引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的日益普及，信息共享程度的不斷提高，以單片機(jī)為中心的數(shù)據(jù)采集、檢測控制等系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)共享信息已成為一種趨勢，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用正從以PC機(jī)為中心的時代逐漸轉(zhuǎn)到以單片機(jī)系統(tǒng)為中心的時代。

但是，目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，單片機(jī)系統(tǒng)主要通過RS-232、RS-485和CAN總線協(xié)議通信，它們無法直接于互聯(lián)網(wǎng)連接，因此，系統(tǒng)處于與互聯(lián)網(wǎng)隔絕的狀態(tài)。這些系統(tǒng)廣泛采用低成本的8位單片機(jī)，而這種單片機(jī)一般只具有RS-232異步串行通信接口，要想接入互聯(lián)網(wǎng)必須進(jìn)行通信接口改造，這種改造不僅是接口的物理改造，關(guān)鍵是數(shù)據(jù)格式的改造和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。因此，本文提出一種RS-232串行通信接口與RJ45以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方案，已有的單片機(jī)系統(tǒng)可以通過該轉(zhuǎn)換器接入以太網(wǎng)，進(jìn)一步接入互聯(lián)網(wǎng)，這種方案對研發(fā)嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也有借鑒作用。

1、轉(zhuǎn)換器的總體結(jié)構(gòu)和工作過程

RS-232串口與RJ45網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換器由控制單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元、電源單元組成，總體結(jié)構(gòu)見圖1。其中，控制單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，其核心是單片機(jī);網(wǎng)絡(luò)接口單元完成數(shù)據(jù)以太網(wǎng)幀格式的封裝和拆封以及信號的變換;電源單元為控制單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元提供電源。

單片機(jī)系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行異步通信接口，若要通過轉(zhuǎn)換器接入互聯(lián)網(wǎng)，一般首先接入局域網(wǎng)，局域網(wǎng)基本采用以太網(wǎng)，再通過以太網(wǎng)接人互聯(lián)網(wǎng)。因此，本文提出的轉(zhuǎn)換器的網(wǎng)絡(luò)接口采用以太網(wǎng)的RJ45接口。如圖2所示。

若數(shù)據(jù)從單片系統(tǒng)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，則單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的異步串行數(shù)據(jù)幀經(jīng)過轉(zhuǎn)換器后，把數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，然后上傳到互聯(lián)網(wǎng);反之亦然。

2、硬件設(shè)計

2.1控制單元

該單元由單片機(jī)、存儲器和鎖存器等電路組成，如圖3所示。

單片機(jī)采用***Winbond公司的8位MCU(微控制器)W78E51，該芯片內(nèi)部有32kB的大容量程序存儲器，同時提供ISP在線編程功能，方便程序調(diào)試以及軟件升。由于W78E51單片機(jī)片內(nèi)RAM十分有限，為了完成數(shù)據(jù)包的接收和處理，在使用過程中為W78E51擴(kuò)展一片62256外部數(shù)據(jù)存儲器，臨時存儲以太網(wǎng)發(fā)來的數(shù)據(jù)幀和RS-232發(fā)來的數(shù)據(jù)，其片選信號/CE連接78E51的P2.7口，/OE和/WE分別連接78E51的/RD和/WR，存儲器62256占用單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)地址空間0000H～7FFFH，共32 kB;電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232外接少量元件就可實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換。

