摘 要：本文主要提出了一種基于普通單片機的網絡接入模塊的設計方案。網絡接入模塊是廉價的測控網絡接入方案，它可以將具有RS-232等接口的測控設備簡單又直接地連接在局域網上，利用豐富現成的局域網資源，組成一系列局域網的分布式測控系統，可以作為一種新的實用測控網絡分布式控制的方法。

關鍵詞：網絡接入模塊，TCP，IP，UDP ，ARP

一、前言

　　利用現有局域網的豐富資源，組建局域網分布式測控系統是一種低成本、高可靠性、快捷的技術方案。局域網測控系統的組成方式有以下三種。方案一采用PC機+網卡+采集卡組成局域網測控網關，進行協議轉換，將由現場總線連接測控設備組成的分布式測控系統接入局域網，將管理PC機放在局域網內，組成一個較大的自控系統。這種組成方式成本很高，只適用于大的控制系統。方案二采用嵌入式系統+局域網卡+采集卡來組成局域網測控網關。嵌入式系統實際上是在硬件和軟件上均可按用戶需要進行配置的微型機。所以，實際上它是第一種方案的簡化和微型化。它的成本比第一種有所下降，但價格還是較高。方案三則由于最近網絡發展的趨勢，人們利用單片機加上局域網接口芯片組成網絡接入模塊。它以單片機取代PC機，用局域網接口芯片取代局域網卡，并只需一臺網絡計算機進行監控，使測控方案的價格大大下降。這就使測控設備能以低廉的費用，以簡捷的方式接入局域網，使網絡信息家電、IC卡網絡控制等變為現實，使局域網分布式測控系統能得到迅速的發展。

二、 TCP/IP網絡基本原理與網絡接入模塊的組成及結構

　　1. TCP/IP網絡基本原理及TCP/IP的具體連接過程

　　TCP/IP協議是把因特網上的各種系統互連起來的協議組，保證因特網上數據的準確快速傳輸。參考開放系統互連（OSI）模型，TCP/IP通常采用一種簡化的四層模型，分別為：應用層、傳輸層、網際層、網絡接口層。其中網絡接口層由控制同一物理網絡上的不同機器間數據傳送的底層協議組成，如Ethernet 協議等，為TCP/IP協議組的下層物理電氣層接口。網際層讓信息可以發送到相鄰的TCP/IP網絡的主機上，IP協議就是該層中傳送數據的機制并定義了IP數據幀的格式。同時為了建立網絡間的互連，應提供ARP地址解析協議，實現從IP地址到網絡物理地址的映射，并用RARP逆向地址解析協議實現物理地址到IP地址的映射。傳輸層讓網絡程序通過定義的通道，端口等獲取數據，如定義網絡連接的端口號等，實現該層協議的傳輸控制協議TCP和用戶數據協議UDP。網絡應用層要有一個定義應用的會話過程，如Http、Ftp、Telnet等。

　　2.網絡接入模塊的組成及結構

　　網絡接入模塊就是局域網的網絡協議轉換器。它主要在網絡層完成局域網TCP/IP協議和測控設備現場總線RS-232協議的轉換，完成局域網和測控設備及現場總線網絡間的互聯，實現不同局域網和現場總線網絡設備之間的數據交換。

　　由于網絡接入模塊的接口豐富，且價格低廉，所以它可以直接將具有RS-232、RS-485（需通過轉接口實現轉接）接口的測控設備接入局域網，組成局域網分布式測控系統，而不需要再架設現場總線。

　　網絡接入模塊的組成如圖1所示，其主要由單片機和局域網接口芯片組成。

圖1、網絡接入模塊的組成原理結構圖

　　局域網接口芯片可選用符合IEEE802.3協議通用接口芯片，如RTL8019AS等芯片。這些芯片完成與局域網在物理層上的通信任務，采用RJ-45插口，可以直接連接到局域網上。

