現(xiàn)場總線_LON現(xiàn)場總線與Ethernet的集成技術(shù)

1、LON現(xiàn)場總線與現(xiàn)場總線與Ethernet的集成技術(shù)的集成技術(shù)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1. 引言 隨著信息和微電子技術(shù)的發(fā)展，作為與各類隨著信息和微電子技術(shù)的發(fā)展，作為與各類具體應(yīng)用緊密結(jié)合的單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)被越來具體應(yīng)用緊密結(jié)合的單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)被越來越多地應(yīng)用于社會的各個行業(yè)中。越多地應(yīng)用于社會的各個行業(yè)中。 在工業(yè)測控領(lǐng)域中，由于嵌入式系統(tǒng)的支持在工業(yè)測控領(lǐng)域中，由于嵌入式系統(tǒng)的支持和通信技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使得測量和控制能夠延和通信技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使得測量和控制能夠延伸到測控現(xiàn)場，產(chǎn)生了現(xiàn)場總線和控制網(wǎng)絡(luò)。伸到測控現(xiàn)場，產(chǎn)生了現(xiàn)場總線和控制網(wǎng)絡(luò)。 但現(xiàn)場總線這類專用實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)

2、具有成本但現(xiàn)場總線這類專用實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)具有成本高、速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷，以及總線無高、速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷，以及總線無法達(dá)到全開放的要求，使得現(xiàn)場總線在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)法達(dá)到全開放的要求，使得現(xiàn)場總線在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)一步發(fā)展受到了一定的制約。中的進(jìn)一步發(fā)展受到了一定的制約。 隨著隨著Internet技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)已成為事技術(shù)的不斷發(fā)展，以太網(wǎng)已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，TCP/IP的簡單、實(shí)用特性已為廣的簡單、實(shí)用特性已為廣大用戶所接受，基于大用戶所接受，基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)可以滿足協(xié)議的以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)各個層次的需求。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)各個層次的需求。(1) (1

3、) 全開放全開放 (2) (2) 成本低成本低 (3) (3) 實(shí)時性實(shí)時性 (4) (4) 資源共享資源共享 (5) (5) 易與易與InternetInternet連接連接 2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3. 預(yù)備知識預(yù)備知識相關(guān)協(xié)議相關(guān)協(xié)議套接口與套接字套接口與套接字前同步碼前同步碼 起始界符起始界符 目的地址目的地址源地址源地址 類型字段類型字段LLC幀幀（填充）（填充） 幀校驗序列幀校驗序列71662數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)4MAC幀幀802.3802.3以太網(wǎng)幀的結(jié)構(gòu)圖以太網(wǎng)幀的結(jié)構(gòu)圖采用采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)的物理傳輸幀格式標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)的物理傳輸幀格式 (1) 協(xié)議和數(shù)據(jù)幀格式協(xié)議和數(shù)據(jù)幀格

4、式PRPR：同步位，是：同步位，是5656位的二進(jìn)制數(shù)位的二進(jìn)制數(shù)101010101010。用于收發(fā)雙方的時鐘同步，同時也指明。用于收發(fā)雙方的時鐘同步，同時也指明了傳輸?shù)乃俾?，了傳輸?shù)乃俾剩?0M10M和和100M100M的時鐘頻率不一樣，的時鐘頻率不一樣，100M100M網(wǎng)卡可以兼容網(wǎng)卡可以兼容10M10M網(wǎng)卡。網(wǎng)卡。SD: SD: 分隔位。表示下面跟著的是真正的數(shù)據(jù)分隔位。表示下面跟著的是真正的數(shù)據(jù), ,而不是同步時鐘而不是同步時鐘, ,為為8 8位的位的1010101010101111, ,跟同跟同步位不同的是最后步位不同的是最后2 2位是位是1111而不是而不是1010。DADA：目的

5、地址。以太網(wǎng)的地址為：目的地址。以太網(wǎng)的地址為4848位位(6(6個字節(jié)個字節(jié)) )二進(jìn)制地址，表明該幀傳輸給哪個網(wǎng)二進(jìn)制地址，表明該幀傳輸給哪個網(wǎng)卡。如果為卡。如果為FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF，則是廣播地址，廣播地址的數(shù)據(jù)可以被任何網(wǎng)卡接收到。，則是廣播地址，廣播地址的數(shù)據(jù)可以被任何網(wǎng)卡接收到。SASA：源地址。：源地址。4848位，表明該幀的數(shù)據(jù)是由哪個網(wǎng)卡發(fā)的位，表明該幀的數(shù)據(jù)是由哪個網(wǎng)卡發(fā)的, ,即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址即發(fā)送端的網(wǎng)卡地址, ,同樣是同樣是6 6個字節(jié)。個字節(jié)。TYPETYPE：類型字段。表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類型的數(shù)據(jù)，：類型字段。表明該幀的數(shù)據(jù)是什么類

