采用DS80C410串口至以太網(wǎng)接口轉換器設計方案

概述：介紹了一種基于高性能51內核網(wǎng)絡微控制器的串口至以太網(wǎng)接口轉換器的設計方案，采用網(wǎng)絡單片機DS80C410，利用集成的MAC通過以太網(wǎng)收發(fā)器與以太網(wǎng)相連，借助TINI SDK軟件開發(fā)包通過Java編程實現(xiàn)串口和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通訊。串口至以太網(wǎng)接口轉換器使得帶有RS232/422/485通訊接口的設備和以太網(wǎng)服務器進行數(shù)據(jù)流傳輸，通過以太網(wǎng)服務器對串口設備進行實時監(jiān)控。

1? 引言

互聯(lián)網(wǎng)硬件和軟件的迅猛發(fā)展，使得各種電氣設備、儀器儀表以及生產過程中的數(shù)據(jù)采集與控制設備逐漸走向網(wǎng)絡化。計算機技術、測控技術、網(wǎng)絡與通訊技術不斷發(fā)展與融合是一個必然的趨勢。目前以太網(wǎng)已經廣泛應用于計算機網(wǎng)絡，成為互聯(lián)網(wǎng)鏈接不可缺少的部分，另外以太網(wǎng)一般都基于TCP/IP協(xié)議，使得整個網(wǎng)絡只有一種互聯(lián)通訊協(xié)議，滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求，而且易于和Internet實現(xiàn)無縫連接?，F(xiàn)今大多數(shù)現(xiàn)場設備通過串口與外界通訊，甚至串口是它們與外界通訊的唯一通道，串口設備的廣泛使用以及對設備上網(wǎng)能力的不斷需求，使得如何實現(xiàn)串口到以太網(wǎng)的轉換顯得尤為重要。DS80C410利用集成的MAC通過物理層器件與以太網(wǎng)相連，借助TINI SDK軟件開發(fā)包可以輕松實現(xiàn)串口至以太網(wǎng)的接口轉換。

2? 系統(tǒng)硬件

2.1? DS80C410簡介

DS80C410是與8051兼容的高度集成的網(wǎng)絡微控制器。它內置一個10/100bps的以太網(wǎng)MAC，3個串行端口，1個CAN2.0B控制器，一個1-Wire控制器和64個I/O口，具有64K字節(jié)內部SRAM，用于存儲用戶應用和網(wǎng)絡堆棧。為了便于訪問網(wǎng)絡，在ROM中提供了一個完整的、可被應用訪問的TCP / IP 協(xié)議棧, 支持IPv4 和IPv6, 可執(zhí)行UDP, TCP, DHCP, ICMP和IGMP,協(xié)議棧支持32個TCP連接而且可以通過以太網(wǎng)MAC以5Mbps的速度發(fā)送數(shù)據(jù)。最高達75MHz的系統(tǒng)時鐘頻率使最短指令周期僅有54ns。為了加快微控制器和內存之間的數(shù)據(jù)傳輸, ROM包含固件用DHCP連接TFTP來實現(xiàn)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡啟動。

DS80C410內部集成了10/1000Mbps的以太網(wǎng)控制器（MAC），它支持使用以太網(wǎng)/IEEE802.3協(xié)議的物理設備。它通過一個介質無關接口(MII)提供了接收、發(fā)送和流控制機制。MII包含了一個串行管理總線，它可以用來設置外部物理設備。MII可以設置為半雙工和全雙工模式，速率可以是10Mbps和100Mbps，也可以設置成支持1OMbps的ENDEC操作模式。以太網(wǎng)控制模塊如圖1所示：

緩沖控制單元（BCU）:是所有DS80C410以太網(wǎng)操作的中央控制器，通過一系列特殊功能寄存器控制CPU與以太網(wǎng)控制模塊的讀/寫操作。

命令/狀態(tài)寄存器（CSR）：旨在控制與檢測以太網(wǎng)操作過程。

介質無關接口（MII）：包括兩個基本模塊，即MII I/O模塊和MII管理模塊。MII I/O模塊提供獨立的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)路徑和物理層網(wǎng)絡狀態(tài)信號輸入，MII管理模塊執(zhí)行2線串行通訊總線便于訪問物理層寄存器。

地址檢測模塊（Address Check）：監(jiān)控所有輸入數(shù)據(jù)包的目的地址，根據(jù)CPU配置的過濾標準決定是轉發(fā)還是丟棄。地址檢測結果和幀類型信號位一起由BCU存入數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)字中。

發(fā)送/接收緩沖寄存器（Tx/Rx）：DS80C410用8KB內部SRAM作為發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包的緩沖寄存器，CPU可用MOVX指令訪問數(shù)據(jù)存儲器，BCU也可以訪問SRAM，在需要存儲或找回以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包信息時可自動讀/寫緩沖寄存器。

電源管理模塊(Power Management)：可以通過CPU設定為休眠模式，在不處理以太網(wǎng)通信時以便節(jié)省電源[1]。

2.2? LXT972ALC簡介

?? LXT972ALC是一個遵守快速以太網(wǎng)協(xié)議的接口收發(fā)芯片，支持10/100MAC的標準MII，它是物理層設備，完成參考模型中以IEEE802.3標準定義的物理編碼子層、物理媒體附加層和物理媒體獨立子層的功能。LXT972ALC設備實現(xiàn)了標準IEEE802.3定義的MII提供了從MAC到LXT972ALC數(shù)據(jù)傳輸?shù)莫毩⑼ǖ?。每一個通道都有各自的時鐘、數(shù)據(jù)總線和控制信號[3]。MAC每一次發(fā)送都使用先導模式，當LXT972ALC檢測到先導符時，它發(fā)送一個幀開始符，然后進行編碼和發(fā)送數(shù)據(jù)包的剩余部分，包含包數(shù)據(jù)和CRC。當包結束時，LXT972ALC發(fā)送包結束分解符，然后轉為發(fā)送空閑標識符。

