基于Internet的嵌入式網(wǎng)絡(luò )虛擬儀表硬件設計

摘要： 本文闡述了以單片機和以太網(wǎng)控制芯片為核心的嵌入式網(wǎng)絡(luò )虛擬儀表的系統結構，詳細介紹了系統硬件設計。

引言

隨著(zhù)計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，利用嵌入式計算機系統和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，組成網(wǎng)絡(luò )嵌入式虛擬儀表，將處于不同地域的多個(gè)儀表組成一個(gè)統一的整體，實(shí)現數據共享和統一管理，可大大提高儀表系統的功能。遠程虛擬儀表提出了一種全新的網(wǎng)絡(luò )儀表技術(shù)和方法，把Internet網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、嵌入式技術(shù)、以及虛擬儀表技術(shù)結合起來(lái)，項目的研究以電網(wǎng)電量測量和分析的實(shí)際應用為目標。

從實(shí)現網(wǎng)絡(luò )虛擬儀表功能模塊化角度考慮，把網(wǎng)絡(luò )虛擬儀表分為虛擬儀表主機和嵌入式網(wǎng)絡(luò )虛擬儀表終端兩部分，本文主要討論應用AT89C52單片機，結合網(wǎng)絡(luò )控制芯片RTL8019AS和測量、信號轉換、鍵盤(pán)/顯示等部件，實(shí)現遠程控制和測量的嵌入式網(wǎng)絡(luò )虛擬儀表終端的硬件設計，總體結構框圖如圖1所示，該系統由單片機、通信協(xié)議控制模塊、液晶顯示模塊、鍵盤(pán)控制模塊、存儲擴展模塊、串行A/D、D/A轉換模塊、以及接口擴展模塊構成。

系統硬件設計

通信協(xié)議控制電路

圖1 系統總體框圖

通信協(xié)議控制電路由網(wǎng)絡(luò )控制器RTL8019AS、串行EEPROM 93LC66、帶濾波的RJ45接口組成(見(jiàn)圖2)。

圖2 通信協(xié)議控制電路

RTL8019AS主要實(shí)現通信協(xié)議控制，內部有遠程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制)邏輯、數據編解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內部RAM進(jìn)行讀寫(xiě)的總線(xiàn)，單片機收發(fā)數據只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網(wǎng)線(xiàn)的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線(xiàn)的數據交換。

MAC邏輯完成以下功能：當單片機向網(wǎng)上發(fā)送數據時(shí)，先將一幀數據通過(guò)遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區，然后發(fā)出傳送命令，當RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后，再開(kāi)始此幀的發(fā)送；RTL819接收到的數據通過(guò)MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區；收滿(mǎn)一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發(fā)數據作16字節的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。

RTL8019AS內部有兩塊RAM區。一塊16K字節，地址為0x4000～0x7fff；一塊32字節，地址為0x0000～0x001f。RAM按頁(yè)存儲，每256字節為一頁(yè)。一般將RAM的前12頁(yè)(即0x4000～0x4bff)存儲區作為發(fā)送緩沖區；后52頁(yè)(即0x4c00～0x7fff)存儲區作為接收緩沖區。要接收和發(fā)送數據包就必須通過(guò)DMA讀寫(xiě)RTL8019AS內部的16KB RAM。它實(shí)際上是雙端口的RAM，是指有兩套總線(xiàn)連接到該RAM，一套總線(xiàn)RTL8019AS讀或寫(xiě)該RAM，即本地DMA；另一套總線(xiàn)是單片機讀或寫(xiě)該RAM，即遠程DMA。

89C52通過(guò)P2.7、/WR、/RD來(lái)劃分RTL8019AS和62256的地址空間。P2.7接62256的/CE引腳，低電平時(shí)選擇62256；高電平時(shí)選擇RTL8019AS的地址空間。

