（电气工程专业论文）基于嵌入式TCPIP的通讯模块及生物电信号的网络传输研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 由于心理或生理上的原因 有相当一部分病人在医院测量的数据与在其熟悉的 环境中所测量的数据有本质上的差别为保证医学测量诊断的准确性采用远程 医疗的手段让患者在其熟悉的环境中接受测量有医疗上的必要性此外对于老 年人和残疾人由于行动不便往返奔波于家庭和医院之间会带来许多麻烦在 这种情况下也需要充分发挥远程医疗的作用远程医疗是当前的研究热点其 关键是实现患者和医院之间的远程通信目前常见的方法是用 modem 通过电话 线来实现其缺陷是通信速度很慢已经不能适应远程医疗的发展本论文所研 究的嵌入式网络接入模块综合应用了嵌入式 tcp/ip 技术和无线通信技术通过因 特网以较低的成本和较快的速度实现了对患者的生理数据的远程实时传输并可 开发一定的分析功能由于是通过因特网这个统一开放的通信系统传送数据 使得模块具有良好的通用性既可以用于家中实现远程监护也可以用于医院内 的无线监护系统 本论文主要做了以下几方面的研究 探讨嵌入式 internet技术实现的途径极其特殊性选择本系统采用的方案 设计基于嵌入式 tcp/ip 协议的网络通信模块硬件 研究因特网的基本原理和 tcp/ip 协议的工作原理和架构 分析架构嵌入式 tcp/ip 协议栈的结构用 c 语言编写移植运行于嵌 入式网络通信模块上的 tcp/ip 协议栈软件 研究rtl8019as 网络控制器的工作原理以及采用单片机驱动ne2000兼容 的网络控制器的原理和程序设计方法 用 visual c+编写运行于监护中心计算机上的终端应用程序含远程连接 用户接收患者生理数据患者生理数据波形实时显示数据波形的分析等功能 以上各项工作均取得了初步成功基本达到设计的要求为进一步的产品开 发打下了良好的基础 关键词嵌入式 tcp/ip 协议网络通信tcp/ip 客户/服务器交互模式 重庆大学硕士学位论文 abstract ii abstract for some psychological and physiological reasonsthere is an essential difference between data measured in the hospital and data measured in a relaxed environment for quite a few patients. to ensure the accuracy of pathological diagnosis,it is quite essential to make the patients measured in a relaxed environment. moreover,it is inconvenient for the elder and the disabled to come and go between the hospital and the home.on this conditionwe should make full use of telemedicine. telemedicine is the focus of current research. the key point of telemedicine is telecommunications, the custom way of existing telemedicine systems telecommunication is by means of modem.this means cant serve the turn of the telemedicines development and fall into disuse gradually for its slow speed. the network communication module studied in this article integrates embedded internet technology and wireless communication technology, it realized high speed real-time transmission of the patients physiological data through internet at a low cost. because the data is sending by internet which is an uniform and open system, it makes the module multifunctional, that is, it can be used at home for remote monitor and act as an ideal substitute of the existing remote monitor as well. the main works in this paper are listed as follows: probe into the way of realizing embedded tcp/ip