6、型的數(shù)據(jù)，不同協(xié)議的類型字段不同協(xié)議的類型字段不同。如不同。如0800H0800H表示數(shù)據(jù)為表示數(shù)據(jù)為IPIP包包；0806H0806H表示數(shù)據(jù)為表示數(shù)據(jù)為ARPARP包包；814CH814CH是是SNMPSNMP包包；8137H8137H為為IPX/SPXIPX/SPX包包；小于小于0600H0600H(1536)(1536)的值是用于的值是用于IEEE 802.3IEEE 802.3的表示數(shù)據(jù)包的的表示數(shù)據(jù)包的長度長度。DATADATA：數(shù)據(jù)段。該段數(shù)據(jù)不能超過：數(shù)據(jù)段。該段數(shù)據(jù)不能超過15001500字節(jié)，因為以太網(wǎng)規(guī)定整個傳輸包的最大長度字節(jié)，因為以太網(wǎng)規(guī)定整個傳輸包的最大長度不能超過

7、不能超過15141514字節(jié)。字節(jié)。1414字節(jié)為字節(jié)為DADA、SASA和和TYPETYPE字段字段。PADPAD：填充位。由于以太網(wǎng)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小不能小于：填充位。由于以太網(wǎng)幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包最小不能小于6060字節(jié)字節(jié), , 除去除去DADA、SASA和和TYPETYPE共共1414字節(jié)，還必須傳輸字節(jié)，還必須傳輸4646字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)不足4646字節(jié)時，后面補(bǔ)字節(jié)時，后面補(bǔ)0 0。FCS：32位數(shù)據(jù)校驗位。為位數(shù)據(jù)校驗位。為32位的位的CRC校驗，該校驗由網(wǎng)卡自動計算，自動生成，自校驗，該校驗由網(wǎng)卡自動計算，自動生成，自動校驗，自動在數(shù)據(jù)段后面

8、填入。動校驗，自動在數(shù)據(jù)段后面填入。 IP數(shù)據(jù)報的格式數(shù)據(jù)報的格式 版本號版本號是指每個數(shù)據(jù)報所屬的是指每個數(shù)據(jù)報所屬的IPIP協(xié)議的版本號。目前的協(xié)議版本號是協(xié)議的版本號。目前的協(xié)議版本號是4 4。 首部長度首部長度指的是首部占指的是首部占3232位字的數(shù)目。首部最長為位字的數(shù)目。首部最長為6060個字節(jié)。個字節(jié)。 服務(wù)類型字段服務(wù)類型字段包括一個包括一個3 3位的優(yōu)先權(quán)子字段位的優(yōu)先權(quán)子字段( (現(xiàn)在已被忽略現(xiàn)在已被忽略) )、4 4位的位的TOSTOS子字段和子字段和1 1位未用位未用位但必須置位但必須置0 0。4 4位的位的TOSTOS分別代表分別代表: :最小時延、最大吞吐量、最高可

9、靠性和最小費(fèi)用。最小時延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費(fèi)用。4 4位中位中只能置其中只能置其中1 1個位。如果所有個位。如果所有4 4位均為位均為0 0，那么就意味著是一般服務(wù)。，那么就意味著是一般服務(wù)。 數(shù)據(jù)報長度字段數(shù)據(jù)報長度字段是指整個是指整個IPIP數(shù)據(jù)報的長度，以字節(jié)為單位。利用首部長度字段和總長度數(shù)據(jù)報的長度，以字節(jié)為單位。利用首部長度字段和總長度字段，就可以知道字段，就可以知道IPIP數(shù)據(jù)報中數(shù)據(jù)內(nèi)容的數(shù)據(jù)報中數(shù)據(jù)內(nèi)容的起始位置和長度起始位置和長度。 標(biāo)識字段標(biāo)識字段惟一地標(biāo)識主機(jī)發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報；惟一地標(biāo)識主機(jī)發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報；標(biāo)志字段標(biāo)志字段用來指定目的地址是一個完整用來

10、指定目的地址是一個完整的主機(jī)地址還是一個網(wǎng)絡(luò)地址；的主機(jī)地址還是一個網(wǎng)絡(luò)地址；生存時間字段生存時間字段設(shè)置了數(shù)據(jù)報可以經(jīng)過的最多路由器數(shù)；設(shè)置了數(shù)據(jù)報可以經(jīng)過的最多路由器數(shù)；首首部校驗和字段部校驗和字段是根據(jù)是根據(jù)IP首部計算的檢驗和碼；首部計算的檢驗和碼；源地址和目的地址源地址和目的地址都是都是32位的數(shù)據(jù)；位的數(shù)據(jù)；選擇項選擇項定義安全和處理限制、記錄路徑、時間戳、寬松的源站選路、嚴(yán)格的源站選路等信息。定義安全和處理限制、記錄路徑、時間戳、寬松的源站選路、嚴(yán)格的源站選路等信息。 傳輸層傳輸層(TCP/UDP協(xié)議協(xié)議)TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流傳送服務(wù)，它具有提供一種面向連接的、

11、可靠的字節(jié)流傳送服務(wù)，它具有5個特征：面?zhèn)€特征：面向數(shù)據(jù)流、虛電路連接、有緩沖的傳送、無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流和全雙工連接。向數(shù)據(jù)流、虛電路連接、有緩沖的傳送、無結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流和全雙工連接。一旦數(shù)據(jù)報被破壞或丟失，則由一旦數(shù)據(jù)報被破壞或丟失，則由TCP將其重新傳輸。將其重新傳輸。TCP數(shù)據(jù)報的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)報的結(jié)構(gòu): : TCP協(xié)議棧支持同時建立兩個協(xié)議棧支持同時建立兩個TCP連接：一個為主動連接，另一個為被動連接。連接：一個為主動連接，另一個為被動連接。TCP是基于連接的協(xié)議。只有建立了是基于連接的協(xié)議。只有建立了TCP連接，才可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)連接，才可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。 UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）和協(xié)議