　　網絡接入模塊中的單片機可選用普通單片機，如AT系列的AT89C52等。單片機閃存（或外接EEPROM）內用匯編語言寫入TCP/IP通信協議，以及與RS-232、RS-485等現場串行總線通信協議。它負責完成網際層、網絡接口層的協議轉換，數據交換任務。它將從局域網接收來的UDP包，進行拆包，取出數據，再按RS-232、RS-485等現場串行總線通信協議重新組成幀，發送給測控設備;或者將測控設備發送來的數據幀，重新打成IP包，向局域網服務器發送。

三、網絡接入模塊的硬件設計與工作原理

　　1.硬件原理框圖

　　系統提供RJ45接口連接局域網，并且提供一個RS-232總線的串口并控制測控設備。網絡接入模塊可以將從局域網上過來的UDP數據報解包后送給對應的串口，也可將從串口過來的數據封裝為UDP包送到局域網中。單片機采用62256外部RAM芯片來暫時存儲數據，并保存中間處理結果以及作為與UDP服務器端進行數據通信的緩沖區：如在發生UDP數據發送錯誤需要重新發送時，將數據再次從RAM中取出并發送到網絡，而在數據發送后被正確接收后才將該幀數據沖內存單元內刪除。使用EEPROM芯片，既可以作為看門狗（用于單片機程序故障時自動復位）使用，也可以保存IP地址、網卡物理地址和其他參數。具體，網絡接口模塊的硬件原理框圖如圖2所示：

圖2、網絡接入模塊的硬件結構原理框圖

　　其中AT89C52單片機采用P0.0～P0.7口與RTL8019AS網卡芯片的數據端口SD0～SD7連接，單片機的P2.0～P2.4與網卡芯片地址端口SA0～SA4連接，單片機P3.7、P3.6分別對應網卡芯片的IORB、IOWB端口，實現對網卡數據的交換及TCP/IP通信的實現。單片機的P2.5、P2.6端口分別對應AT24C512的串行EEPROM的SCL，SDA口。AT24C512中存放IP地址，網卡物理地址等設備參數。單片機與62256RAM芯片的數據接口采用時分復用片選方式用P0.0～P0.7口與62256的D0～D7口交換數據，用P1.0 ～P1.7來控制62256內存單元的物理地址進行數據存放控制。單片機通過P3.0～P3.3端口分別與MAX232芯片（其作用是將TTL電平轉變為RS-232電平）串口控制的片選信號，然后根據相應的串口線路進行串口數據傳送。而串口接收數據時，通過CTS控制信號進行MAX232芯片的選通，然后MAX232芯片輸出中斷信號來分別與單片機進行串口數據交換及自定義通信協議的實現。

　　2.網絡接入模塊的工作原理及流程

　　網絡接入模塊上電復位后，首先進行系統初始化，然后分別接受數據網絡數據傳送預處理（數據打包、拆包）-網絡數據傳送-自定義通信協議的數據處理等操作。

　　根據單片機的程序的不同可以采用兩種方式實現TCP/IP的數據通信：即采用TCP和UDP兩種方式進行數據傳輸。但是TCP連接的方式采用可靠連接，雖然系統的可靠性高，但建立可靠連接的系統開銷大，不適用于采用傳輸數據量少的場合。所以采用UDP方式進行數據傳輸，并采用上層出錯重發等協議來進行差錯控制。采用UDP的單片機算法流程如下:

圖3.單片機UDP通信的算法流程

　　在單片機相關的存儲器中寫入相應UDP的控制處理程序，進行UDP的數據打包、拆包，檢驗等處理和ARP地址解析的處理并進行自定義通信協議握手連接等處理，以確保測控數據的正確傳輸。

四、 網絡接入模塊對應的網絡PC機通信軟件的實現

　　網絡計算機通過WINDOWS的TCP/IP編程的Winsock機制來實現與網絡接入模塊的控制與通信。在一臺作為服務器的計算機上設置一個TCP/IP端口監控的程序，實時監控網絡接入模塊發到局域網的UDP數據報。對于UDP數據報傳送方式，上層服務器先建立一個套接字，然后把它和本地接口綁定在一起，由這個綁定的套接字接口讀入UDP數據，并在UDP數據拆包后進行自己定義通信協議的處理（包括安全驗證、出錯重發及用戶自定義幀格式等的處理）。具體的單片機與計算機之間的UDP收發數據流程如下圖所示：