and its specificities. analyze the hardware scheme of the network communication module which based on embedded tcp/ip protocols. research the basal theory of internet and tcp/ip protocols structure and principles. design the wireless-ethernet receiving and sending module which based on embedded tcp/ip and compose the program in c language. analyze the theory of rtl8019as network controller and the way how the mcu drive rtl8019as to receive and send data. compose the terminal software with visual c+ which includes remotely connect and datas receiving, real-time displaying and analyzing. all these studies get elementary success and basically achieve the design purpose. which establishes a good basis for the future development. keywords: embedded tcp/ip, network communication, client/sever interactive paradigm 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1 . 1 本课题的研究意义 由于心理或生理上的压力 有相当一部分病人在医院测量的数据与在他们熟悉 的环境中所测量的数据有本质上的差别研究表明20的被认为患有高血压病 并有可能导致心脏病的人在真正放松下来时被确诊没有高血压最近的一项统计 结果表明临床上被诊断为患有高血压的孕妇在家中做 24 小时血压监护时发现仅 有三分之一的孕妇的监护结果与临床诊断一致1此外对于老年人和残疾人由 于行动不便往返奔波于家庭和医院之间会带来许多麻烦在这些情况下需要 充分发挥远程医疗的作用 远程医疗telemedicine提供了一种通过对生理参数进行连续监测来研究远 地对象生理功能并提出诊断方案的方法是近年来医疗科学当中非常重要的一个 研究领域 自从 1988 年美国提出远程医疗这一概念以来 在美国和欧洲一些国家 这一项目已经得到了非常广泛的研究和应用2 远程医疗包括多方面的内容如 远程诊断远程监护医疗资讯查询医疗信息管理等等 远程医疗的关键在于远程通信从提出远程医疗这一概念以来随着社会的发 展和技术的进步远程医疗的通信方式大概经历了以下几种3 程控电话网 这种方式出现在远程医疗的初始期技术要求不高成本较低也比较容易普 及但是这种方式的致命弱点是通信速率比较低不能适应大量生物信号数据的 传输现在已经慢慢被淘汰 互联网通信 由于成本较低技术要求也不高通信速率也能达到多数应用的要求这种 方式现在正在全球兴起很多公司都在积极进行这方面的研究和实验 卫星通信 卫星通信的传输速度很快基本能满足所有的应用要求但对技术的要求很 高成本也高难以普及一般用于特殊场合 综上所述可以看出随着 internet技术的快速发展和互联网的迅速普及采用 网络通信的远程医疗方式是目前最合适的方法在国内也逐渐成为关注的热点 同时随着社会的进步和发展几乎所有的医疗机构和越来越多的家庭能以较高的 速率连接到 internet上为远程医疗网络化提供了良好的契机医生和患者也希望 通过先进的网络技术将医疗设备连接起来以提供和享受远程医疗服务医学信息 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 网络传输技术日益成为医学信息处理技术的热点核心技术之一 对于普通大众 在自己家里通过网络享受远程医疗的服务则必须通过某种方法 接入网络进行远程信息互动当前最好的方式就是采用嵌入式网络接入在医疗 设备上使用嵌入式网络接入功能模块将低成本的医疗设备挂在因特网上通过 因特网这个全球统一的开放的通信系统传送各种信息在性能得以保障的同时 可大大提高系统的通用性兼容性降低使用和维护成本促进远程医疗远程 监护的推广应用 本课题正是将基于 tcp/ip 协议的嵌入式网络通信模块应用于监护系统以客 户端/服务器c/s模式实现了远程监护和诊断的部分功能提高了诊断的准确性 和实时性方便了患者和医生为今后的深入研究打下了基础并提供了借鉴 此外随着互联网的全球普及基于 tcp/ip 协议的嵌入式网络接入设备以其 在性价比和体积上的优势在工业远程控制智能家电远程教育和智能建筑方面 有着广泛的应用前景并慢慢成为当前的研究热点 1 . 