用于智能仪器联网的以太网通信接口设计

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表:2007-07-02 人气:5

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摘　要本文针对智能仪器联网的需求，对支持RS-232接口的智能仪器设计了一个以太网通信接口。以8051单片机为核心，用其串口作为与智能仪器的接口，用RTL8019AS芯片和RJ-45作为以太网接口，并通过软件实现RS-232与TCP/IP协议的转换，通过以太网实现智能仪器与远程计算机之间的数据通信，给出了硬件设计和软件实现方案。
0 引言
　　目前，互联网络硬件、软件的迅猛发展，使得网络用户呈指数增长，在使用计算机进行网络互联的同时，各种家电设备、仪器仪表以及工业生产中的数据采集与控制设备正逐步地走向网络化，以便共享网络中庞大的信息资源。但是很多现有的仪器设备只配置了RS-232等串口，并没有内置网络接口，无法直接联网。本文所设计的通信接口可以使具有RS-232接口的智能仪器和设备接入以太网，实现网络中的远程计算机与测控现场的仪器设备之间的数据通信和数据共享。目前具有RS-232接口的智能设备非常普及，它们大多数配置有串口，甚至许多家用电器也提供有RS-232串口，例如微波炉、空调和热水器等。这些设备和电器可以通过本文所设计的通信接口接入网络，使网络中的监控计算机对它们进行远程控制和监控，进行数据采集，发出控制命令等一系列操作。使远在办公室的人们通过自己办公桌前的PC机监视现场智能仪表的测量数据，或者访问诸如空调，热水器等家电，实现温度查询、室温的预热预冷、热水器的开关等操作。

1 支持网络化智能仪器接口的技术
　　　要能实现上述目标，每一个智能仪器和设备都应成为Internet上的独立节点。也就是说每个智能仪器都必须安装一个网络接口来控制数据流的收发。实现网络化接口仪器的技术主要体现在以下几个方面。
1．1 以太网技术
　　以太网是目前使用最广泛的局域网技术，网络连接中有80%是基于双绞线介质的以太网。为了满足该网络接口的通用性和实现的简便性，采用了台湾Realtek公司的具有即插即用功能的全双工以太网控制器——RTL8019AS，并用廉价的8051单片机作为控制单元，实现把RS-232串口协议转换成TCP/IP协议的目标。RTL8019AS芯片中集成了OSI中的物理层和数据链路层的性能，它与单片机8051接口方便，具有软件移植性好、价格低廉等优点，符合Ethernet II与IEEE802.3标准，具有全双工的工作方式，内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，能够降低对主处理器的速度要求。

1．2 Socket套接字技术
　　在远程监控计算机端，Winsock控件可支持数据收发程序的实现。Winsock控件是基于socket套接字技术的，提供了访问TCP和UDP网络服务非常简便的途径，使编程人员在开发客户／服务器应用程序时，不必了解TCP的细节或低级WinsockAPIs函数的调用，只需通过设置Winsock控件的属性并调用其方法，就可直接连接到一台远程计算机进行，并可实现双向数据交换。如果访问TCP传输控制协议服务功能，还须建立连接并实现主机间点对点通信。如果访问UDP数据文报协议功能，不必建立连接，发送数据将以广播方式在网上传输。

1．3 TCP/IP协议
　　TCP/IP是计算机网络中最主要的传输协议，目前的Internet网就是基于TCP/IP协议的互联网络。而且TCP/IP除了用于广域网外，在局域网中也被广泛应用。当然，在单片机中实现TCP/IP协议与PC机不同，在PC里可支持比较完整的TCP/IP协议，但在单片机里由于资源的限制难以实现完整的TCP/IP协议，只能根据需要实现相关的部分。通常，在单片机中只实现ARP、IP、ICMP、TCP/UDP等协议，而更高层的协议（如HTTP、SMTP、FTP等）一般是不需要的。单片机应用的TCP/IP协议大多是为了完成远程数据传输，而不是网页浏览、文件传输等功能。另外，由于单片机资源的有限性，对某一协议而言还需要作适当简化。
　　根据智能仪表的联网要求，需要实现简单的RS-232接口到Ethernet的数据传输，为此，需要编写出以太网接口硬件以及底层的通讯及协议转换程序。通过对高级网络通信协议在以太网通信接口上如何实现等问题的探讨，对TCP/IP协议族所需系统资源的消耗估计，以及智能仪表对网络通信的需求，故在本文中着重实现了TCP内核中UDP、IP、ARP协议，并用Visual Basic.NET开发实现了远程PC端的数据收发程序。

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