RTL8019AS初始化配置采用Serial EEPROM器件 93LC66A實(shí)現，用來(lái)設置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太網(wǎng)物理地址。RTL8019AS通過(guò)引腳EECS、EESK、EEDI控制93LC66A的CS、SK、DI引腳，通過(guò)EEDO接收93LC66A的DO引腳的狀態(tài)。RTL8019AS復位后讀取93LC66A的內容并設置內部寄存器的值，如果93LC66A中內容不正確，RTL8019AS就無(wú)法正常工作。

RTL8019AS和網(wǎng)絡(luò )連接電路，采用10BASE-T布線(xiàn)標準通過(guò)雙絞線(xiàn)進(jìn)行以太網(wǎng)通訊，而RTL8019AS內置了10BASE-T收發(fā)器，所以網(wǎng)絡(luò )接口的電路比較簡(jiǎn)單。和Internet的連接采用了集成了濾波器的RJ45接口(RJ_10102)，TPIN±為接收線(xiàn)，TPOUT±為發(fā)送線(xiàn)，經(jīng)隔離后分別與RJ-45接口的RX±、TX±端相連，通過(guò)RJ45接入以太網(wǎng)。

89C52的數據存儲器擴展電路

89C52內部有256字節RAM存儲器。但是，當單片機用于實(shí)時(shí)數據采集或處理大批量數據時(shí)，僅靠片內提供的RAM是遠遠不夠的。因此，為單片機擴展了一片SRAM芯片62256使數據存儲容量達到32K字節。

按圖2的連線(xiàn)，片選端直接與P2.7相連，當P2.7為“0”時(shí)選中62256，當P2.7為“1”時(shí)則選中RTL8019AS內部的地址空間，單片機的尋址8000H-801FH對應RTL8019AS的300H-31FH空間。

鍵盤(pán)、顯示控制電路

鍵盤(pán)電路為矩陣式鍵盤(pán)掃描，鍵盤(pán)矩陣分為4行3列。在4×3的12個(gè)鍵盤(pán)的使用中，有10個(gè)鍵定義了雙鍵或三鍵功能，從而可以實(shí)現28種操作功能，使現場(chǎng)儀表的操作能力大大加強。

液晶采用北京青云創(chuàng )新科技公司生產(chǎn)的LCM103顯示模塊，這是10位8段液晶顯示模塊，顯示控制電路如圖3所示，單片機通過(guò)控制液晶顯示模塊的/CS、/WR、DATA信號就可達到好的顯示效果。

圖3 液晶顯示電路

A/D、D/A轉換電路

作為測量?jì)x器儀表的基本功能，擴展了對外的A/D和 D/A電路，A/D采用MAXIM公司的單5V電源供電、低功耗、12位模數轉換器MAX187、D/A采用MAXIM公司的單5V電源供電、低功耗、12位數模轉換器MAX539,A/D、D/A的接口電路如圖4所示。

圖4 A/D、D/A與單片機的接口電路

由于D/A和A/D電路體積小、功耗低，分辨率也能滿(mǎn)足一定的要求，特別適合網(wǎng)絡(luò )嵌入式網(wǎng)絡(luò )終端。A/D轉換用于對經(jīng)分壓后的外部交直流電壓信號進(jìn)行幅度和頻率測量。D/A轉換用來(lái)產(chǎn)生模擬信號的輸出，以適應一些應用的需要。

結語(yǔ)

基于Internet的網(wǎng)絡(luò )虛擬儀表系統把Internet技術(shù)、電量測量技術(shù)、虛擬儀表技術(shù)、數據庫管理技術(shù)等相結合，利用Internet直接實(shí)現遠程虛擬儀表的測量及控制，將從嵌入式終端采集來(lái)的電量數據，通過(guò)虛擬儀表主機的控制軟件對采集來(lái)的數據進(jìn)行計算、分析、處理、圖形或數字顯示、數據管理，并將分析后的結果回傳給終端。不同于傳統的RS-232串行通信的上、下位機方式和局域網(wǎng)的現場(chǎng)總線(xiàn)方式，利用現有的Internet能實(shí)現千里之外的信號測量及控制，具有完全儀表化操作界面，實(shí)踐證明，Internet的遠程虛擬儀表是完全可行的。