2 国内外研究现状 国际上微控制器和微处理器在工业自动化和设备管理中采用 tcp/ip传输 控制协议/因特网协议协议接入网络始于 1994 年初期的进展比较缓慢4近几 年来微电子技术发展迅猛微控制器和微处理器的性能大大提高且价格大大降 低与此同时因特网也以前所未有的速度向前发展网络通信的性能质量和 可靠性得到稳步提高网络普及程度迅速提高在这样的背景下世界各大公司 看到了嵌入式设备连上因特网的巨大商业价值和市场潜力纷纷投入力量进行研 究使得嵌入式 internet 技术的研究和应用呈现出加速发展的势头 嵌入式设备一般都是以嵌入式微处理器empu微控制器mcu通常也 称为单片机或数字信号处理器dsp为核心的系统5嵌入式设备接入因特网 的关键是实现 tcp/ip 协议需要说明的是这里的tcp/ip 协议是一种通常的 说法并不仅仅指 tcp 协议和 ip 协议而是指以 tcp 和 ip 为核心的协议族或 称协议栈除这两个核心协议外还包括另外一些常见的协议如 udp用户数据报 协议arp地址解析协议icmpinternet控制报文协议等当然在一个具 体的应用中并不是所有的协议都需要实现目前嵌入式网络接入技术有如下几种 可行的方案6-8 32 位高档 mcu+实时多任务操作系统(rtos) 以这种方案来构建的嵌入式网络接入设备32 位的 mcu 芯片有足够的资源 可以扩充利用ram 和 rom可以做的足够大cpu 的运算速度足够快所以可 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 以嵌入一个带tcp/ip协议栈的实时多任务操作系统 此外 由于采用了高档empu 或 mcu系统的处理能力很强所以 32 位处理器除了可以实现复杂的仪器功能 外还能较好的处理 tcp/ip 协议以实现网络接入9这种方案可供选择的 empu 或 mcu 很多如 intel 的 i386 系列i960 系列motorola 的 mpc 系列 armmips 等等rtos 的种类也很多有国内开发的也有国外的比如 windowscehopenqnx嵌入式 linux等但是高档单片机价格较高开发周 期较长需要购买昂贵的 rtos 开发软件对开发人员的开发能力要求较高因 此多用在高端产品在成本较低的嵌入式测控系统中的应用较少 pc gateway加专用网方式接入 internet 这 种 方 案 的 典 型 应 用 有 emware 公 司 开 发 的 emit(embedded micro internetworking technology)技术,在此方式下将需要接入网络的设备采用专用网 络(rs-232,rs-485,can 等)连接在一起该网络再与 pc 相连由此建成了 pc gateway专用网此时 pc 起网关的功能将仪器上的信息转换为 tcp/ip 协议数 据包并发送到 internet上10由于这种网络接入方式必须专门配备一台 pc 进行协 议转换灵活性较差并且需要在 pc 上安装协议转换软件这些软件通常 由第 三方的软件商提供这样应用场合就受到了限制并且成本也会很高 mcu加虚拟软件包的方案 在此方式下采用 8 位微控制器驱动网络控制芯片实现网络接入这种方式 不需要使用 pc 机或高档单片机外围器件少系统的成本低cpu 通过执行虚拟 软件模块直接驱动普通 i/o 口实现硬件外设功能(如 uartspifsk 等)最引 人注目的是可以在单片机上可以运行流行的互联网协议 如 http smtp pop3 tcpudpicmpigmpip 及 ppp 等而且可以根据需要对协议栈的结构进 行裁减更改网络控制器则实现 ieee802.3 的协议处理并通过 rj45 接口连接到互 联网上但这种方案也有其弱点接口和网络协议复杂占用的资源(cpuram rom)很多要求单片机的运行速度要足够快以使 mcu在执行数据采集和控制功 能的同时能较快的把数据打包 尽管方案较多但在嵌入式网络接入研究中要设计出一个价格低廉性能 稳定传输可靠适应用户要求的的网络数据传输接口还有许多的困难现在有 很多国际性大公司投入了这项研究国内近年来也开展了大量的实验研究11 1 . 3 本课题的主要研究内容 在分析了国内外的嵌入式网络接入设备各种方案的基础上本课题根据生物 电信号的特点决定采用 mcu加虚拟软件包的方案针对人体生物电信号数据的 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 特点重新架构适合应用的 tcp/ip 网络协议栈并采用无线模块作为数据接收端以 提高数据传输的实时性论文的主要研究工作包括如下几个方面 探讨嵌入式 internet技术实现的途径极其特殊性选择本系统采用的方案 设计基于嵌入式 tcp/ip 协议的网络通信模块硬件 研究因特网的基本原理和 tcp/ip 协议的工作原理和架构 分析架构嵌入式 tcp/ip 协议栈的结构用 c 语言编写移植运行于嵌 入式网络通信模块上的 tcp/ip 协议栈软件 研究rtl8019as 网络控制器的工作原理以及采用单片机驱动ne2000兼容 的网络控制器的原理和程序设计方法 用 visual c+编写运行于监护中心计算机上的终端应用程序含远程连接 用户接收患者生理数据患者生理数据波形实时显示数据波形的记录与回放 等功能 相比于以往的一些嵌入式网络接入模块本课题所设计的网络通信模块的进 步就在于在以无线模块应用于嵌入式网络接入设备通过因特网传输病人的生理 数据给患者医生和医院较大的自由基本实现了真正意义上的远程医疗和远 程监护的实时性此外本课题针对不同的生物电信号数据的特点精心设计了优 化的网络协议软件结构简洁上层应用接口简单运行速度较快对以后的深 入研究开发有较好的借鉴意义 到目前为止真正的远程医疗在我国还是一个概念没有实用意义上的远程 医疗产品本课题的研究结果对形成基于网络的远程医疗监护产品有一定的实 用价值制作的网络通信模块也有进行产品开发的价值 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 5 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 2 . 