基于AVR單片機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，各種家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)備在逐步地走向網(wǎng)絡(luò)化，以實(shí)現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息交換與共享。目前廣泛使用的以太網(wǎng)以及TCP/IP 協(xié)議已經(jīng)成為最常用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)之一，其高速、可靠、分層以及可擴(kuò)充性使其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越靈活，很多情況下采用以太網(wǎng)和TCP/IP，能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和降低成本。

　　目前大多數(shù)智能設(shè)備和儀表都是采用RS232/485 或USB通訊方式，不具備遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸能力。 利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)共享小型嵌入式設(shè)備的信息，是工業(yè)控制研究的發(fā)展趨勢(shì)。本系統(tǒng)采用高速單片機(jī)ATmega64及RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器，用嵌入式TCP/IP 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)TCP和UDP等網(wǎng)絡(luò)功能,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議服務(wù),實(shí)現(xiàn)Web Sever 及接入Internet 的功能。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示， ATmega64是基于增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。內(nèi)帶64KB的Flash、2KB的E2PROM、4KB的SRAM。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega64 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以滿足系統(tǒng)在功耗和處理速度方面的要求。

　　RTL8019AS 是一種高度集成的10MB以太網(wǎng)控制器，與NE2000兼容, 支持8位、16位數(shù)據(jù)總線；內(nèi)置16KB SRAM緩存；可連接同軸電纜和雙絞線,并可自動(dòng)檢測(cè)所連接的介質(zhì)。以太網(wǎng)隔離濾波器選用20F00IN。

　　RTL8019AS 與主處理器的接口方式有三種:跳線方式、PNP(即插即用)方式和免跳線方式。RTL8019AS 的第65 腳JP 決定網(wǎng)卡的工作方式，本設(shè)計(jì)中JP腳接高電平(VCC),即使用跳線方式，此時(shí)可以省掉外部E2PROM 93C46芯片。單片機(jī)通過(guò)I/O 模式訪問以太網(wǎng)控制器。RTL8019AS 必須工作在8位模式下，其引腳IOCS16B經(jīng)電阻接地。電路框圖如圖2所示。

　　RTL8019AS本身具有地址譯碼功能，所有的控制功能或數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)訪問地址偏移為00H～1FH的寄存器完成的，所以只需要5條地址線(SA4～SA0)。在跳線方式下RTL8019AS的I/O 地址由引腳 IOS3～I(xiàn)OS0決定,將IOS3～I(xiàn)OS0對(duì)應(yīng)引腳全部接低電平,這時(shí)RTL8019AS的I/O 基地址為300H，因此可以用SA8 和SA9進(jìn)行片選接至單片機(jī)的PC7。當(dāng)PC7引腳置高電平時(shí)選中RTL8019AS ，當(dāng)PC7引腳置低電平時(shí)選中外部RAM，而將片選信號(hào)AEN接地，這種片選方式可以節(jié)省一個(gè)反向器。AUI 用來(lái)檢測(cè)在AUI接口外部MAU 的使用情況。當(dāng)該引腳未用時(shí)，應(yīng)該接地。

　　介質(zhì)的選擇由引腳PL1和PL0決定，RTL8019AS 還具有自動(dòng)測(cè)試介質(zhì)連接是否成功的功能。無(wú)屏蔽雙絞線(UTP)電纜是目前使用最為普遍的電信介質(zhì)類型。為了更方便地將嵌入式以太網(wǎng)模塊接入到局域網(wǎng)中，本設(shè)計(jì)采用RTL8019AS 與雙絞線連接的接口電路，即將PL0、PL1 接地。

　　2 以太網(wǎng)控制器的工作過(guò)程

　　以太網(wǎng)控制器的 RAM 以 256 字節(jié)為一頁(yè)，是按頁(yè)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)，16位RAM地址的高 8位又叫頁(yè)碼。以太網(wǎng)控制器的16KB RAM的地址從0x4000～0x7FFF，即從頁(yè)0x40 到頁(yè)0x7F，共有64 頁(yè)用來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。這64頁(yè)RAM是一塊雙端口RAM。所謂雙端口就是說(shuō)有兩套總線連接到該RAM，總線A 用于以太網(wǎng)控制器讀/寫片上RAM，總線B 用于單片機(jī)讀/寫以太網(wǎng)控制器上的 RAM?？偩€A又叫Local DMA，總線B 又叫 Remote DMA。

