第五屆全國(guó)稱(chēng)重技術(shù)研討會(huì)論文集

    [摘要] 本文主要介紹TCP/IP協(xié)議嵌入到電子衡器中進(jìn)行以太網(wǎng)通訊的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。借助以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，并將TCP/IP協(xié)議嵌入到電子衡器中實(shí)現(xiàn)了電子衡器與上位機(jī)的以太網(wǎng)通訊。
    關(guān)鍵詞：TCP/IP協(xié)議 電子衡器 RTL8019AS

    網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，以太網(wǎng)出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年了，由于它的性能價(jià)格比高，容易普及，目前全球企事業(yè)用戶(hù)的90%以上都采用以太網(wǎng)接入，在我國(guó)的大部分局域網(wǎng)也都采用以太網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)已成為企事業(yè)單位的主導(dǎo)接入方式，采用以太網(wǎng)作為企事業(yè)的主導(dǎo)接入方式的主要原因是已有的巨大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。但是電子衡器通訊發(fā)展到現(xiàn)在，大都采用一些局部系統(tǒng)的總線進(jìn)行通訊，如RS232、RS485，而沒(méi)有提供以太口通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行以太網(wǎng)通訊。在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，電子衡器沒(méi)有以太口，其價(jià)值將大打折扣，為此，我們借助以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，并將TCP/IP協(xié)議嵌入到電子衡器中實(shí)現(xiàn)了電子衡器與上位機(jī)的以太網(wǎng)通訊。

    1、TCP/IP協(xié)議：TCP/IP協(xié)議即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)是世界標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議組，它是為跨越局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境的大規(guī)�；ヂ�(lián)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的。從體系結(jié)構(gòu)來(lái)看，TCP/IP基于四層參考模型，它是OSI七層模型的簡(jiǎn)化。如圖1所示。TCP/IP模型的每一層都對(duì)應(yīng)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO)提議的七層“開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)”參考模型的一層或多層。

    下面結(jié)合本系統(tǒng)就四層結(jié)構(gòu)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
    （1）鏈路層
    本層是最底層協(xié)議，控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機(jī)器間的數(shù)據(jù)傳輸。在本電子衡器系統(tǒng)中由單片機(jī)控制以太網(wǎng)芯片RTL8019AS實(shí)現(xiàn)。
    （2）網(wǎng)絡(luò)層
    本層實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)到相鄰網(wǎng)絡(luò)上的任一主機(jī)，該層對(duì)應(yīng)于IP層協(xié)議及附屬協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層用ICMP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)與其他主機(jī)或路由器交換錯(cuò)誤報(bào)文和其他信息，并用ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路層的映射。
    （3）傳輸層
    傳輸層為兩臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。傳輸層要定義明確的端口，通常有兩個(gè)不同的傳輸層協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。本電子衡器系統(tǒng)采用TCP。
    （4）應(yīng)用層
    應(yīng)用層要有一個(gè)比較清晰的會(huì)話過(guò)程，如通常所說(shuō)的Http、Ftp、Telnet等。在本系統(tǒng)中，主要是為傳輸層提供應(yīng)用數(shù)據(jù)。
    TCP/IP是一個(gè)協(xié)議族，即一組不同層次上的多個(gè)協(xié)議的組合，主要有ARP協(xié)議，IP協(xié)議，ICMP協(xié)議，TCP協(xié)議，它通常具有四層，每一層負(fù)責(zé)不同的功能，由于協(xié)議比較復(fù)雜，而單片機(jī)的程序空間有限，運(yùn)行速度相對(duì)PC機(jī)較慢，因此要把TCP/IP協(xié)議嵌入到單片機(jī)中，必須把協(xié)議先進(jìn)行簡(jiǎn)化，本系統(tǒng)采用uIP TCP/IP協(xié)議棧的0.6版。