2.3? 轉換器的硬件連接

基于DS80C410串口至以太網(wǎng)接口轉換器的硬件連接如圖2所示。

串口采用MAX202實現(xiàn)TTL電平到RS232電平的轉換，通過RS232標準接口（DB9）接入外部串口設備。以太網(wǎng)收發(fā)器的輸出經過網(wǎng)絡變壓器的隔離接入RJ45通過5類雙絞線電纜連接10/100BASE-T以太網(wǎng)。

3???軟件部分

DS80C410 MCU內部64KB的ROM程序中包含完全符合工業(yè)標準的完整的TCP/IP IPv4/v6 協(xié)議棧，搶占式調度程序和可以裝載應用程序的網(wǎng)絡引導程序、串口引導裝載程序。系統(tǒng)啟動時，ROM對單片機的串口0進行初始化，微控制器通過串口0和開發(fā)主機通信，向Flash寫入程序。應用程序使用Java來開發(fā)，借助軟件開發(fā)工具包TINI SDK在開發(fā)主機上完成，TINI SDK將DS80C410中的硬件部分虛擬成Java的類，通過調用相關的方法實現(xiàn)對硬件的操作。TINI SDK提供了Java程序的運行環(huán)境，在主機上開發(fā)Java應用程序經過轉換，即可在目標系統(tǒng)上運行。以串口設備到以太網(wǎng)服務器數(shù)據(jù)流傳輸程序為例，包括串口到以太網(wǎng)主線程、維持線程，串口發(fā)送、串口接收子線程。各流程圖分別如圖3 、4、5、6所示：?????

串口到以太網(wǎng)的主程序包括串口參數(shù)、流控制模式的設定，串口輸入輸出流的初始化，流量計數(shù)器的設定和初始化，接收超時、接收門限的設定（接收門限為緩沖容量長度，接收超時設為100ms），連接網(wǎng)絡服務器，創(chuàng)建并啟動串口接收和發(fā)送子線程，啟動維持線程。維持線程用于周期（周期為1分鐘）更新和統(tǒng)計接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)流量。串口接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)是通過網(wǎng)絡接口從網(wǎng)絡結點上獲取數(shù)據(jù)并送至以太網(wǎng)緩沖區(qū)，再通過串口將數(shù)據(jù)流發(fā)送到串口設備。串口向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)是把有效數(shù)據(jù)讀到串口接收緩沖區(qū)，通過向網(wǎng)絡緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)把串口數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡結點（或服務器），并且對這兩個進程進行監(jiān)視，并確認是否出現(xiàn)異常（網(wǎng)絡連接關斷或流量計數(shù)器異常）。

Java編程要點：申明串口到以太網(wǎng)擴展線程類，申明內部串口類及相應的輸入輸出流對象，內部網(wǎng)絡接口類及相應的輸入輸出流對象。輸入流對象就是可以從其獲得連續(xù)字節(jié)的對象，輸出流對象就是可向其輸入一系列字節(jié)的對象。在串口接收子線程中，將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)寫到串口是通過調用串口輸出流的寫方法，將以太網(wǎng)緩沖器中接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口，具體為：spout.write(ethbuf,0,count) ,spout為串口輸出流對象，write()為寫方法作用是將數(shù)組ethbuf中count個字節(jié)寫入串口輸出流中，參數(shù)ethbuf為長度為1024的數(shù)組，參數(shù)0表示從數(shù)組的0處開始發(fā)送，參數(shù)count為以太網(wǎng)緩沖器中接收到的數(shù)據(jù)長度。類似的，在串口發(fā)送子線程中，將串口數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡服務器是通過網(wǎng)絡輸出流的寫方法，將串口輸入緩沖器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡服務器，具體為：sout.write(serbuf,0,count)，sout為網(wǎng)絡接口輸出流對象，參數(shù)count為串口接收緩沖區(qū)中接收到的數(shù)據(jù)長度，其余同上不再細說。

4? 結論

本文作者創(chuàng)新點：采用嵌入式以太網(wǎng)控制器，節(jié)省了外圍器件，硬件電路設計相對簡單，系統(tǒng)開發(fā)周期較短，開發(fā)成本相對較低；數(shù)據(jù)通信采用面向對象的Java語言，采用多線程技術，提高CPU工作效率；設計網(wǎng)絡化的測量和控制裝置?；贒S80C410串口至以太網(wǎng)接口轉換器可以實現(xiàn)串口設備和以太網(wǎng)服務器的數(shù)據(jù)流傳輸，通過以太網(wǎng)服務器對串口設備進行監(jiān)控。串口設備和以太網(wǎng)的連接有助于提高數(shù)據(jù)傳輸效率，克服串行通訊本身傳輸速度慢，傳輸距離短的限制。目前廣泛用于廠站自動化的大量國內外保護測量設備都只有RS232/422/485通訊接口，串口設備通過外部轉換增加上網(wǎng)能力可能更符合實際要求，這就使得串口到以太網(wǎng)轉換器的實現(xiàn)具有現(xiàn)實性和應用可能性。