12、（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）和TCP相似，同屬傳輸層協(xié)議，都作為相似，同屬傳輸層協(xié)議，都作為應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹薪?。?yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹薪椤?UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運(yùn)輸層協(xié)議，是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運(yùn)輸層協(xié)議，其進(jìn)程的每個輸出操作都正好產(chǎn)生一個其進(jìn)程的每個輸出操作都正好產(chǎn)生一個UDP數(shù)據(jù)報，并組裝成一份待發(fā)送數(shù)據(jù)報，并組裝成一份待發(fā)送的的IP數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)報 。UDP與面向連接的協(xié)議與面向連接的協(xié)議TCP不同，它不提供可靠性：它把應(yīng)不同，它不提供可靠性：它把應(yīng)用程序傳給用程序傳給IP層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。 本地主機(jī)和遠(yuǎn)程

13、主機(jī)用本地主機(jī)和遠(yuǎn)程主機(jī)用IP地址來定義，而定義進(jìn)程可用端口號地址來定義，而定義進(jìn)程可用端口號( (一個一個065535之間之間的整數(shù)的整數(shù)) )。 ARP是地址解析協(xié)議，用來是地址解析協(xié)議，用來將一個邏輯地址映射為物理地址將一個邏輯地址映射為物理地址，這是屬于網(wǎng)絡(luò)接口層的協(xié)議模塊。當(dāng)主機(jī)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送給這是屬于網(wǎng)絡(luò)接口層的協(xié)議模塊。當(dāng)主機(jī)有數(shù)據(jù)包要發(fā)送給另一個主機(jī)時，如果只知道對方的邏輯地址另一個主機(jī)時，如果只知道對方的邏輯地址(IP地址地址)而不清楚而不清楚對方的物理地址對方的物理地址(MAC)，則無法將數(shù)據(jù)完整地封裝成以太網(wǎng)，則無法將數(shù)據(jù)完整地封裝成以太網(wǎng)幀格式的數(shù)據(jù)包。幀格式的數(shù)據(jù)包。

14、ARP的作用就是實(shí)現(xiàn)上層的的作用就是實(shí)現(xiàn)上層的IP地址與底層地址與底層的物理地址進(jìn)行綁定。的物理地址進(jìn)行綁定。 ARPARP處理過程處理過程(1)(1)根據(jù)目標(biāo)根據(jù)目標(biāo)IPIP地址產(chǎn)生一個請求地址產(chǎn)生一個請求ARPARP報文，填入發(fā)送站的物報文，填入發(fā)送站的物理地址，發(fā)送站的理地址，發(fā)送站的IPIP地址及目標(biāo)地址及目標(biāo)IPIP地址。目標(biāo)物理地址為全地址。目標(biāo)物理地址為全0 0。(2)(2)將報文傳給數(shù)據(jù)鏈路層。在此層它被封裝成幀，使用發(fā)送將報文傳給數(shù)據(jù)鏈路層。在此層它被封裝成幀，使用發(fā)送站的物理地址作源地址，使用物理廣播地址為目的地址。站的物理地址作源地址，使用物理廣播地址為目的地址。(3)(

15、3)每一個主機(jī)或路由器都收到這個幀。所有站都將此報文送每一個主機(jī)或路由器都收到這個幀。所有站都將此報文送交給自己的交給自己的ARPARP處理程序，除目標(biāo)機(jī)器外，所有機(jī)器都丟棄這處理程序，除目標(biāo)機(jī)器外，所有機(jī)器都丟棄這個分組，目標(biāo)機(jī)器識別這個個分組，目標(biāo)機(jī)器識別這個IPIP。(4)(4)目標(biāo)機(jī)器用目標(biāo)機(jī)器用ARPARP報文進(jìn)行回答。此報文包含它的物理地址，報文進(jìn)行回答。此報文包含它的物理地址，報文用單播。報文用單播。(5)(5)發(fā)送站收到回答報文，得到目標(biāo)物理地址。發(fā)送站收到回答報文，得到目標(biāo)物理地址。(6)(6)發(fā)送站用單播將發(fā)送站用單播將IPIP數(shù)據(jù)報發(fā)給目的站。數(shù)據(jù)報發(fā)給目的站。IP協(xié)議I