    2、帶以太網(wǎng)接口的電子衡器電路框圖
    硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，稱(chēng)重傳感器的重量信號(hào)經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，單片機(jī)把輸入信號(hào)處理后存儲(chǔ)到特定存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)可以顯示，打印，也可以通過(guò)以太網(wǎng)上傳到后臺(tái)上位機(jī)，上位機(jī)的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)以太網(wǎng)下載到電子衡器的存儲(chǔ)單元；以太網(wǎng)控制芯片采用RealTek的RTL8019AS；LT—2006是網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，在RTL8019的前端對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)進(jìn)行脈沖波形變換。

    3、帶以太網(wǎng)接口的電子衡器工作原理
    3.1 以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS
    以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS是10M ISA總線的以太網(wǎng)控制芯片，含16K字節(jié)的RAM，并且提供8位和16位兩種接口單片機(jī)對(duì)以太網(wǎng)控制芯片的控制就是對(duì)片內(nèi)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，熟悉片內(nèi)寄存器的特點(diǎn)是很重要的。RT8019AS與單片機(jī)兼容8位和16位操作，若電子衡器的CPU 是51系列單片機(jī)，則選擇8位方式連接。輸入輸出地址32個(gè)，地址偏移量為00H-1FH，其中00H-0FH共16個(gè)地址，為寄存器地址；10H-17H共8個(gè)地址，為DMA地址（8位操作模式時(shí)只要選其中一個(gè)）；18H-1FH共8個(gè)地址，為復(fù)位端口（8位操作模式只要選其中一個(gè)即可）。寄存器共有4頁(yè)，每頁(yè)16個(gè)，頁(yè)碼由CR寄存器（地址偏移量為00H）的PS1和PS0位決定，系統(tǒng)常用到的部分寄存器（括號(hào)中是頁(yè)碼—偏移地址）如下：
    CR（0+00H）：命令寄存器，第7、6位用來(lái)選擇寄存器頁(yè)，共四頁(yè)；第5、4、3位代表要執(zhí)行的功能，如001為讀RTL8019AS內(nèi)存，010為寫(xiě)RTL8019AS內(nèi)存，011為發(fā)送TTL8019AS數(shù)據(jù)包，1**為完成或結(jié)束DMA的讀寫(xiě)操作；第2位寫(xiě)入1時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)完自動(dòng)清零；第1、0位為10時(shí)啟動(dòng)命令，為01時(shí)停止命令。
    Pstart(0—01H):接收緩沖區(qū)的起始頁(yè)的地址；
    Pstop(0—02H):接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁(yè)地址；
    BNRY (0—03H)：指向最后一個(gè)已經(jīng)讀取的頁(yè)；
    RCR(0—0CH)：接收配置寄存器,本系統(tǒng)設(shè)置為接收緩沖區(qū)，僅接收是自己地址的數(shù)據(jù)包和多點(diǎn)播送地址包，小于64字節(jié)的包丟棄，校驗(yàn)錯(cuò)的數(shù)據(jù)包不接收；
    TCR(0—0dH):發(fā)送配置寄存器，啟用后自動(dòng)生成CRC校驗(yàn)；
    DCR(0—0eH):數(shù)據(jù)配置寄存器，本系統(tǒng)設(shè)置為使用FIFO緩存，普通模式，8位數(shù)據(jù)傳輸模式，字節(jié)順序?yàn)楦咦止?jié)在前，低字節(jié)在后；
    IMR(0—0fh): 中斷屏蔽寄存器，由于本系統(tǒng)未用中斷，設(shè)置為00H，屏蔽所有的中斷；
    TPSR(1—04H)：發(fā)送頁(yè)的起始地址；
    CURR(1—07H) ：當(dāng)前的接收結(jié)束頁(yè)地址；
    電子衡器系統(tǒng)把以太網(wǎng)控制芯片設(shè)置為跳線模式，而不是即插即用模式，因?yàn)閱纹瑱C(jī)資源有限，要盡量減少操作。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包存入發(fā)送緩沖區(qū)，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度(寫(xiě)入TPSR、TBCR0和TBCR1)，啟動(dòng)發(fā)送命令即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)控制芯片發(fā)送功能；接收數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)讀取有關(guān)狀態(tài)寄存器（CURR和BNRY）判斷是否有數(shù)據(jù)接收在以太網(wǎng)控制芯片的接收緩沖區(qū)，如果有，依次讀取數(shù)據(jù)到單片機(jī)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)以太網(wǎng)控制芯片接收緩沖區(qū)溢出時(shí)清ISR。
