基于AVR單片機的遠(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、分層以及可擴充性使其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越靈活，很多情況下采用以太網(wǎng)和TCP/IP，能夠簡化結(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)實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，通過互聯(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。本系統(tǒng)采用高速單片機ATmega64及RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器，用嵌入式TCP/IP 協(xié)議可以實現(xiàn)TCP和UDP等網(wǎng)絡(luò)功能,進一步實現(xiàn)HTTP協(xié)議服務(wù),實現(xiàn)Web Sever 及接入Internet 的功能。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示， ATmega64是基于增強的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。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，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,并可自動檢測所連接的介質(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)計中JP腳接高電平(VCC),即使用跳線方式，此時可以省掉外部E2PROM 93C46芯片。單片機通過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～IOS0決定,將IOS3～IOS0對應(yīng)引腳全部接低電平,這時RTL8019AS的I/O 基地址為300H，因此可以用SA8 和SA9進行片選接至單片機的PC7。當(dāng)PC7引腳置高電平時選中RTL8019AS ，當(dāng)PC7引腳置低電平時選中外部RAM，而將片選信號AEN接地，這種片選方式可以節(jié)省一個反向器。AUI 用來檢測在AUI接口外部MAU 的使用情況。當(dāng)該引腳未用時，應(yīng)該接地。

　　介質(zhì)的選擇由引腳PL1和PL0決定，RTL8019AS 還具有自動測試介質(zhì)連接是否成功的功能。無屏蔽雙絞線(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)控制器的工作過程

　　以太網(wǎng)控制器的 RAM 以 256 字節(jié)為一頁，是按頁存儲的結(jié)構(gòu)，16位RAM地址的高 8位又叫頁碼。以太網(wǎng)控制器的16KB RAM的地址從0x4000～0x7FFF，即從頁0x40 到頁0x7F，共有64 頁用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包。這64頁RAM是一塊雙端口RAM。所謂雙端口就是說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)送過程

　　(1) 封裝數(shù)據(jù)包：數(shù)據(jù)包在發(fā)送前，單片機將其按如圖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RTL8019AS的本地DMA將數(shù)據(jù)送入FIFO 緩沖器進行發(fā)送。

　　2.2 數(shù)據(jù)包的接收過程

　　(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)控制器運行正常，接收到數(shù)據(jù)包時自動啟動本地 DMA 將數(shù)據(jù)存入接收緩沖環(huán)中，也就是說第一步是由 RTL8019AS 自動完成的。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)的起始頁和發(fā)送頁，設(shè)置了接收緩沖環(huán)之后，接收到的第一個數(shù)據(jù)包放置的位置由當(dāng)前頁面寄存器CURR 決定。

　　3 服務(wù)器端工作過程

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

　　服務(wù)器接收數(shù)據(jù)時，以太網(wǎng)驅(qū)動程序負(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 報文，則將ARP 報文交給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 模塊收到報文后，取出首部進行處理，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，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)送出錯報文，由ICMP 協(xié)議模塊進行處理，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對應(yīng)的物理地址，然后封裝成以太網(wǎng)幀，由網(wǎng)卡驅(qū)動程序?qū)⒁蕴W(wǎng)幀發(fā)送出去。

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

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

　　超文本傳輸協(xié)議(HTTP)是目前通過Internet進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)送一個請求到服務(wù)器，請求中包含請求方法、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)一個狀態(tài)行，包含消息的協(xié)議版本、一個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、資源實體的信息和可能的資源內(nèi)容)。

　　單片機服務(wù)器除了包括HTML 文件以外，還有一個HTTP 駐留程序，用于響應(yīng)計算機端的控制請求。用HTML 文件編寫的網(wǎng)絡(luò)界面，可以通過瀏覽器訪問并利用相應(yīng)的按扭向服務(wù)器發(fā)送HTTP 請求，此請求被送往由IP地址指定的URL。駐留程序接收到請求，在進行必要的操作后回送所要求的文件。在這一過程中，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)已經(jīng)被分成一個或多個數(shù)據(jù)包(packet)，每個數(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決定了每個數(shù)據(jù)包的格式。

　　圖5 是通過Web 瀏覽器看到的網(wǎng)絡(luò)控制界面，必需將客戶計算機與服務(wù)器系統(tǒng)的IP地址設(shè)置在一個段內(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)過程:①通過瀏覽器向服務(wù)器系統(tǒng)(單片機)發(fā)送HTTP 請求；②服務(wù)器系統(tǒng)通過HTTP服務(wù)程序查看網(wǎng)頁程序中表單內(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)頁中的表格內(nèi)“NO DATA”標(biāo)記；②服務(wù)器系統(tǒng)把Web頁面?zhèn)魉徒o用戶界面的瀏覽器。

　　用低成本的AVR單片機和以太網(wǎng)控制器，配合適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實現(xiàn)了通過網(wǎng)絡(luò)對RS232接口設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)控制。如對其進行適當(dāng)?shù)母淖兣c擴展，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，限于其內(nèi)部資源，所以網(wǎng)頁文件不能過大。

　　參考文獻

　　[1] 何蘇勤. TMS320C2000系列DSP原理及實用技術(shù)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2003.

　　[2] 賈云飛，王景芹. 利用單片機控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯?網(wǎng)絡(luò)與總線，2003,(6):41.

　　[3] 閆保中,虞凌宏,王仁龍. 基于AVR高速單片機的Web sever的研究.應(yīng)用科技，2006，33(3):25.

　　[4] J. Magid. Web服務(wù)器技術(shù)指南.李謙譯.北京：機械工業(yè)出版社,1996.

　　[5] Network Working Group： RFC 2616 - Hypertext Transfer Protocol——HTTP/1.1.