16、CMP協(xié)議ARP協(xié)議TCP協(xié)議UDP協(xié)議協(xié)議棧EthernetFTPSMTPPOP3HTTP嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)原理嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)原理 文件傳輸協(xié)議文件傳輸協(xié)議簡單郵件傳輸協(xié)議簡單郵件傳輸協(xié)議電子郵件協(xié)議電子郵件協(xié)議(V3)超文本傳輸協(xié)議超文本傳輸協(xié)議傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議用戶數(shù)據(jù)協(xié)議用戶數(shù)據(jù)協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議 Internet控制消息協(xié)議控制消息協(xié)議地址解析協(xié)議地址解析協(xié)議(2) 套接口與套接字套接口與套接字 套接口套接口(socket)是最常用的網(wǎng)絡(luò)編程是最常用的網(wǎng)絡(luò)編程API ，是傳輸層，是傳輸層到應(yīng)用層的接口。應(yīng)用程序就是通過這個接口訪問網(wǎng)絡(luò)到應(yīng)用層的接口。應(yīng)用程序就是通過這

17、個接口訪問網(wǎng)絡(luò)中對方的應(yīng)用程序的。中對方的應(yīng)用程序的。 應(yīng)用程序中調(diào)用套接口的函數(shù)應(yīng)用程序中調(diào)用套接口的函數(shù)(如如send, recv等等)則要則要通過套接口描述字（通常簡稱套接字）來訪問套接口。通過套接口描述字（通常簡稱套接字）來訪問套接口。 文件描述字習(xí)慣地表示為文件描述字習(xí)慣地表示為fd ,套接字則習(xí)慣地表示為套接字則習(xí)慣地表示為sd或或sockfd。而實(shí)際上在。而實(shí)際上在UNIX內(nèi)核實(shí)現(xiàn)中內(nèi)核實(shí)現(xiàn)中, fd 和和sd都是都是用戶打開文件表中的索引號用戶打開文件表中的索引號,它們均指向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)它們均指向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file, 后后者再指向者再指向vnode(inode/socket)。最終。

18、最終fd指向指向inode,而而sd則則指向指向socket 。 inode 指向文件的磁盤塊指向文件的磁盤塊,而而 socket則指向則指向在網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)的內(nèi)存緩沖隊列。在網(wǎng)絡(luò)中傳遞數(shù)據(jù)的內(nèi)存緩沖隊列。 面向連接與面向連接與 socket 函數(shù)函數(shù)TCP serversocket() bind()listen()accept()（等待（等待client 連接）連接）read()處理請求處理請求write()read()close()TCP clientsocket()connect()write()read()close()建立連接建立連接(三次握手三次握手)requestreplyend

19、 of file本地 ipaddr， port遠(yuǎn)地 ipaddr，portserverbind()listen,acceptclientconnectsocket 函數(shù)與四元組的建立函數(shù)與四元組的建立 非連接與非連接與socket函數(shù)函數(shù)UDP Clientsocket()( bind() )sendto()recvfrom()UDP Serversocket()bind()recvfrom()處理請求處理請求sendto()Socket函數(shù)與四元組的建立函數(shù)與四元組的建立本地 ipaddr, port遠(yuǎn)地 ipaddr, portserverbind()recvfrom()clientsen

20、dto/bind()sendto()典型套接字調(diào)用過程典型套接字調(diào)用過程如前所述，如前所述，TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用一般采用客戶協(xié)議的應(yīng)用一般采用客戶/服務(wù)服務(wù)器模式，因此在實(shí)際應(yīng)用中，必須有客戶和服務(wù)器器模式，因此在實(shí)際應(yīng)用中，必須有客戶和服務(wù)器兩個進(jìn)程，并且首先啟動服務(wù)器，其系統(tǒng)調(diào)用時序兩個進(jìn)程，并且首先啟動服務(wù)器，其系統(tǒng)調(diào)用時序圖如下。圖如下。面向連接的協(xié)議（如面向連接的協(xié)議（如TCP）的套接字系統(tǒng)調(diào)用如下）的套接字系統(tǒng)調(diào)用如下頁圖示。頁圖示。服務(wù)器必須首先啟動，直到它執(zhí)行完服務(wù)器必須首先啟動，直到它執(zhí)行完accept()調(diào)用，調(diào)用，進(jìn)入等待狀態(tài)后，方能接收客戶請求。假如客戶在進(jìn)入等待狀態(tài)

21、后，方能接收客戶請求。假如客戶在此前啟動，則此前啟動，則connect()將返回出錯代碼，連接不成將返回出錯代碼，連接不成功。功。 服務(wù)器方服務(wù)器方 客戶方客戶方 典型套接字調(diào)用過程典型套接字調(diào)用過程無連接協(xié)議的套接字調(diào)用如下頁圖所示。無連接協(xié)議的套接字調(diào)用如下頁圖所示。 無連接服務(wù)器也必須先啟動，否則客戶請求傳不到無連接服務(wù)器也必須先啟動，否則客戶請求傳不到服務(wù)進(jìn)程。服務(wù)進(jìn)程。無連接客戶不調(diào)用無連接客戶不調(diào)用connect()。因此在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，。因此在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，客戶與服務(wù)器之間尚未建立完全相關(guān)，但各自通過客戶與服務(wù)器之間尚未建立完全相關(guān)，但各自通過socket()和和bind()建立

22、了半相關(guān)。建立了半相關(guān)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方除指定本地套接字號外，還需發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方除指定本地套接字號外，還需指定接收方套接字號，從而在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中動態(tài)指定接收方套接字號，從而在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中動態(tài)地建立了全相關(guān)。地建立了全相關(guān)。 socket()，建立數(shù)據(jù)報式套接字，返回套接字號sbind()，將套接字s與本地地址相連recvfrom()/sendto()，通過套接字s讀/寫數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)交換完。closesocket()，關(guān)閉套接字s，結(jié)束服務(wù)socket()，建立數(shù)據(jù)報式套接字，返回套接字號sbind()，將套接字s與本地地址相連sendto ()/recvfrom()，通過套接字s交

