1 0 b a s e t 拓扑结构的自动极性修正； 6 )允许4 个诊断3 l e d 引脚可编程输出； 7 )1 0 0 脚的p q f p 封装，缩小了p c b 尺寸； 8 )支持p n p 自动检测模式，支持跳线和免跳线模式； ( 2 ) 内部结构 r t l 8 0 1 9 a s 内部可分为远程d m a 接口( r e m o t ed m a ) 、本地d m a 接门( l o c a l d m a ) 、m a c ( 介质访问控制) 逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。r t l s o i9 a $ 内部结构如图32 所示。 l s a i s a 总线接口 匣母 千僵 囝一半 f 1 93 2i n t e r n a ls t r u c t u r eo fr t l 8 0 1 9 a s 图3 2r t l 8 0 1 9 a s 内部结构 ( 3 ) 8 0 1 9 a s 接口工作原理 r t l 8 0 1 9 a s 芯片内部有一块双端口、1 6 k 字节的r a m ，要接收和发送数扼 都必须通过d m a 方式对这块r a m 进行读和写。双端口是指有两套总线连接该 r a m 。因此，将以太网络控制器内部划分为远程d m a ( r e m o t ed m a ) 通道和本地 d m a ( l o c a ld m a ) 通道两个部分。本地d m a 接口是r t l 8 0 1 9 a s 与网线的连接通 道，完成控制器与网线的数据交换。远程d m a 接口是指单片机对r t 8 0 1 9 a 内部r a m 进行读写的总线，即i s a 总线的接口部分。 阿华大学硕十学位论文 r t l 8 0 1 9 a s 芯片的d m a 操作示意图如图33 。 皿向r j 同步情q p r 。 二= _ 二_ 二_ 二= 二二二! ! 竺 f i g3 - 3d m as tr u c t u r ef r a m e0 fr t l s 0 1 9 a s 图3 - 3 芯片内部d m a 结构示意图 图中虚线框内的部分为r e m o t ed m a ，对应单片机对芯片的读写操作，单 片机只需设定好读写的起始地址和长度后就可以读写芯片r a m ，且每操作次 r a m 地址自动加l ，与普通的r a m 操作相比处理速度要快很多。左边部分是 l o c a ld m a ，对应芯片对内部r a m 进行读写的总线。r t l s o j 9 a s 的1 o c a ld m a 操作是由芯片本身完成的，只要单片机给定待发送的数据的起始页地址和数 据长度并启动发送命令以后，数据的发送由硬件收发电路负责完成。实际上， r t l 8 0 1 9 a s 芯片内部有一些总线仲裁逻辑，负责两套总线的管理，使它们能同 时对r a m 读写而不发生冲突。 m a c ( 介质访问控制) 逻辑完成以下功能：当主处理器要向以太网络发送 数据时，先将一帧( f r a m e ) 数据经过远程d m a 通道送到r t i 8 0 1 9 a s 中的发送 缓存区，然后发出传送命令：当r t l 8 0 i o a s 完成了上一帧的发送后，再丌始 此帧的发送。r t l 8 1 9 a s 接收到的数据通过m a c 比较、c r c 校验后，由f i f o 存 到接收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器1 。 接收逻辑在接收时脉的控制下，将串行数据组成字节送到f i f o 和c r c ： 发送逻辑将f i f o 送来的字节在发送时脉的控制下逐步按位移出，并送到c r c ： c r c 逻辑在接收时对输入的数据进行c r c 校验，将结果与帧尾的c r c 比较，如 不同，该帧数据将被拒收，在发送时c r c 对帧数据产生c r c ，并5 f j 加在数据尾 传送：地址识别逻辑对接收帧的目的地址与预先设置的本地实体地址进行比 较，如不同且不满足广播地址( b r o a d c a s ta d d r e s s ) 的设定要求，该帧数据将 被拒收；f i f 0 逻辑对收发的数据作1 6 个字节的缓冲，以减少对本地d m a 请求 西华人学硕士学位论文 的频率“。 