    3.2 uIP TCP/IP棧
    uIP TCP/IP棧是使用于低至8位或16位微處理器的嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)極輕型的TCP/IP協(xié)議棧，它實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議組的四個(gè)基本協(xié)議：ARP 協(xié)議、IP 協(xié)議、 ICMP 協(xié)議 和 TCP 協(xié)議。uIP TCP/IP棧由瑞典單片機(jī)專(zhuān)家Adam Dunkels編寫(xiě)，是一個(gè)免費(fèi)的TCP/IP棧，還有，它使用C語(yǔ)言編程，可以方便地應(yīng)用到電子衡器中。uIP的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是保持代碼大小和儲(chǔ)存器使用量最小�，F(xiàn)時(shí)，uIP代碼的大小和RAM的需求比其它的TCP/IP棧要小，但是uIP與其它TCP/IP棧不同，它的重發(fā)工作需要應(yīng)用程序的幫助。其它TCP/IP棧RAM中存儲(chǔ)著傳輸數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)被確認(rèn)已成功發(fā)送才釋放RAM空間。如果數(shù)據(jù)需要重傳，堆棧在沒(méi)有通知應(yīng)用程序下監(jiān)視著重傳工作，在等待確認(rèn)的過(guò)程期間，數(shù)據(jù)必須緩存在RAM里。uIP利用應(yīng)用程序可以快速重新生成數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在等待數(shù)據(jù)確認(rèn)的過(guò)程中，RAM中不必緩存數(shù)據(jù)，而是等確認(rèn)不成功信號(hào)到達(dá)時(shí)由應(yīng)用程序重新快速生成數(shù)據(jù)。例如，一個(gè)HTTP服務(wù)器服務(wù)的大部分是ROM里的靜態(tài)和半靜態(tài)頁(yè)，不需要在RAM里緩存靜態(tài)內(nèi)容，所以，如果一個(gè)包丟失了，HTTP服務(wù)器可以容易地從ROM里重生數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單地從原先的位置讀回來(lái)。
    3.3 電子衡器的通訊控制
    把uIP TCP/IP協(xié)議棧嵌入到電子衡器中，單片機(jī)復(fù)位后讀取本機(jī)IP地址和物理地址以初始化網(wǎng)絡(luò)。通訊過(guò)程中，當(dāng)有數(shù)據(jù)從RJ45傳來(lái)，單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序接收數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，然后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序。如果是IP數(shù)據(jù)包且符合TCP協(xié)議，端口正確，則認(rèn)為數(shù)據(jù)包正確，數(shù)據(jù)包解包后，將數(shù)據(jù)部分存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元。當(dāng)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)要向遠(yuǎn)端IP發(fā)送時(shí)，系統(tǒng)將向遠(yuǎn)端IP 和遠(yuǎn)端端口發(fā)起主動(dòng)TCP 連接，如果連接成功，將要傳送的數(shù)據(jù)封裝成以太包，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果主動(dòng)或被動(dòng)建立起連接后持續(xù)若干時(shí)間系統(tǒng)沒(méi)有收到任何數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)將主動(dòng)中斷此次連接。

    4、結(jié)束語(yǔ)
    把TCP/IP協(xié)議嵌入到電子衡器中，可實(shí)現(xiàn)電子衡器和上位機(jī)的以太網(wǎng)通訊，具有傳輸速度快、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，為電子衡器與上位機(jī)通訊提供了一種新的方案，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1. 《uIP-A Free Small TCP/IP Stack》 作者：Adam Dunkels
2. 《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》2001年12期第41頁(yè)《以太網(wǎng)控制器的嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互連》湖南師范大學(xué) 萬(wàn)靜華 丁亞軍
3. RTL8019AS數(shù)據(jù)手冊(cè)

<全文完>