23、換數(shù)據(jù)closesocket()，關(guān)閉套接字，結(jié)束對話服務(wù)器方客戶方4. 硬件設(shè)計概述選用AT89C55作為網(wǎng)絡(luò)處理MCU 選用MC143150神經(jīng)元芯片作為LonWorks網(wǎng)絡(luò)的通信MCU 雙CPU間的數(shù)據(jù)交換通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)與Ethernet的網(wǎng)絡(luò)接口采用RTL8019器件 用10/100 BaseT電纜作為傳輸介質(zhì) 設(shè)計時可考慮在線編程功能必須實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧RTL8019AS以太網(wǎng)控制器以太網(wǎng)控制器 主要性能l 符合Ethernet II與IEEE802.3(10Base5、10Base2、10BaseT)標(biāo)準(zhǔn)；l 全雙工，收發(fā)可同時達(dá)到10Mbps的速率；l 內(nèi)置1

24、6KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；l 支持8/16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷申請線以及16個I/O基地址選擇；l 支持UTP（STP）、AUI、BNC（RJ45）自動檢測，還支持對10BaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自動極性修正；l 允許4個診斷LED引腳可編程輸出；l 100腳的PQFP封裝，縮小了PCB尺寸。內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) RTL8019AS內(nèi)部可分為遠(yuǎn)程內(nèi)部可分為遠(yuǎn)程DMA接口、本地接口、本地DMA接口、接口、MAC(介質(zhì)訪問控制介質(zhì)訪問控制)邏輯、數(shù)據(jù)編碼邏輯、數(shù)據(jù)編碼/解碼邏輯和其它端口。解碼邏輯和其它端口。 ISA總線接口即插即用（PnP）Boot ROM端口8K16RAM

25、MAC邏輯EEPROM ROM端口ENA（編碼譯碼）邏輯AUI接口雙絞線接口ISA遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程DMA接口接口是指單片機(jī)對是指單片機(jī)對RTL8019AS內(nèi)部內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫進(jìn)行讀寫的總線，即的總線，即ISA總線的接口部分。單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(yuǎn)程總線的接口部分。單片機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)只需對遠(yuǎn)程DMA操作。操作。本地本地DMA接口接口是把是把RTL8019AS與網(wǎng)線的連接通道，完成控制與網(wǎng)線的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。器與網(wǎng)線的數(shù)據(jù)交換。 MAC(介質(zhì)訪問控制介質(zhì)訪問控制)邏輯邏輯完成以下功能：當(dāng)單片機(jī)向網(wǎng)上發(fā)完成以下功能：當(dāng)單片機(jī)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程送數(shù)據(jù)時，先將一幀數(shù)據(jù)通過

26、遠(yuǎn)程DMA通道送到通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令；當(dāng)中的發(fā)送緩存區(qū)，然后發(fā)出傳送命令；當(dāng)RTL8019AS完成了完成了前一幀的發(fā)送后，再開始此幀的發(fā)送。前一幀的發(fā)送后，再開始此幀的發(fā)送。RTL819接收到的數(shù)據(jù)接收到的數(shù)據(jù)通過通過MAC比較、比較、CRC校驗后，由校驗后，由FIFO存到接收緩沖區(qū)；收存到接收緩沖區(qū)；收滿一幀后，以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器。滿一幀后，以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)作邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖，以減少對本地字節(jié)的緩沖，以減少對本地DMA請求的請求的頻率。頻率。 幀的發(fā)送過程幀的發(fā)送過程 外部微處

27、理器通過遠(yuǎn)程外部微處理器通過遠(yuǎn)程DMA將一個數(shù)據(jù)幀故入將一個數(shù)據(jù)幀故入RTL8019AS內(nèi)內(nèi)部的緩沖區(qū)部的緩沖區(qū)RAM中后，利用中后，利用I/O方式將發(fā)送起始地址送到方式將發(fā)送起始地址送到TPSR，幀長度送到，幀長度送到TBCR，然后將命令寄存器，然后將命令寄存器CR中中TXR置置位，開始一個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，此時如果沒有幀在接收，那么位，開始一個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，此時如果沒有幀在接收，那么即開始預(yù)發(fā)送，高速本地即開始預(yù)發(fā)送，高速本地DMA將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送往將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)送往FIFO，發(fā)送，發(fā)送開始，先發(fā)出開始，先發(fā)出64位幀同步序列，再發(fā)送位幀同步序列，再發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)，同時中的數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行進(jìn)行