5 1 单片机侧的r e m o l ed m a 操作要比芯片的l o c a ld m a 操作慢很多，所以 在单片机的r e m o t e9 m a 过程中不需要等待时序，两个操作可同时进行，互不 影响，但芯片的l o c a ld m a 优先级高，即l o c a ld m a 和r e m o t ed m a 刷时请求 总线时，l o c a ld m a 获得优先控制权；l o c a ld m a 可以中断r e m o t ed m a ，当 l o c a ld m a 传输完毕之后可以继续被中断的r e m o t ed m a 操作，反之则不可以。 r t l 8 0 1 9 a s 内部有两块r a m 区：一块1 6 1 字节，地址为o x 4 0 0 0 o x 7 f f f ( 该地址为芯片内的存储地址，网卡芯片用它来存储转发数据) ：一块3 2 字节，地址为o x 0 0 0 0 o x 0 0 1 f 。r a m 按页来存储，每2 5 6 字节为一页。芯 片内部地址空间的分布如图3 - 4 所示。 p r o m 不使用 1 6 k 缓冲区取口r a m 同0 0 0 0 h7 f f f h 一 不使用 一 f i g 34i n t e r n a lr a ms t f u c l u f e0 f r t i 8 0 1 9 a s 图34 芯片内部r a m 结构 由图可见，可用的r a m 空间仅有上面提到的两部分。从o x o o o o o x 0 0 1 f 的内存为p r o m ( p r o m 页即第0 页，只有3 2 字节，可用于存储以太网物理地 址) ，是n e 2 0 0 0 兼容的网卡都有的。实际上，与其它地址如o x 0 0 2 0 o x o o f f 存储的内容是重复的。其中，o x o o o o o x o o o b 用于存放自己的刚络节点m a c 地址，奇偶地址内容是重复放置的。如m a c 地址是5 2 5 4 4 c1 9f 8 2 3 ( 六组 数据) ，存放在o x o o o o o x o o o b 中为5 2 5 25 4 5 4 4 c 一4 c1 9 1 9r 8f 8 2 32 3 ( 1 2 组数据) ，奇地址和偶地址内容是重复的。但是，为同时适应8 位和1 6 位模式的d m a 操作，一般使用偶数地址的内容。如果有9 3 c 4 6 的话，p r o m 只 保存上电时从9 3 c 4 6 中读出的m a c 地址“。 由于我们的设计中没有使用9 3 c 4 6 ，因此可以不使用从o x 0 0 0 0 o x 0 0 1f 删阿删刚删硎州 叫 阳 黜滞孺 孵 西华大学硕十学位论文 的3 2 字节的p r o m 。此时，物理地址不是由p r o m 而是p a r o p a r 5 寄存器决定， 在程序中可指定物理地址。 可用到的第二部分r a - i 为o x 4 0 0 0 o x t f f f 的1 6 k 存储区，是分页存储的， 共有6 4 页。这块r a m 主要用来存储接收或发送的数掘包，r t i ，8 0 1 9 a s 接收或 发送的数据都是完全按页来存储的，如果某页没有完全填满数据，则下包数 据也不能继续使用该页，只能使用新的页，并且数据是按页连续存放的。芯 片页地址o x 4 0 - - o x t f 代表的r a m 空间是o x d o o o o x t f f f 。此外，这块r a m 可 由用户进行配置，一部分用来存放从以太网上接受的数据包，一部分用来存 储代发送的数据。一般将前1 2 页( 即o x 4 0 0 0 o x 4 b f f ) 存储区作为发送缓冲 区；后5 2 页( o x 4 c o o 0 x 7 f f f ) 存储区作为接收缓冲区。 r t l 8 0 1 9 a s 具有3 2 个输入输出地址，地址偏移量为0 0 1 1 l r h 。其中0 0 h o f h 共1 6 个地址，为寄存器地址。寄存器分为4 页：p a g e o 、p a g e l 、p a g e 2 、 p a g e 3 。但是与n e 2 0 0 0 兼容的寄存器只有前3 页( p a g e o - - p a g e 2 ) ，每个页面 包含了1 6 个寄存器。