基于單片機的以太網(wǎng)絡接入系統(tǒng)的實現(xiàn)及網(wǎng)絡性能分析

［摘　要］　介紹以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，并設計在有限存儲空間的單片機中嵌入TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)接入系統(tǒng)，實現(xiàn)了RS－485現(xiàn)場總線設備通過嵌入TCP／IP單片機系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，完成PC機與終端設備的遠程通信和控制，最后對系統(tǒng)性能進行測試分析，取得了滿意的效果。
    ［關鍵詞］　單片機；以太網(wǎng)；RTL8019AS芯片；TCP／IP協(xié)議；網(wǎng)絡性能分析

1　引　言　　
　　互聯(lián)網(wǎng)絡硬件、軟件的迅猛發(fā)展，使得網(wǎng)絡用戶呈指數(shù)增長，在電子設備日趨網(wǎng)絡化的背景下，越來越多的嵌入式應用需要支持網(wǎng)絡功能。 TCP／IP是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互連起來的協(xié)議組，成為事實上最常用的網(wǎng)絡標準之一。在使用計算機進行網(wǎng)絡互聯(lián)的同時，各種家電設備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制設備在逐步地走向網(wǎng)絡化，以便共享網(wǎng)絡中龐大的信息資源。只要那些設備上實現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議并增加一個網(wǎng)絡接口，就可方便地接入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡中?？紤]到單片機成本低廉，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，根據(jù)應用的需要做相應的裁減，文中將介紹用AT90S8515單片機與10Mbps以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS設計嵌入式TCP／IP單片機系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了RS－485現(xiàn)場總線設備通過嵌入TCP／IP的單片機系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，完成PC 機與終端設備的遠程通信和控制，最后對系統(tǒng)性能進行分析。
2　以太網(wǎng)控制器RTL8019AS簡介　　
　　RTL8019AS是臺灣REALTEK公司生產(chǎn)的基于ISA總線的10 Mbps以太網(wǎng)控制器芯片。由于其優(yōu)良的性能、低廉的價格，使其在市場上10Mbps網(wǎng)卡中占有相當?shù)姆蓊~。
主要性能：
　?。?）符合EthernetⅡ與IEEE802．3（10Base5、10Base2、10BaseT）標準；
    （2）支持全雙工，收發(fā)可同時達到10Mbps速率；
　?。?）16KB片內(nèi)SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；
　?。?）支持8／16位數(shù)據(jù)總線，8個中斷請求線以
    （6）支持跳線和非跳線模式；
    （7）允許4個診斷LED引腳可編程輸出；
    （8）100腳的PQFP封裝。
　　該芯片功能很強，它集成介質(zhì)訪問子層（MAC）和物理層的功能，對RTL8019做了很大改進，處理能力更強，操作更靈活。但與一般單片機接口時，只需要用到其中一部分即可完成網(wǎng)絡通信功能，其它引腳懸空。
3　與AT90S8515單片機系統(tǒng)的接口電路
　　該文選用AT90S8515單片機，與8051系列單片機相比，具有系統(tǒng)內(nèi)可編程8KFLASH，內(nèi)部集成了在片512字節(jié)EEPROM和512字節(jié)SRAM，使用精簡指令集，編寫程序簡練，調(diào)試程序方便。
　　系統(tǒng)硬件連接如圖3—1所示，系統(tǒng)提供RJ45接口連接Ethernet網(wǎng)絡，提供一個RS－485接口與現(xiàn)場設備連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸和設備的遠程控制。

　　AT90S8515單片機所提供的接口信號線為：PA口的8位數(shù)據(jù)總線D0～D7、5根地址線A8～A12、讀信號線RD、寫信號線WR、2根控制線 PB0、PB1。這些信號線與RTL8019AS的各信號線對應連接。其中，RTL8019AS的IOCS16B接下拉電阻，使芯片工作在8位總線方式，復位通過PB0控制，PB1片選地址使能。時鐘電路為單片機8MHz和網(wǎng)絡芯片20MHz。在現(xiàn)場控制端，需要一個RS－232轉(zhuǎn)RS－485的485芯片（WM485），在網(wǎng)絡接入端需要一個網(wǎng)絡隔離濾波器（FM2146），這樣接口電路設計完成，然后計算并分配地址空間，編寫匯編程序。該系統(tǒng)中網(wǎng)絡芯片在單片機中地址映射空間為80××H－0x9F××H，網(wǎng)絡芯片的內(nèi)部I／O基地址為300H。
　　對設計電路的幾點說明，RTL8019AS的JP引腳接高電平，使芯片工作在跳線模式；沒有使用地址鎖存器，直接用地址數(shù)據(jù)復用口讀寫 RTL8019AS數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡芯片只用到5位地址線，沒有沖突；系統(tǒng)采用查詢工作方式，沒有連接中斷信號線，簡化電路設計。[!--empirenews.page--]
4　軟件設計
4．1　嵌入TCP／IP協(xié)議的單片機匯編程序設計　　
　　單片機接入以太網(wǎng)，必須嵌入TCP／IP協(xié)議，用戶終端的應用程序才可以使用通用的網(wǎng)絡編程技術，例如使用Socket套接字，與單片機建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。匯編流程圖如圖4—1所示，單片機首先初始化堆棧和串口，初始化RTL8019AS網(wǎng)絡芯片，系統(tǒng)的IP地址存放在單片機的片內(nèi)EEPROM 中，單片機復位后首先讀取這些數(shù)據(jù)以初始化網(wǎng)絡。　　由于單片機的資源有限，所以網(wǎng)絡協(xié)議根據(jù)嵌入式應用的需求作了裁剪，系統(tǒng)中使用了ARP、RARP、 IP、UDP等部分協(xié)議，既保證單片機接入以太網(wǎng)，又保證足夠小的代碼量。單片機主要完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的解包和串口RS－485數(shù)據(jù)的打包。當以太網(wǎng)有數(shù)據(jù)到達該設備，單片機采用查詢方式，讀取網(wǎng)絡數(shù)據(jù)并分析，如果是ARP（物理地址解析協(xié)議）數(shù)據(jù)包，則轉(zhuǎn)入ARP處理程序，并發(fā)送RARP數(shù)據(jù)包，將IP地址和物理地址加入到局域網(wǎng)中建立映射。如果是UDP數(shù)據(jù)包且IP地址和端口號正確，則接收數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過串口輸出，控制RS－485現(xiàn)場設備。反之，如果現(xiàn)場通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機，單片機將數(shù)據(jù)按照UDP協(xié)議格式打包，送入RTL8019AS，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)輸出到局域網(wǎng)中。根據(jù)需要還可以在收到串口數(shù)據(jù)時，先完成數(shù)據(jù)預處理，再將處理好的數(shù)據(jù)送到局域網(wǎng)。