28、CRC校驗算法，加發(fā)校驗算法，加發(fā)32位位CRC校驗碼，并產(chǎn)生中斷請求，校驗碼，并產(chǎn)生中斷請求，對中斷狀態(tài)寄存器對中斷狀態(tài)寄存器ISR相應(yīng)置位，以等待外部微處理器處理。相應(yīng)置位，以等待外部微處理器處理。幀的接收過程幀的接收過程 RTL8019AS將接收緩沖區(qū)將接收緩沖區(qū)RAM從劃分成多個連續(xù)排列的從劃分成多個連續(xù)排列的256字節(jié)長的緩沖區(qū)，最多不超過字節(jié)長的緩沖區(qū)，最多不超過256個這樣的緩沖區(qū)鏈成的緩沖個這樣的緩沖區(qū)鏈成的緩沖環(huán)，將環(huán)的起始頁面地址存入環(huán)，將環(huán)的起始頁面地址存入START，結(jié)束頁面地址存入，結(jié)束頁面地址存入PSTOP，另設(shè)當(dāng)前頁面指針，另設(shè)當(dāng)前頁面指針CURR指示一下接收幀存

29、放的開指示一下接收幀存放的開始位置。邊界指針始位置。邊界指針BNRY，指示可用的接收緩沖區(qū)的界線，下，指示可用的接收緩沖區(qū)的界線，下一幀不能超出這一界限，以免覆蓋了本取走的幀。一幀不能超出這一界限，以免覆蓋了本取走的幀。 LON-Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口LON-Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口作為一個特殊的網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口作為一個特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)能與絡(luò)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)能與LonWorks總線上所有分布總線上所有分布在現(xiàn)場的智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對等的數(shù)據(jù)通信，在現(xiàn)場的智能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對等的數(shù)據(jù)通信，起到起到“上傳下達(dá)上傳下達(dá)”的橋梁作用。的橋梁作用。網(wǎng)絡(luò)接口的基本功能網(wǎng)絡(luò)接口的基本功能 當(dāng)現(xiàn)場有數(shù)據(jù)送到網(wǎng)上后，網(wǎng)絡(luò)接口

30、要負(fù)當(dāng)現(xiàn)場有數(shù)據(jù)送到網(wǎng)上后，網(wǎng)絡(luò)接口要負(fù)責(zé)把所有發(fā)送給它的信息接收下來，并立即轉(zhuǎn)責(zé)把所有發(fā)送給它的信息接收下來，并立即轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)上進(jìn)行監(jiān)視和處理；當(dāng)以太網(wǎng)有監(jiān)發(fā)到以太網(wǎng)上進(jìn)行監(jiān)視和處理；當(dāng)以太網(wǎng)有監(jiān)控命令或所設(shè)參數(shù)需要下達(dá)時，網(wǎng)絡(luò)接口也應(yīng)控命令或所設(shè)參數(shù)需要下達(dá)時，網(wǎng)絡(luò)接口也應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能，及時準(zhǔn)確地將以太網(wǎng)的信息發(fā)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能，及時準(zhǔn)確地將以太網(wǎng)的信息發(fā)送給分布在現(xiàn)場的各個智能節(jié)點(diǎn)。同時，為減送給分布在現(xiàn)場的各個智能節(jié)點(diǎn)。同時，為減輕以太網(wǎng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)，提高系統(tǒng)實(shí)時輕以太網(wǎng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)，提高系統(tǒng)實(shí)時性，網(wǎng)絡(luò)接口也應(yīng)提供對部分通信數(shù)據(jù)的打包、性，網(wǎng)絡(luò)接口也應(yīng)提供對部分通信數(shù)據(jù)的打

31、包、拆包和整理等功能。拆包和整理等功能。5. 硬件描述(1) 硬件結(jié)構(gòu)圖硬件結(jié)構(gòu)圖 A15A0R/WEMC143150D0D7CPLD32K8EEPROM2K8雙口RAM收發(fā)器FFT10AAT89C55D0D7PORTL8019SA0SA1993C46SPI隔離變壓器RJ45 工業(yè)以太網(wǎng)RDWRIORIOWD0D7D0D7 LonWorks現(xiàn)場總線RDWR74LS373PO P262256D0D7A0A7A8A15A0A151)1)單片機(jī)單片機(jī)AT89C55，以及，以及74LS373、62256等外圍等外圍器件，構(gòu)成以太網(wǎng)控制單元，負(fù)責(zé)器件，構(gòu)成以太網(wǎng)控制單元，負(fù)責(zé)TCP/IP協(xié)議協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以

32、及數(shù)據(jù)交換的處理的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)交換的處理 2)MC143150神經(jīng)元芯片、外圍存儲器和收發(fā)器，神經(jīng)元芯片、外圍存儲器和收發(fā)器，構(gòu)成構(gòu)成LonWorks現(xiàn)場總線控制單元，負(fù)責(zé)收發(fā)現(xiàn)場總線控制單元，負(fù)責(zé)收發(fā)LonWorks報文，并實(shí)現(xiàn)對雙口報文，并實(shí)現(xiàn)對雙口RAM的尋址和的尋址和數(shù)據(jù)訪問數(shù)據(jù)訪問3)3)RTL8019ASRTL8019AS及其外圍器件及其外圍器件( (如隔離變壓器、如隔離變壓器、RJ45)RJ45)，支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的部分協(xié)議和物理接口支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的部分協(xié)議和物理接口 4)4)可編程邏輯器件可編程邏輯器件CPLD，負(fù)責(zé)，負(fù)責(zé)MC143150和和AT89C55兩個兩個MCU的