1 概述 根据绪论中对当前国内外各种嵌入式网络接入方案的分析比较本课题的嵌 入式网络接入模块采用 mcu+虚拟软件包的方式 在这种方式下需要在 mcu中 运行 tcp/ip 协议软件此外mcu 还必须控制无线模块的数据接收和驱动网络 控制器实现以太网数据的收发从总体上看本课题的硬件电路可以分为无线模块 数据接收网络控制器与单片机的接口和网络控制器与以太网的接口三部分整 个硬件系统框图如图 2.1 所示 图 2.1 网络通信模块硬件结构框图 fig 2.1 embedded communication modules structure 整个网络通信模块的工作原理简述如下网络通信模块和数据采集模块之间 的数据交换是通过无线发射接收模块间的通信完成的网络通信模块上的无线 模块接收采集到的患者的生理数据经过电平转换后通过单片机的串口送入数据 接收的缓冲区在上一帧数据发送完后单片机从缓冲区取出数据运行在里面 的 tcp/ip 协议软件对数据按各层协议的要求进行打包数据的各层首部封装完毕 后单片机将数据送进网络控制芯片完成最后的以太网媒介访问层(mac)和物理层 (phy)的功能包括 mac 数据帧的收发地址识别crc 编码/校验曼彻斯特 编码解码链路完整性测试等等一系列操作后网络控制器将数据通过物理网络发 往目标主机对于模块收到的以太网帧根据其不同的类型各层的相关协议会 做相应的处理详细的处理过程见后面相关章节的叙述 数据采集 模块输出 无线数据 接收模块 电平转 换电路 片外 ram is62lv1024 74hc573 (a)d0.(a)d7 c8051f020 单片机 串 口 地 址 扩 展 rtl8019as 以太网控制器 网络滤波器 rj45 接头 物理网络 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 6 2 . 2 m c u 由于要在 mcu 里面控制无线模块数据接收运行 tcp/ip 协议栈和驱动网络 控制芯片的数据收发考虑到运算速度性价比和实用性在本课题中选择了美 国 cygnal公司的 c8051f020 单片机作为核心 mcuc8051f020 单片机是集成 在一块芯片上的混合信号系统级单片机具有较快的运算速度和丰富的片内片外 资源能满足本课题对主处理器的要求 2 . 2 . 1 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的性能特点 c8051f020 具有如下的一些性能特点12 速度快流水线指令结构70%的指令执行的时间仅仅为一到两个系统时 钟周期高达 25mips 的速度比标准 8051 单片机快 20 倍以上 有较大的存储空间包括 4k 字节内部数据 ram64k 字节闪速存储器 强大的控制功能有多达 64 位的 i/o 口线所有的口线可以编程为弱上拉 或推挽输出更为独特的是具有数据开关阵列(digital crossbar)可以将内部系统 资源定向到 p0p1 和 p2 丰富的串行接口具有标准的全双工 uartci 2 /smbus 串行总线不仅 覆盖了典型的串行通信标准而且功能更强大 先进的 jtag 调试功能支持在系统全速非侵入式调试和编程不占 用任何片内资源 2 . 2 . 2 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的存储器组织和片外存储器的扩展 c8051f020 单片机的存储器组织与标准 8051 单片机的存储器组织类似有两 个独立的存储器空间程序存储器和数据存储器程序和数据存储器共享同一个 地址空间但用不同的指令类型来访问其存储器组织如图 2.2 所示 c8051f020 有 64k 字节的程序存储空间mcu 在这个程序空间中间实现了 65536 字节的可在系统编程的 flash存储器组织在一个连续的存储块内程序 存储器通常被认为是只读的但 c8051f020 可以通过设置程序存储器写允许位 (psctl.0)用 movx 指令对程序存储器写入这一特性为 c8051f020 用户提供了 更新程序代码和将程序存储空间用于非易失性数据存储的机制 c8051f020的数据存储空间中有256字节的内部ram 位于地址0 x00到0 xff 的地址空间数据存储器中的低 128 字节用于通用寄存器和临时寄存器可以用 直接或间接寻址方式访问数据存储器的低 128 字节数据存储器中的高 128 字节 只能用间接寻址访问该存储区与特殊功能寄存器(sfr)占据相同的地址空间但 