 
　　TCP／IP協(xié)議的4層模型中，鏈路層部分由RTL8019AS完成，網(wǎng)絡層和傳輸層由單片機來處理，應用層則根據(jù)需要可以在單片機內(nèi)完成，也可以由單片機轉(zhuǎn)給用戶或終端設備完成。
　　在單片機的程序處理中，主要有完整的ARP、RARP協(xié)議模塊，UDP協(xié)議模塊，其它協(xié)議根據(jù)需要取舍，完成系統(tǒng)要求，網(wǎng)絡芯片的初始化是必須的，對RTL8019AS各寄存器的配置正確，才能使硬件正常工作。
4．2　用戶終端程序設計
　　為了實現(xiàn)對嵌入TCP／IP的單片機通信系統(tǒng)設備的控制，筆者用VC＋＋6．0在用戶終端PC上編寫一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽贸绦?。通常采用Winsock編程，先創(chuàng)建一個套接字，綁定IP地址和端口號，使用UDP數(shù)據(jù)報，與嵌入TCP／IP單片機系統(tǒng)的套接字建立連接，當有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到達時，VC＋＋響應 Receive（）消息，讀取數(shù)據(jù)并處理；當用戶需要控制嵌入式設備，調(diào)用Send（）函數(shù)發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)。
　　在調(diào)試試驗中，PC機上采用Sniffer軟件來監(jiān)視（或截獲）PC機同單片機之間通信的TCP／IP協(xié)議包數(shù)據(jù)流，測試系統(tǒng)的性能，取得了滿意的效果。
5　系統(tǒng)性能分析　　
　　網(wǎng)絡性能的主觀評價可以用如下的指標來體現(xiàn)：容量、利用率、最優(yōu)利用率、吞吐量、可供負載、精確度、效率、延遲、延遲變化量、響應時間等。網(wǎng)絡性能的最終表現(xiàn)形式就是最終用戶在使用過程中的主觀評價。
　　下面主要從各網(wǎng)絡層對系統(tǒng)性能的影響分別進行分析：
　?。?）物理層、數(shù)據(jù)鏈路層性能。從系統(tǒng)的硬件上看，這兩層的功能主要由RTL8019AS完成，每幀最大傳輸包為1K字節(jié)，但是數(shù)據(jù)的讀寫都是由單片機完成，所以整個系統(tǒng)的帶寬受到單片機速度的限制，文中設計系統(tǒng)理論最大帶寬為8Mbps，最優(yōu)利用率為3～4Mbps。
　　（2）網(wǎng)絡層性能。在這里主要考慮傳輸協(xié)議的選擇。對于使用有重傳機制的TCP協(xié)議，意味著在
網(wǎng)絡環(huán)境惡劣的情況下，存在大量的數(shù)據(jù)報重傳，降低了網(wǎng)絡利用率，同時還有很大的延時。在系統(tǒng)的具體應用中，采用UDP協(xié)議滿足了數(shù)據(jù)采集的實時性要求，對于丟包現(xiàn)象，可以在應用層上采取必要的控制策略加以改善。
　　（3）應用層性能。主機、服務器、應用協(xié)議構(gòu)成網(wǎng)絡應用層性能的三要素。主機和服務器是網(wǎng)絡連接的兩端，應用協(xié)議是網(wǎng)絡連接的兩端數(shù)據(jù)傳輸過程的一個約定。方案采用在以太網(wǎng)嵌入系統(tǒng)中運行一個套接字程序作為服務器，應用RS－485通訊協(xié)議對遠程設備控制和數(shù)據(jù)采集。這個過程中，網(wǎng)絡服務器的性能問題影響最大：服務器的負載、請求隊列過長、協(xié)議參數(shù)設置不當?shù)鹊取?br />6　結(jié)束語　　
　　以太網(wǎng)的低成本、開放性、廣泛的開發(fā)和應用軟件、硬件支持，使得這種嵌入了 TCP／IP協(xié)議的單片機數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，具有成本低、硬件少、運行穩(wěn)定可靠、傳輸速度快、開發(fā)周期短等優(yōu)點，有著廣泛的應用前景，特別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗h程監(jiān)控領域，以及智能家電的網(wǎng)絡信息化方面。目前，該系統(tǒng)在變電站監(jiān)控系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到成功應用。