　　2.1 數(shù)據(jù)包的發(fā)送過(guò)程

　　(1) 封裝數(shù)據(jù)包：數(shù)據(jù)包在發(fā)送前，單片機(jī)將其按如圖3所示的以太網(wǎng)幀格式封裝好,并存放在外部SRAM。

　　(2)通過(guò)遠(yuǎn)程DMA將數(shù)據(jù)包寫入到 RLT8019AS 的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)， 數(shù)據(jù)的目的緩沖區(qū)首地址和字節(jié)數(shù)由內(nèi)部寄存器RSCR0、1設(shè)定。

　　(3) 通過(guò)RTL8019AS的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO 緩沖器進(jìn)行發(fā)送。

　　2.2 數(shù)據(jù)包的接收過(guò)程

　　(1)本地 DMA 將需要接收的數(shù)據(jù)包存入到接收緩沖環(huán)中。

　　(2)由遠(yuǎn)程 DMA 將接收緩沖環(huán)中的數(shù)據(jù)包寫入到外部 SRAM 中。

　　如果以太網(wǎng)控制器運(yùn)行正常，接收到數(shù)據(jù)包時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)本地 DMA 將數(shù)據(jù)存入接收緩沖環(huán)中，也就是說(shuō)第一步是由 RTL8019AS 自動(dòng)完成的。但是，接收緩沖環(huán)的范圍需要設(shè)置，PSTART、PSTOP 分別用于設(shè)置接收緩沖環(huán)的起始頁(yè)和發(fā)送頁(yè)，設(shè)置了接收緩沖環(huán)之后，接收到的第一個(gè)數(shù)據(jù)包放置的位置由當(dāng)前頁(yè)面寄存器CURR 決定。

　　3 服務(wù)器端工作過(guò)程

　　圖4 所示為本系統(tǒng) TCP/IP 各層協(xié)議，鏈路層協(xié)議由單片機(jī)控制RTL8019AS 實(shí)現(xiàn)，而其他協(xié)議由單片機(jī)內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)。

　　服務(wù)器接收數(shù)據(jù)時(shí)，以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，由以太網(wǎng)控制器中斷處理程序喚醒數(shù)據(jù)接收任務(wù)，由數(shù)據(jù)接收任務(wù)將接收到的數(shù)據(jù)幀交給網(wǎng)絡(luò)接口層，網(wǎng)絡(luò)接口層取出幀頭，判斷接收數(shù)據(jù)的類型，如果是ARP 報(bào)文，則將ARP 報(bào)文交給ARP 協(xié)議模塊處理；如果是IP 數(shù)據(jù)包，則將IP數(shù)據(jù)包交給IP 協(xié)議模塊處理，IP協(xié)議模塊取出IP 首部信息，然后根據(jù)數(shù)據(jù)包的類型，將報(bào)文交給相應(yīng)的協(xié)議模塊(UDP 模塊、TCP 模塊或ICMP 模塊)處理，UDP 模塊或TCP 模塊收到報(bào)文后，取出首部進(jìn)行處理，并將用戶數(shù)據(jù)交給應(yīng)用程序。

　　服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將用戶數(shù)據(jù)交給UDP協(xié)議模塊或TCP 協(xié)議模塊處理，UDP協(xié)議模塊或TCP協(xié)議模塊將其首部和數(shù)據(jù)封裝成UDP數(shù)據(jù)包或TCP數(shù)據(jù)包，然后將封裝好的數(shù)據(jù)包交給IP協(xié)議模塊，IP模塊在上層交給的數(shù)據(jù)包上添加IP首部，并封裝成IP數(shù)據(jù)包，然后為 IP 數(shù)據(jù)包尋找路由，如果找不到相應(yīng)路由，則向ICMP 協(xié)議發(fā)送出錯(cuò)報(bào)文，由ICMP 協(xié)議模塊進(jìn)行處理，在找到了合適的路由后，如果是以太網(wǎng)方式，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口層，利用ARP協(xié)議找到目的IP對(duì)應(yīng)的物理地址，然后封裝成以太網(wǎng)幀，由網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒁蕴W(wǎng)幀發(fā)送出去。