其中，第o 页是包含地址复用的寄存器，即同地址读 或写时代表的意义不同；第】页的寄存器读写时意义是相同的。第2 页的寄 存器是只读的，不可以设置；p a g e 3 是r t l s o l 9 a s 自己定义的，对于其他兼容 n e 2 0 0 0 的芯片如d m 9 0 0 8 无效。远程i ) m a 地址包括1 0 h 1 7 h ，都可以用来做 远程d m a 端口，只要选用其中的一一个就可以了。复位端口包括1 8 h 1 f h 共8 个地址，功能样，用于r t l 8 0 1 9 a s 复位，同样选择其中一个即可。r t l s 0 1 9 a s 中的寄存器可以以它们的地址和功能大致分为两类，一类是n e 2 0 0 0 用的，一 类是p n p 用的。由于在本设汁中没有使用p n p 方式，页3 的寄存器不用设胃”“。 r t l 8 0 1 9 a s 的寄存器组如表3 1 。 r e m o t ed m a 和l o c a ld m a 操作分别需要使用的寄存器如下： r e m o t ed m a 侧读写芯片r a m 时用到两组寄存器： 1 ) r s a r o 、r s a r l ：指定r e m o t ed m a 操作的起始地址 2 ) r b c r o 、r b c r l ：指定读写r a m 的字节数 l o c a ld m a 用到的寄存器分为两类： 第一类：l o c a ld m a 发送寄存器，包括t p s r ，t b c r o 、t b c r l 1 ) t p s r ：指定发送页的地址 卤华大学硕十学位论文 2 ) t b c r o 、t b c r l ：指定发送的字节数 第二类：l o c a ld m a 接受寄存器，包括p s t a r t 、p s t o p ，c u r r 、b n r y ： 1 ) p s t a r t 、p s t o p ：指定接收数据的起始页和终止页。其中，p s t a r t 指 定从这一页开始作为接受缓冲区，而p s t o p 指定从这一页丌始的页 不能作为接收缓冲区。例如，当p s t a r t = o x 4 c ，p s t o p ：o x s o 时，芯 片使用地址范围为o x 4 c 0 0 o x 7 f f f 的空恻来存储数据。 2 ) c u r r 、b n r y ：g u r r 是写r a m 的指针，它指向当前写的页的下页； b n r y 是读指针，指向最后一个已经读取的页。 r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器以存储器( j 6 k 双口r a m ) 为核心，本地和远 程控制器并发操作，这种体系结构满足了数据带宽的需要。r t i8 0 1 9 a s 捌有 控制、状态和数据寄存器，通过它们，5 i 单片机可以与r t l 8 0 19 a s 构成以 太网节点进行数据通信”。 表3 ir t l 8 0 1 9 a s 寄存器列表 t a b3 1 r e g is t e r l is to fr t l s 0 1 9 a s 序号第0 页第1 页第2 页 第3 页 f 1 6 位) 澍【写【读垮【澍【读】 【写】 腿c rc rc rc rc r 0 1c i d a o豫蕊p a r 0p s 9 3 4 6 c r9 3 4 舱r 0 2c u ) a lp s t o p p a r lp s t o pb p a g eh c b 0 3r 4 i ：y璜i i yp a r 2c o n h g o 0 4l1 p s r脚t p 漾c o n l l 6 1c o n 兀g l 0 5n c r t b c r 0 p a i 【4 c o n h g 2c 0 g 2 0 6f i f o碍c k p a r 5c o n 王1 g 3c o g 3 0 7酞陋 c u r rs t 0 8c i 【i ) a or s a r om a r 0c g 轧v 0 9c r d a lr s a r lm a r l j u k o a8 0 1 9 d 0r 8 c r om a r 2 0 b8 0 1 9