基于單片機和TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信設計

摘要：介紹了嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機在網(wǎng)絡通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術。將TCP/IP協(xié)議嵌入式單片機中，借助網(wǎng)卡芯片CS8900實現(xiàn)了單片機在局域網(wǎng)內(nèi)和通過局域網(wǎng)在因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸。用戶終端以單片機系統(tǒng)板為媒介，通過網(wǎng)絡與遠程數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

關鍵詞：TCP/IP協(xié)議 單片機 因特網(wǎng) 局域網(wǎng) 網(wǎng)卡芯片 

在因特網(wǎng)上，TCP/IP協(xié)議每時每刻保證了數(shù)據(jù)的準確傳輸。在數(shù)據(jù)采集領域，如何利用TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)傳輸成為一個炙手可熱的話題。在本系統(tǒng)中，筆者利用TCP/IP協(xié)議中的UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)、IP(網(wǎng)絡報文協(xié)議)、ARP(地址解析協(xié)議)及簡單的應用層協(xié)議成功地實現(xiàn)了單片機的網(wǎng)絡互連，既提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，又保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，同時也擴展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行О霃健?/p>

1 TCP/IP協(xié)議簡介 TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的準確快速傳輸。參考開放系統(tǒng)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(wǎng)絡層、鏈路層。 (1)應用層 網(wǎng)絡應用層要有一個定義清晰的會話過程，如通常所說的Http、Ftp、Telnet等。在本系統(tǒng)中，單片機系統(tǒng)傳遞來自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應用層只對大的數(shù)據(jù)報作打包拆報處理。 (2)傳輸層 傳輸層讓網(wǎng)絡程序通過明確定義的通道及某些特性獲取數(shù)據(jù)，如定義網(wǎng)絡連接的端口號等，實現(xiàn)該層協(xié)議的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP。在本系統(tǒng)中使用UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議。 (3)網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層讓信息可以發(fā)送到相鄰的TCP/IP網(wǎng)絡上的任一主機上，IP協(xié)議就是該層中傳送數(shù)據(jù)的機制。同時建立網(wǎng)絡間的互連，應提供ARP地址解析協(xié)議，實現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路物理地址的映像。 (4)鏈路層 由控制同一物理網(wǎng)絡上的不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，實現(xiàn)這一層協(xié)議的協(xié)議并屬于TCP/IP協(xié)議組。在本系統(tǒng)中這部分功能由單片機控制網(wǎng)卡芯片 CS8900實現(xiàn)。

2 硬件框圖

如圖1所示，系統(tǒng)提供RJ45接口連接Ethernet網(wǎng)絡，并且提供一個串口給用戶使用。系統(tǒng)板可以將從Ethernet上過來的IP數(shù)據(jù)報解包后送給串口，也可將從串口過來的數(shù)據(jù)封裝為IP包送到局域網(wǎng)中。外部RAM使用61C1024(128KB)，從而為數(shù)據(jù)處理提供了很大的緩存;使用 E2PROM——X25045，既可以作為看門狗使用，也可以將IP地址、網(wǎng)卡物理地址和其他參數(shù)保存在里面。 CS8900芯片是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的一種局域網(wǎng)處理芯片，它的封裝是100-pin TQFP，內(nèi)部集成了在片RAM、10BASE-T收發(fā)濾波器，并且提供8位和16位兩種接口，本文只介紹它的8位模式。 NE103是一種脈沖變壓器，在CS8900的前端對網(wǎng)絡信號進行脈沖波形變換。

3 工作原理 3.1 CS8900的工作原理 CS8900與單片機按照8位方式連接，網(wǎng)卡芯片復位后默認工作方式為I/O連接，基址是300H，下面對它的幾個主要工作寄存器進行介紹(寄存器后括號內(nèi)的數(shù)字為寄存器地址相對基址300H的偏移量)。

%26;#183;LINECTL(0112H) LINECTL決定CS8900的基本配置和物理接口。在本系統(tǒng)中，設置初始值為00d3H，選擇物理接口為10BASE-T，并使能設備的發(fā)送和接收控制位。

%26;#183;RXCTL(0104H) RXCTL控制CS8900接收特定數(shù)據(jù)報。設置RXTCL的初始值為0d05H，接收網(wǎng)絡上的廣播或者目標地址同本地物理地址相同的正確數(shù)據(jù)報。