圖4、UDP數據通信Winsock方式工作流程

五、 網絡接入模塊應用中的幾個關鍵技術問題

　　在應用網絡接入模塊組建局域網測控系統的實際過程中，要根據實際應用需要，注意以下幾個問題：

　　1.網絡接入模塊的處理及傳輸速度

　　在利用網絡接入模塊組成的局域網測控系統中，上位PC機與下位測控設備之間數據交換的速度取決于網絡接入模塊的處理及傳輸速度：網絡接入模塊的處理速度主要取決于實際需要處理的數據計算量和單片機的處理速度;而網絡接入模塊的傳輸速度取決于局域網接口芯片的速度、單片機的處理速度，以及網絡接入模塊和測控設備交換數據的方式。在一般的測控系統中，要傳送的僅僅是控制命令和測量反饋數據，數據量及需要單片機處理的數據計算量不大。網絡接入模塊與測控設備之間采用RS-232串口方式連接，其通信速率僅幾十kb/s～上百kb/s。這時局域網接口芯片的速度（10Mb/s）和微處理器的速度就遠大于串口通信速度。網絡接入模塊的傳輸速率就取決于串口的通信速率。

　　局域網接口芯片的速度已達10 Mb/s，遠大于微處理器的速度，遠大于網絡與測控設備的數據交換速度，遠大于測控工作的要求，所以滿足應用要求。

　　2.網絡接入模塊的IP地址

　　局域網測控系統中，測控設備通過網絡接入模塊進入局域網，就必須確定自己的IP地址。網絡接入模塊的IP地址有活動IP和固定IP兩種獲取的方法：上電時，網絡接入模塊軟件自動在系統中搜尋是否有代理服務器。若有代理服務器，則申請并由代理服務器分配給一個活動IP地址，作為網絡接入模塊的IP地址;若系統中沒有代理服務器，則啟用單片機在硬件上設立的一個固定IP地址作為網絡接入模塊的IP地址。通常在局域網內所需要控制的網絡接入模塊較少時，如連同同一局域網內工作站不超過255臺時，可以分別為網絡接入模塊分配獨立的IP地址，以簡化處理，方便單片機實現，否則只能采用代理服務器的方式動態分配IP地址。

　　3.安全控制

　　在小型封閉的局域網中進行測控，安全問題不大，但為確保系統安全，在網絡接入模塊中，單片機采用48～128位的用戶密碼來保護測控設備的安全，并將部分關鍵命令碼變換加密。合法用戶可以修改、設定自己的密碼。非法用戶即使竊取了網絡接入模塊的IP地址，沒有密碼，也無法通過網絡接入模塊來操作測控設備。

　　4.實時性問題

　　測控系統在很多場合都要強調它的實時性，但局域網不是一個實時系統。由于它的載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通信方式，決定了局域網中IP包的傳輸會有延遲，甚至丟包，這是利用局域網組成分布式測控系統最大的缺點。但是，現在局域網的速度越來越快，百兆網甚至千兆網，或在一些小型封閉的局域網中，當網絡的繁忙程度大為減輕時，IP包幾乎沒有碰撞，傳輸延遲、丟包現象就大大減小，不會影響測控系統的正常工作。同時，在系統的網絡層之上，可增加應答協議，并根據實際應用情況，增加一定大小的緩沖存儲器暫存未應答的數據包直到應答為止，丟包的問題就可基本克服。而且可以將直接連接網絡接入模塊的網線通過交換機中轉連入局域網，以保證其交換速度。

六、網絡接入模塊的應用前景

　　基于單片機的網絡接入模塊可以滿足一般測控系統的要求，而且它的成本低、體積小，便于在智能樓宇，校園一卡通等工程項目中推廣。它可以作為一個模塊，直接嵌入到測控設備，生產新一代的網絡測控設備、信息家電等嵌入式應用系統。這必將大大促進局域網測控系統、信息家電等自動控制設備的發展。

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