33、地的地址譯碼和讀寫信號的轉(zhuǎn)換址譯碼和讀寫信號的轉(zhuǎn)換 5)5)雙口雙口RAM，作為兩個處理器交換數(shù)據(jù)，作為兩個處理器交換數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的緩沖區(qū) 采用可編程邏輯器件采用可編程邏輯器件CPLD，可以，可以實(shí)現(xiàn)地址譯碼和讀寫信號轉(zhuǎn)換的功能，實(shí)現(xiàn)地址譯碼和讀寫信號轉(zhuǎn)換的功能，靈活性強(qiáng)，可以簡化電路的設(shè)計。靈活性強(qiáng)，可以簡化電路的設(shè)計。2. LonWorks現(xiàn)場總線控制單元現(xiàn)場總線控制單元 LonWorks現(xiàn)場總線控制單元負(fù)責(zé)收發(fā)LonWorks網(wǎng)絡(luò)報文，并對雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。為此，擴(kuò)展了一片32K的EEPROM(29EE010)作為程序存儲器，并由CPLD9536負(fù)責(zé)3150的讀寫信號與RAM讀寫信

34、號之間的轉(zhuǎn)換，以及對IDT7132和29EE010的地址分配。LonWorks現(xiàn)場總線控制單元硬件組成現(xiàn)場總線控制單元硬件組成 270270FTT-10ARXDTXD23JPCP0CP110K10u/16VVCCRESET30P30P10MCLK1CLK2A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7RWECEOEWED0D1D2D3D4D5D6D7CELR/W-LOELA11A12A13A14A15RWEIO1IO1IO1IO1IO1IO1IO1IO2IO2IO2IO2RDWREECSRAMCSA0

35、A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15D0D1D2D3D4D5D6D729EE010IDT7132A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10CPLD95363150RAMCSEECSRDWRRDWR 對CPLD9536進(jìn)行編程，可以實(shí)現(xiàn)對存儲器芯片29EE010和雙口RAM的地址分配 ：1)程序存儲器29EE010(32K)：0000H7FFFH。 2)雙口RAMIDT7132(2K)：D000HD7FFH 3.3.以太網(wǎng)控制單元以太網(wǎng)

36、控制單元 以太網(wǎng)控制單元的硬件電路主要包括以太網(wǎng)控制單元的硬件電路主要包括1)1) 單片機(jī)單片機(jī)AT89C55AT89C552)2) 以太網(wǎng)卡芯片以太網(wǎng)卡芯片RTL8019ASRTL8019AS3)3) 93C46(6493C46(641616位的位的EEPROM)EEPROM)4)4) 74HC373(874HC373(8位鎖存位鎖存) )5)5) 62256(32K62256(32K字節(jié)的字節(jié)的RAM)RAM)6)6) 雙口雙口RAM(IDT7132)RAM(IDT7132)7)7) CPLD9536CPLD9536 以太網(wǎng)控制單元負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng)控制單元負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)

37、據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng)，同時接收以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)，同時接收以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。D0D1D2D3D4D5D6D7A8A9A10A11A12A13A14A15A0A1A2A3A4A5A6A7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A8A9A10A11A12A13A14CEWEOEWRRDO0O1O2O3O4O5O6O7D0D1D2D3D4D5D6D762256SA0SA1SA2SA3SA4SA5SA6SA7SA8SA9SA10SA19IORBIOWB10K10u/16VVCC22P22P11.0592MAT89C55X1X2RESETEA/VPVCCRESETINT0T

38、0RDWRP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27ALE/PD0D1D2D3D4D5D6D7LEOEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q774HC373A0A1A2A3A4A14A15RESETIN-IN+OUT-OUT+RX-RX+TX-TX+632120F-01RJ45200TPIN-TPIN+RX+RX-CD+CD-OSC0OSC1TX+TX-27033P20MHDLDSD0SD1SD2SD3SD4SD5SD6SD7D0D1D2D3D4D5D6D7AENRSTDRVEECSBD5BD6BD7CSCLKDIDOVCC4K93CS46CPLD

39、9536CERA0RA0RA0RA0RA0RA0RA0RA0RA0RA0RA0RA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10I/O0RD0D1D2D3D4D5D6D7I/O1RI/O2RI/O3RI/O4RI/O5RI/O6RI/O7RR/W-ROERWRRDIDT7132IO1IO1IO2RTL8019AS以太網(wǎng)控制單元硬件組成以太網(wǎng)控制單元硬件組成 n地址的選擇1) RAM62256：單片機(jī)A15接其片選，A14A0接其A14A0，故62256的32K地址空間編址為0000H7FFFH。2) 以太網(wǎng)卡RTL8019AS：A15接其SA9，A14接其SA8，A4A0接其SA4SA0，其32

40、個字節(jié)的地址編址為8000H801FH。3) 雙口RAMIDT7132：A15和A14經(jīng)CPLD譯碼后，接其片選，其2K字節(jié)的地址編址為：F000HF7FFH。 n由于RTL8019AS內(nèi)置了10BASE-T收發(fā)器，因此，采用10BASE-T布線標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)絡(luò)接口的電路比較簡單。外接一個隔離LPF濾波器20F-01，TPIN為接收線，TPOUT為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分別與RJ-45接口的RX、TX端相連。 LonWorksLonWorks現(xiàn)場總線控制單元負(fù)責(zé)收發(fā)現(xiàn)場總線控制單元負(fù)責(zé)收發(fā)LonWorksLonWorks網(wǎng)絡(luò)報網(wǎng)絡(luò)報文，并對雙口文，并對雙口RAMRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)存取