2.2網(wǎng)絡(luò)接口單元

網(wǎng)絡(luò)控制單元由以太網(wǎng)控制器、存儲器和耦合隔離變壓器等組成，如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)控制器采用RTL8019AS，它是REALTEK公司生產(chǎn)的高集成度專用以太網(wǎng)接口芯片，支持PNP自動探測，內(nèi)嵌16 kB的SRAM，具有全雙工的通信接口。RTL8019AS是針對ISA總線而設(shè)計的，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理層協(xié)議，主要包括網(wǎng)絡(luò)控制器與網(wǎng)絡(luò)電纜的物理連接、MAC(介質(zhì)訪問控制)、數(shù)據(jù)幀的拆裝、幀的發(fā)送與接收、錯誤校驗(yàn)、數(shù)據(jù)信號的編/解碼和數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換;RTL8019AS的數(shù)據(jù)包發(fā)送/接收過程通過2個DMA操作來完成。本地DMA完成RTL8019As與片內(nèi)FIFO隊列之間的數(shù)據(jù)傳送，作用是完成控制器和網(wǎng)絡(luò)線的數(shù)據(jù)交換;遠(yuǎn)程DMA完成RTL8019AS與外部處理器之間的數(shù)據(jù)傳送。

由于RTL8019AS工作于跳線模式，且IOS0、IOS3接高電平，IOS1、IOS2接低電平，決定了RTL8019AS的I/O基地址為240H，單片機(jī)W78E51是靠地址總線和讀寫總線對RTL8019AS進(jìn)行操作的，因此把RTL8019AS地址總線的SA0～SA4和SA6分別與單片機(jī)地址總線ADDR8～ADDR12和ADDR15相連，SA9接高電平，SA5、SA7、SA8和SA10～SA19全部接地，RTL8019AS的I/O基地址240H映射到單片機(jī)地址的8000H，這樣W78E51對片外數(shù)據(jù)存儲器8000H的訪問就可實(shí)現(xiàn)對RTL8019AS基址的操作。RTL8019AS的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收引腳TPOUT-、TPOUT-、FPIN-和FPIN+通過隔離濾波變壓器20F-01與以太網(wǎng)RJ45接口相連，耦合隔離變壓器主要具有信號傳輸、阻抗匹配、波形修復(fù)、雜波抑制以及高電壓隔離等作用。 利用W78E51控制RTL8019AS的各項(xiàng)操作，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流通過RJ45接口進(jìn)入RTL8019AS的緩沖區(qū)，然后經(jīng)過RTL8019AS處理后被W78E51讀入到62256暫存，暫存的數(shù)據(jù)通過RS-232串口傳送到單片機(jī)系統(tǒng)或其他設(shè)備;在向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，單片機(jī)系統(tǒng)或其他設(shè)備經(jīng)RS-232串口發(fā)送數(shù)據(jù)包至W78E51在62256中開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后通過遠(yuǎn)程DMA操作將組幀后的數(shù)據(jù)寫入RTL8019AS的片SRAM，再經(jīng)RJ45接口發(fā)送至以太網(wǎng)。

2.3電源單元

為簡化轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和成本，電源外置，采用兩種方式供電，一種是采用USB電源供電，另一種是采用+5 V通用電源器供電。轉(zhuǎn)換器設(shè)計了兩種電源接口。

3、程序流程

程序流程如圖5所示。

轉(zhuǎn)換器上電復(fù)位后，主程序進(jìn)入檢測以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，分析接收到的數(shù)據(jù)包類型做出相應(yīng)的處理;若單片機(jī)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)發(fā)送給轉(zhuǎn)換器，則轉(zhuǎn)換器進(jìn)入串行口中斷服務(wù)程序，處理接收的串行數(shù)據(jù)包。

4、結(jié)束語

該轉(zhuǎn)換器成功應(yīng)用于某煤礦風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的改造項(xiàng)目上。改造前，只有與風(fēng)機(jī)檢測單片機(jī)系統(tǒng)連接的計算機(jī)能觀測該風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，改造后，只要接入礦區(qū)局域網(wǎng)的計算機(jī)都可以觀測到風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

雖然該轉(zhuǎn)換器基本上實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)與以太網(wǎng)的通信，但是轉(zhuǎn)換器的功能比較簡單，若能把http協(xié)議嵌入到轉(zhuǎn)換器，通過Web的方式通信會更好。

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