　　4 利用HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)Web接收與發(fā)送控制數(shù)據(jù)

　　在單片機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)HTTP 協(xié)議服務(wù)端的功能，就可以為其他的客戶機(jī)提供超文本信息，客戶端只需要使用統(tǒng)一的瀏覽器就可以與服務(wù)器進(jìn)行信息交換。

　　超文本傳輸協(xié)議(HTTP)是目前通過(guò)Internet進(jìn)行信息交換最主要的方式。在Internet上HTTP 通訊經(jīng)常發(fā)生在 TCP/IP 連接之上。其缺省端口是TCP 協(xié)議的80 端口，當(dāng)然，其他的端口也是可以使用的。HTTP 協(xié)議是建立在請(qǐng)求/響應(yīng)(request/response) 模型上的。首先由客戶建立一條與服務(wù)器的TCP鏈接，并發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求到服務(wù)器，請(qǐng)求中包含請(qǐng)求方法、URI、協(xié)議版本以及相關(guān)的MIME(Multipurpose Internet Mail Extensions) 樣式的消息。服務(wù)器響應(yīng)一個(gè)狀態(tài)行，包含消息的協(xié)議版本、一個(gè)成功或失敗碼以及相關(guān)的MIME 式樣的消息(包含服務(wù)器的信息、資源實(shí)體的信息和可能的資源內(nèi)容)。

　　單片機(jī)服務(wù)器除了包括HTML 文件以外，還有一個(gè)HTTP 駐留程序，用于響應(yīng)計(jì)算機(jī)端的控制請(qǐng)求。用HTML 文件編寫的網(wǎng)絡(luò)界面，可以通過(guò)瀏覽器訪問并利用相應(yīng)的按扭向服務(wù)器發(fā)送HTTP 請(qǐng)求，此請(qǐng)求被送往由IP地址指定的URL。駐留程序接收到請(qǐng)求，在進(jìn)行必要的操作后回送所要求的文件。在這一過(guò)程中，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)已經(jīng)被分成一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)包(packet)，每個(gè)數(shù)據(jù)包包括：要傳送的數(shù)據(jù)；控制信息，即告訴網(wǎng)絡(luò)怎樣處理數(shù)據(jù)包。TCP/IP決定了每個(gè)數(shù)據(jù)包的格式。

　　圖5 是通過(guò)Web 瀏覽器看到的網(wǎng)絡(luò)控制界面，必需將客戶計(jì)算機(jī)與服務(wù)器系統(tǒng)的IP地址設(shè)置在一個(gè)段內(nèi)。如本系統(tǒng)服務(wù)器IP地址設(shè)為192.168.0.10，客戶機(jī)IP地址設(shè)為192.168.0.11，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)均為255.255.255.0。

　　(1) 發(fā)送控制數(shù)據(jù)過(guò)程:①通過(guò)瀏覽器向服務(wù)器系統(tǒng)(單片機(jī))發(fā)送HTTP 請(qǐng)求；②服務(wù)器系統(tǒng)通過(guò)HTTP服務(wù)程序查看網(wǎng)頁(yè)程序中表單內(nèi)輸入變量的變化；③取出變量值,調(diào)用串口程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)出。

　　(2)接收采集數(shù)據(jù)過(guò)程：①系統(tǒng)HTTP 協(xié)議程序的http_serve 中調(diào)用串口程序接收串口數(shù)據(jù),并用此數(shù)據(jù)取代其內(nèi)部網(wǎng)頁(yè)中的表格內(nèi)“NO DATA”標(biāo)記；②服務(wù)器系統(tǒng)把Web頁(yè)面?zhèn)魉徒o用戶界面的瀏覽器。

　　用低成本的AVR單片機(jī)和以太網(wǎng)控制器，配合適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)RS232接口設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)控制。如對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖兣c擴(kuò)展，便可以用于其他接口的儀器儀表，并應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。由于系統(tǒng)的控制器使用的是單片機(jī)，限于其內(nèi)部資源，所以網(wǎng)頁(yè)文件不能過(guò)大。

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