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 7 物理上与 sfr空间是分开的此外从 0 x80 到 0 xff 的直接寻址存储器空间为特 殊功能寄存器(sfr)任何时刻用直接寻址访问这些地址就是访问 sfr 图 2.2 c8051f020 存储器组织图 fig 2.2 c8051f020s memory structure 在本课题中由于以太网的数据包最大可以达到 1514 字节考虑到数据发送 时的拥塞还需要提供一定大小的缓冲区在这种情况下c8051f020 的 4k 内部 物理数据存储器远远不能满足要求所以必须使用片外数据存储器使用外部数 据存储器还可以增加通过串口送入的无线模块收到的数据的输入缓冲提高数据 的吞吐率而且复杂的 tcp/ip 操作处理有较多的临时变量这也需要占用一定的 数据存储空间综合上述考虑我们选择扩展 128k 的外部数据存储空间选用的 芯片的型号是 is62lv1024由于单片机的资源有限在扩展片外 ram 时单片 机的 p7 口工作在复用方式(由 emi0cf.4 设置)在 is62lv1024 和单片机间需要连 接一个锁存器(74hc573)来保持ram地址的低8位 需要说明的是尽管c8051f020 只提供 64k 的的扩展空间但是由于其低端端口可以当作通用 i/o所以可以通过 使用低端 i/o 引脚作为片选将其片外数据存储空间扩大到 128k 或者更多 2 . 3 r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器 本课题中以太网控制器选用的是台湾 realtek 公司的高集成以太网控制 芯片 rtl8019as这款芯片集成了以太网媒介访问层(mac)和物理层(phy)的性 能并以其接口简单兼容 ne2000全双工三级低功耗和价格低廉的优点在市场 (flash) 数据存储器程序存储器 内部数据地址空间 0 x1007f 0 x10000 0 xffff 0 xfe00 0 xfdff 0 x0000 保留 0 xff 0 x80 0 x30 0 x7f 0 x2f 0 x20 0 x1f 0 x00 高128字节ram (只能间接寻址) 特殊功能寄存器 (只能直接寻址) 可位寻址空间 通用寄存器 外部数据地址空间 0 xffff 0 x1000 0 x0fff 0 x0000 直接寻址 和 间 接 寻 临时存储器 flash在 系统可编 程 512 字 节一扇区 片外 ram ram-4096字节 低 128 字节 ram (直接或间接寻址) 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 8 上 10mbps 的 pc 网卡和嵌入式网络接入设备中占了很大的份额 2 . 3 . 1 r t l 8 0 1 9 a s 的性能特点 rtl8019as 具有如下的一些性能特点13 适应于 ethernetiiieee802.310base210base510baset 兼容 ne2000可支持 8 位16 位数据总线 全双工收发可同时达到 10mbps 的速率 内置 16kb的 sram用于收发缓冲可降低对主处理器的速度要求 支持跳线和非跳线工作方式在非跳线方式下又包括 pnp(即插即用)方式和 利用 9346 初始化设置两种方式 可连接同轴电缆和双绞线并可自动检测连接的介质 2 . 3 . 2 r t l 8 0 1 9 a s 的内部结构和工作原理 rtl8019as 以 isa总线的方式与其它设备连接 内部主要有 dma 接口 mac 逻辑数据编码解码逻辑和其它端口等其内部结构如图 2.3 图 2.3 rtl8019as 内部结构图 fig 2.3 rtl8019ass inner structure rtl8019as 实现以太网媒介访问层和物理层的功能包括 mac 数据帧的组装 /拆分与收发地址识别crc 编码/校验和曼彻斯特编码解码等按数据链路的 不同可以将其内部划分为远程 dma(remote dma)通道和本地 dma(local dma) 通道两部分远程 dma 是主处理器读写 rtl8019as 内部 ram 的总线即 isa 总线的接口部分本地 dma 是 rtl8019as 与网线的连接通道实现控制器与网 线的数据交换mac 逻辑完成以下功能当主处理器向网上发送数据时先将一 rtl8019as isa 总线接口 编码译码逻辑(ena) 即插即用(pnp) boot rom 端口 eeprom 端口 aui 接口 8k x 16 sram mac 逻辑 双绞线接口 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 9 帧数据通过远程 dma 通道送到 rtl8019as 中的发送缓冲区 然后发出传送命令 当 rtl8019as 完成了上一帧数据的发送后再开始此帧的发送当 rtl8019as 收到数据时将进行 mac 比较crc 校验等处理然后由 fifo 存放到接收缓冲 区收满一帧后以中断或寄存器标志的方式通知主处理器 fifo 逻辑对收发数据 作 16 字节的缓冲可以起到减少对本地 dma 请求的频率的作用 2 . 3 . 