%26;#183;RXCFG(0102H) RXCFG控制CS8900接收到特定數(shù)據(jù)報后會引發(fā)接收中斷。RXCFG可設置為0103H，這樣當收到一個正確的數(shù)據(jù)報后，CS8900會產(chǎn)生一個接收中斷。

%26;#183;BUSCT(0116H) BUSCT可控制芯片的I/O接口的一些操作。設置初始值為8017H，打開CS8900的中斷總控制位。

%26;#183;ISQ(0120H) ISQ是網(wǎng)卡芯片的中斷狀態(tài)寄存器，內(nèi)部映射接收中斷狀態(tài)寄存器和發(fā)送中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容。

%26;#183;PORT0(0000H) 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，CPU通過PORT0傳遞數(shù)據(jù)。

%26;#183;TXCMD(0004H) 發(fā)送控制寄存器，如果寫入數(shù)據(jù)00C0H，那么網(wǎng)卡芯片在全部數(shù)據(jù)寫入后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

%26;#183;TXLENG(0006H) 發(fā)送數(shù)據(jù)長度寄存器，發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先寫入發(fā)送數(shù)據(jù)長度，然后將數(shù)據(jù)通過PORT0寫入芯片。 以上為幾個最主要的工作寄存器(為16位)，CS8900支持8位模式，當讀或?qū)?6位數(shù)據(jù)時，低位字節(jié)對應偶地址，高位字節(jié)對應奇地址。例如，向 TXCMD中寫入00C0H，則可將00h寫入305H，將C0H寫入304H。 系統(tǒng)工作時，應首先對網(wǎng)卡芯片進行初始化，即寫寄存器LINECTL、RXCTL、RCCFG、BUSCT。發(fā)數(shù)據(jù)時，寫控制寄存器TXCMD，并將發(fā)送數(shù)據(jù)長度寫入TXLENG，然后將數(shù)據(jù)依次寫入PORT0口，如將第一個字節(jié)寫入300H，第二個字節(jié)寫入301H，第三個字節(jié)寫入300H，依此類推。網(wǎng)卡芯片將數(shù)據(jù)組織為鏈路層類型并添加填充位和CRC校驗送到網(wǎng)絡同樣，單片機查詢ISO的數(shù)據(jù)，當有數(shù)據(jù)來到后，讀取接收到的數(shù)據(jù)幀。讀數(shù)據(jù)時，單片機依次讀地址300H，301H，300H，301H…。

3.2 單片機工作流程 如圖人所示，單片機首先初始化網(wǎng)絡設備。網(wǎng)卡IP地址和物理地址存在X25045中，單片機復位后首先讀取這些數(shù)據(jù)以初始化網(wǎng)絡。

單片機主要完成數(shù)據(jù)的解包打包。當有數(shù)據(jù)從RJ45過來，單片機對數(shù)據(jù)報進行分析，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(因為在網(wǎng)絡上正是ARP協(xié)議將IP地址和物理地址相映射)。如果是IP數(shù)據(jù)包且傳輸層使用UDR協(xié)議，端口正確，則認為數(shù)據(jù)報正確，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過串口輸出。反之，如果單片機從串口收到數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包，送入CS8900，由CS8900將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。 可以知道，單片機主要處理協(xié)議的網(wǎng)絡層和傳輸層，鏈路層部分由CS8900完成。因單片機將數(shù)據(jù)接收后完整不變地通過串口輸出，所以將應用層交付用戶來處理，用戶可以根據(jù)需求對收到的數(shù)據(jù)進行處理。 在單片機的程序處理中，包含了完整的APR地址解析協(xié)議。通過在單片機中正確設置網(wǎng)關、子網(wǎng)掩碼等參數(shù)，實現(xiàn)了通過局域網(wǎng)單片機與外部因特網(wǎng)上的終端設備的數(shù)據(jù)通信。

4 應用 這種嵌入式TCP/IP協(xié)議的單片機系統(tǒng)板，具有成本低、硬件少、占用面積少、傳輸速度快、使用方便等優(yōu)點。適用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，有著廣泛的應用前景，特別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸領域。目前，在屏幕板數(shù)據(jù)成像、遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中被使用。