41、。為此，擴(kuò)展了一片進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。為此，擴(kuò)展了一片32K32K的的EEPROM(29EE010)EEPROM(29EE010)作為程序存儲器，并由作為程序存儲器，并由CPLD9536CPLD9536負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)31503150的讀寫信號與的讀寫信號與RAMRAM讀寫信號之間的轉(zhuǎn)讀寫信號之間的轉(zhuǎn)換，以及對換，以及對IDT7132IDT7132和和29EE01029EE010的地址分配。的地址分配。由于由于RTL8019ASRTL8019AS內(nèi)置了內(nèi)置了10BASE-T10BASE-T收發(fā)器，因此，采用收發(fā)器，因此，采用10BASE-T10BASE-T布線標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)布線標(biāo)準(zhǔn)通過雙

42、絞線進(jìn)行以太網(wǎng)通信，其網(wǎng)絡(luò)接口的電路比較簡單。外接一個隔離絡(luò)接口的電路比較簡單。外接一個隔離LPFLPF濾波器濾波器20F-20F-0101，TPINTPIN為接收線，為接收線，TPOUTTPOUT為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分為發(fā)送線，經(jīng)隔離后分別與別與RJ-45RJ-45接口的接口的RXRX、TXTX端相連。端相連。 6. 軟件描述1.嵌入式嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 由于LonWorks接入以太網(wǎng)只是一個通信手段，主要用于監(jiān)控，傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此ISO七層結(jié)構(gòu)不必每層都有?？砂慈缦略瓌t選擇：1) 應(yīng)用層滿足系統(tǒng)要求；2) 省去會話層和表示層；3) 傳輸層采用相對簡單的UDP協(xié)

43、議，網(wǎng)絡(luò)層當(dāng)然要用IP協(xié)議；4) 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層因具體的物理網(wǎng)絡(luò)選為IEEE802.3 5) 如要考慮傳輸錯誤的處理，還可簡單的配上ICMP協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸 應(yīng)用程序UDP協(xié)議IP協(xié)議ICMP協(xié)議ARP協(xié)議IEEE802.3協(xié)議n發(fā)送部分軟件框圖發(fā)送部分軟件框圖 應(yīng)用層產(chǎn)生的待傳送數(shù)據(jù)構(gòu)造UDP幀數(shù)據(jù)構(gòu)造IP幀數(shù)據(jù)構(gòu)造IEEE802.3幀數(shù)據(jù)啟動NIC芯片發(fā)送到物理傳輸介質(zhì)上 發(fā)送部分首先在應(yīng)用層產(chǎn)生待傳送的數(shù)據(jù)，然后構(gòu)造UDP幀數(shù)據(jù)和IP幀數(shù)據(jù)，然后構(gòu)成符合IEEE802.3幀數(shù)據(jù)，最后啟動NIC芯片發(fā)送到物理傳輸介質(zhì)上。 n接收部分軟件接收部分軟件 接收部分首先讀取IEEE80

44、2.3幀數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行對數(shù)據(jù)包的解包，并通過判斷數(shù)據(jù)包的類型，轉(zhuǎn)入不同的處理子程序。其軟件框圖如下圖所示。 從NIC讀取IEEE802.3幀數(shù)據(jù)ARP or IP？包正確否？此包是否發(fā)給自己此包是否完整接收緩沖區(qū)滿否？放入接收緩沖區(qū)接收到齊否？返回返回ARP請求 or ARP響應(yīng)？作出響應(yīng)的ARP響應(yīng)返回UDP or ICMP？UDP包是否正確解析命令返回IPARPYNYNNYYNNYUDPICMPYN請求響應(yīng)nWinSocket協(xié)議的實(shí)現(xiàn)協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 利用WinSock控件可以與遠(yuǎn)程計算機(jī)建立連接，并通過用戶數(shù)據(jù)報文協(xié)議 (UDP)或者傳輸控制協(xié)議 (TCP)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這兩種協(xié)議都可以用來創(chuàng)建客戶與服務(wù)器應(yīng)用程序。 在本次設(shè)計中，遠(yuǎn)程計算機(jī)的編程采用Visual Basic 6.0，其內(nèi)嵌有WinSock控件，WinSock控件的兩個協(xié)議名為：sckTCPProtocol 和 sckUDPProtocol。 WinSock控件有4個重要屬性：1)protocol：用于指定通信協(xié)議為TCP還是UDP，本設(shè)計采用的是UDP協(xié)議。2)localport：用于指定本地端口。3)remoteport：用于指定遠(yuǎn)程端口。4)remotehost：用于指定遠(yuǎn)程主機(jī)。 分配好這4個屬性后，就可以惟一確定一個通信。此時，可用該控件的bind方法綁定端口、用senddata方法發(fā)送數(shù)據(jù)，用