3 r t l 8 0 1 9 a s 与单片机的接口 rtl8019as 网络控制器以 isa总线的接口方式和外部设备相连接在本课题 中rtl8019as 作为 c8051f020 的一个外设与之相连在和主处理器连接的接口 电路中rtl8019as 通常用到的 isa总线信号如表 2.1 所示(不考虑电源和地) 表 2.1 rtl8019as 接口电路所使用的 isa 总线信号列表 table 2.1 isa bus interfacial signals of rtl8019as 通过对本课题硬件应用需求的分析我们可以将单片机和 rtl8019as 之间的 接口电路信号接线减至最少 rtl8019as 需要 20 根地址线在本课题设计中使用的是主处理器利用 i/o 方 式与 rtl8019as 来交换数据而 rtl8019as 的 i/o 端口地址只有 32 个所 以与主处理器相连接的地址线可以减至 5 根 isa 总线为了兼容需要设置了 iocs16 信号线由于我们使用的是 8 位的单片 机 需要进行 8/16 位数据的读写转换 此信号线接地即可选择为 8 位的数据线 信号线 信号方向 引脚 数据信号线 i/o sd0 sd15 地址信号线 i sa0 sa19 地址允许线 i aen i/o 通道准备好信号线 o iochrdy 复位信号线 i resetdry 系统存储器读信号线 i smemrb 系统存储器写信号线 i smemwb i/o 读信号线 i ior i/o 写信号线 i iow 中断信号线 o int0 int7 数据总线宽度选择 i(复位时检测) iocs16 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 10 由于系统的应用只需要一个中断源因而可在 rtl8019as 的 8 个中断信号线 中任选一个即可我们选的是 int0其余 7 根中断信号线悬空即可 综合上面对 rtl8019as 的 isa总线接口电路的分析 可得到其与 c8051f020 单片机的接口电路所需要的引脚信号见表 2-2 表 2.2 rtl8019as 与 c8051f020 接口所需引脚信号 table 2.2 the interface signal between rtl8019as and c8051f020 由表 2.1 和表 2.2 可见rtl8019as 与 c8051f020 之间的接口信号引脚有明 确的对应关系接口比较简单降低了硬件设计的难度 2 . 3 . 4 r t l 8 0 1 9 a s 的配置 rtl8019as 提供三种配置 i/o 端口和中断的模式 第一种为跳线模式(jumper)这种模式下rtl8019as 的 i/o 端口和中断由跳 线引脚决定 第二种为 pnp(plug and play即插即用)模式在这种模式下rtl8019as 的 i/o 端口和中断要由软件来配置 第三种为免跳线(jumperless)模式rtl8019as 的 i/o 端口和中断由一个外接 的 eeprom芯片(9346)里面的配置信息决定 在嵌入式应用中通常使用跳线模式rtl8019as 的跳线工作模式由 65 引脚 (jp)决定将 65 引脚用一个 10k 电阻上拉则 rtl8019as 工作在跳线模式若 jp 引脚悬空或接地(rtl8019as 在内部对每个引脚用一个 100k 的电阻下拉引脚 悬空相当于接地)则 rtl8019as 工作在即插即用模式或免跳线模式具体的情 况由 93c46 里面的配置信息决定 当工作在跳线模式下时rtl8019as 的 i/o 基地址由 818284 和 85 引脚 ios0ios3决定这四个引脚不同的连接对应不同的 i/o 基地址具体对应的 引脚 说明 a0 a4 5 条外部地址总线 外部总线 d0 d7 8 条外部双向总线 jp 跳线模式选择引脚 选择信号 iocs16b 8/16 位数据信号选择引脚 读写信号 iorb/iowb 读/写选择引脚 请求/控制信号 rstdrv 芯片复位引脚 中断请求信号 int0 外部用户中断信号引脚 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 11 关系见表 2.3本课题中的网络通信模块将这四个引脚设为 0000(接地或悬空)则 选择的 i/o 基地址为 300h 表 2.3 rtl8019as 的 i/o 基地址选择 table 2.3 the base address of rtl8019as i/o iso3 iso3 iso3 iso3 i/o 基地址 0 0 0 0 300h 0 0 0 1 320h 1 1 1 0 2c0h 1 1 1 1 2e0h rtl8019as 的地址位为 20 位而用到的地址空间为 00300h0031fh可以 发现从第 5 到 20 位是固定的 000000000011000相应的这些引脚接地或电源前 5 位的引脚接单片机的地址引脚表 2.4 列出了 rtl8019as 的 20 根地址引脚的连 接方式其中 0 表示接地1 表示接高电平x 表示与主处理器的地址线相连接 表 2.4 rtl8019as 的地址线连接方式 table 2.4 the connection way of rtl8019as address line 地址线 a19a10 a9 a8 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 300h 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 x x x x x 31fh 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 rtl8019as 的中断引脚由 7880 引脚irqs0irqs2的连接方式决定由 于只有 rtl8019as 一个中断源随便选一个中断即可我们选 int0则 7880 引脚irqs0irqs2接地 rtl8019as 可支持 8 位或 16 位数据总线由于 c8051f020 为 8 位数据总线 将 96 脚用 27k 电阻上拉则其工作在 8 位数据总线方式 相应的数据线 3643 引脚 sd0sd7接单片机的数据线即可 2 . 3 . 5 r t l 8 0 1 9 a s 与以太网的接口 rtl8019as 可连接同轴电缆和双绞线并自动检测所连接的介质64 脚 aui 决定 rtl8019as 与以太网的连接是 aui 还是 bnc 或 utp 接口 本设计中采用的 是当前最通用的 utp 接口 将 64 脚接地即可 在 64 脚接地的情况下 rtl8019as 支持的网络接口的具体类型由 74 和 77 脚pl0pl1决定我们选择将 74 和 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 12 77 脚接地让 rtl8019as 自动检测这时 rtl8019as 会自动检测接口类型然后进 行工作具体的连接框图见图 2.4图中的 20f001n 是一种 10base-t 器件起变 压滤波的作用而 rj45 接头则是双绞线的接口 图 2.4 rtl8019as 与以太网的接口 fig 2.4 the interface between rtl8019as and ethernet 2 . 4 数据接收 作为主要应用在远程实时监护系统上面的功能模块我们在设计时必须考虑 给患者和医院提供自由的空间因此本课题选择了无线通信模块作为数据采集模 块和网络通信模块的通信平台数据采集模块将采集到的患者生理数据通过无线 模块在特定频率下按一定的通信速率发射出来网络通信模块通过主处理器控制 无线模块接收数据并将数据放进缓冲区等待进一步的处理 我们采用的是上海桑博电子公司的 str_11 型无线数传模块 该模块采用挪威 nordic vlsi asa公司开发的无线通信核心芯片具有以下一些显著的特点14 微功率发射最大发射功率为 10mw功耗低 通信速率高数据缓冲区大接口波特率最高可达到 38400bps 高抗干扰能力和低误码率基于 fsk 的调制方式采用高效前向纠错信道编码 技术提高了数据抗突发干扰和随机干扰能力 多信道 str-11 型模块标准配置提供 8 个信道 根据需要可扩展到 16/32 信道 传输距离远在视距情况下可靠传输离距达到 500mber=10 3 str_11 可直接与单片机的 uart 连接实现数据的传输控制 连接示意图如图 2.5在使用 str_11 进行通信之前需要进行一些设置以确定信道接口方式和 数据格式str_11 的右上角有一组 5 位的短路跳线组分别定义为 abcde假 设跳线开路为状态 1(不插短路器)跳线短路为状态 0则配置方法如下 信道配置提供 8 种选择用户可以通过 abc 三位跳线选择 07 号信道 在一个通信小网中 abc 的跳线方式相同相互之间就可以进行通信 rtl8019as tpin tpin tpout tpout 20f001n 滤波 变压 rj45 接头 以 太 网 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 13 接口方式选择 str_11 提供两个串口 com1(引脚 3 和引脚 4)固定为 ttl 电平的 uart 串口com2 可以通过 d 位来选择接口方式当 d=1(不插短路器) 时 接口方式为 rs-485 当 d=0(插入短路器)时 接口方式为 rs-232 对于 str_11 提供的这两个串口使用时需要注意以下两个问题一是对应空中接收的数据 str_11 通过串口转给单片机的时候com1 和 com2 同时输出二是对于由终端 设备送来准备向空中发射的数据str_11 则只能接收 com1 或 com2 其中一 个串口送来的数据不能同时接收两个串口送来的数据在本课题中我们在发 送和接收数据时都只使用一个串口 com1这样可以避免混乱 图 2.5 str_11 与单片机的接口 fig 2.5 the interface between str_11 and c8051f020 通信速率设定str_11 的通信速率由厂家在出厂的时候进行设置本课 题中使用的 str_11 的通信速率设置为 19200bps 校验方式设定str_11 支持 uart 的无校验和偶校验两种方式可以通过 e 位进行设定当 e 位状态为 1(不插短路器)时校验方式为偶校验当 e 位状态 为 0(插入短路器)时为无校验为提高数据传输的可靠性本课题当中将 e 位状 态设置为 1进行数据的偶校验(8e1) 休眠功能设置对于远程实时医疗仪器来说很多情况下为便携式因为 这样可以给患者以更大的自由所以尽量降低功耗在课题的设计中相当重要 str_11 支持休眠功能(由厂家在出厂时按用户要求设置该功能开放与否)在降低 功耗方面具有独到的优势str_11 的 sleep 引脚是休眠控制引脚该引脚为高 电平的时候str_11 保持为休眠状态由空闲状态转换为休眠状态可在上升沿 10us 后完成当休眠信号到来时如果 str_11 正在接收空中数据或正在接收串 口数据发送到空中则当接收完该组数据后才进入休眠状态sleep 引脚保持低 电平则 str_11 持续工作由休眠状态转换为工作状态至少需要下降沿后 20ms 的 vcc gnd rxd txd sgnd a(txd b(txd) sleep reset 1 9 txd/ttl rxd/ttl sgnd a(rxd) b(txd) sleep signal reset signal str_11 c8051f020 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式网络通信模块硬件设计 14 时间 以保证 cpu 的时钟重新稳定工作 应当注意的是 开放了休眠功能的 str_11 在上电的时候很容易错误的进入休眠状态避免这种情况出现的有效方法是用户 在系统上电的时候由主cpu程序软件延时至少150ms 后给str_11 强制复位一次 str_11 的启动和休眠时序图如图 2.6 所示 图 2.6 str_11 时序图 fig 2.6 the sequential chart of str_11 通过上述的介绍以无线模块为数据接收端rj45 接头为数据输出端的无线 模块转以太网的网络通信模块硬件就已经设计出来了硬件实物如图 2.7 所示 图 2.7 网络通信模块实物图 fig 2.7 hardware of network communication module run sleep mcu vcc sleep reset txd run 200ms 55h 重庆大学硕士学位论文 3 tcp/ip 协议概述 15 3 t c p / i p 协议概述 3 . 1 t c p / i p 协议简介 tcp/ip(transmission control protocol/internet protocol)协议是因特网的基本协 议它实际上是由许多处于不同层次完成不同功能的单个协议组成并以协议簇 的形式存在 其主要的协议有 传输控制协议(transmission control protocol tcp) 用户数据报协议(user datagram protocoludp)网际协议(internet protocolip) 地址解析协议(address resolution protocolarp)因特网控制报协议(internet control message protocolicmp)和因特网组管理协议(internet group management protocoligmp)等等由于 tcp/ip 屏蔽了底层的物理网络细节提供了最好的兼 容性和交互操作性能可以在绝大多数销售商的系统中使用因此绝大多数的计 算机都使用 tcp/ip协议来进行 internet通信tcp/ip 协议已经成为计算机工业中 开放系统互联的事实上的标准是 internet 的基础15-17 人们通常用层式结构来描述 tcp/ip 协议 不同的学术组织有不同的分层表示 最常见的是 iso/osi 的 iso 模型有 7 层在嵌入式系统中一般将 tcp/ip 协议分 为 4 层应该指出的是虽然各个学术组织的分层模型不尽相同但各种模型的 功能是一样的本质相同15本课题中采用四层结构来描述 tcp/ip 协议图 3.1 所示的就是一个常见的 tcp/ip 协议四层结构 图 3.1 tcp/ip 结构图 fig 3.1 structure of tcp /ip 从图中可以看出四层 tcp/ip 协议由顶层到底层分别为应用层传输层网 络层和网络接口层这四层的功能分述如下18 应用层应用层是应用程序和网络组件之间的接口是应用程序进入网络的 应用程序 应用层 ftpdns http tcp udp 传输层 网络层 arp rarp igmp icmp ip 底层网络定义的协议 网络接口层 重庆大学硕士学位论文 3 tcp/ip 协议概述 16 入口根据用户的应用需求不同主要包括以下一些协议超文本传输协议 http 文件传输协议 ftp 和简单网络管理协议 snmp 等 传输层负责提供应用程序之间的通信这种通信可以是基于连接的也可 以是基于非连接的这两种类型的主要差别在于是否跟踪数据以确认数据正确发 送到目标 最著名的两种传输层协议是传输控制协议tcp和用户数据报协议 udp 其中 tcp 是基于连接的协议提供可靠的数据传输udp 是基于非连接的协议 不能提供数据传输的可靠性但 udp 的传输速度较快 网络层网络层的主要功能是发送分组和提供路由即选择到达目标主机的 最佳路径并沿该路径传送数据包在这一层通用的是网际协议 ip传输层上的所 有协议都要使用 ip 发送数据 ip 协议规定如下一些规则 如何寻址和定向数据包 如何处理数据包的分段和重新组装如何识别