基于RTL8019AS的串口與以太網(wǎng)接口轉換器

　　0引言

　　隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)應用的日益普及，信息共享程度的不斷提高，以單片機為中心的數據采集、檢測控制等系統接入網(wǎng)絡(luò )共享信息已成為一種趨勢，傳統的互聯(lián)網(wǎng)的應用正從以PC機為中心的時(shí)代逐漸轉到以單片機系統為中心的時(shí)代。

　　但是，目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，單片機系統主要通過(guò)RS-232、RS-485和CAN總線(xiàn)協(xié)議通信，它們無(wú)法直接于互聯(lián)網(wǎng)連接，因此，系統處于與互聯(lián)網(wǎng)隔絕的狀態(tài)。這些系統廣泛采用低成本的8位單片機，而這種單片機一般只具有RS-232異步串行通信接口，要想接入互聯(lián)網(wǎng)必須進(jìn)行通信接口改造，這種改造不僅是接口的物理改造，關(guān)鍵是數據格式的改造和通信協(xié)議的轉換。因此，本文提出一種RS-232串行通信接口與RJ45以太網(wǎng)接口轉換器的設計方案，已有的單片機系統可以通過(guò)該轉換器接入以太網(wǎng)，進(jìn)一步接入互聯(lián)網(wǎng)，這種方案對研發(fā)嵌入式網(wǎng)絡(luò )系統也有借鑒作用。

　　1轉換器的總體結構和工作過(guò)程

　　RS-232串口與RJ45網(wǎng)絡(luò )接口轉換器由控制單元、網(wǎng)絡(luò )接口單元、電源單元組成，總體結構見(jiàn)圖1。其中，控制單元負責數據的收發(fā)和數據格式的轉換，其核心是單片機；網(wǎng)絡(luò )接口單元完成數據以太網(wǎng)幀格式的封裝和拆封以及信號的變換；電源單元為控制單元和網(wǎng)絡(luò )接口單元提供電源。

        
 
　　單片機系統具有標準的RS-232串行異步通信接口，若要通過(guò)轉換器接入互聯(lián)網(wǎng)，一般首先接入局域網(wǎng)，局域網(wǎng)基本采用以太網(wǎng)，再通過(guò)以太網(wǎng)接人互聯(lián)網(wǎng)。因此，本文提出的轉換器的網(wǎng)絡(luò )接口采用以太網(wǎng)的RJ45接口。如圖2所示。
 
       

　　若數據從單片系統發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，則單片機系統發(fā)送的異步串行數據幀經(jīng)過(guò)轉換器后，把數據幀轉換成以太網(wǎng)數據幀，然后上傳到互聯(lián)網(wǎng)；反之亦然。

　　2硬件設計

　　2.1控制單元

　　該單元由單片機、存儲器和鎖存器等電路組成，如圖3所示。

        
 
　　單片機采用臺灣Winbond公司的8位MCU(微控制器)W78E51，該芯片內部有32kB的大容量程序存儲器，同時(shí)提供ISP在線(xiàn)編程功能，方便程序調試以及軟件升。由于W78E51單片機片內RAM十分有限，為了完成數據包的接收和處理，在使用過(guò)程中為W78E51擴展一片62256外部數據存儲器，臨時(shí)存儲以太網(wǎng)發(fā)來(lái)的數據幀和RS-232發(fā)來(lái)的數據，其片選信號／CE連接78E51的P2.7口，／OE和／WE分別連接78E51的／RD和／WR，存儲器62256占用單片機的外部數據地址空間0000H～7FFFH，共32 kB；電平轉換芯片MAX232外接少量元件就可實(shí)現TTL電平與RS-232電平的轉換。

　　2.2網(wǎng)絡(luò )接口單元

　　網(wǎng)絡(luò )控制單元由以太網(wǎng)控制器、存儲器和耦合隔離變壓器等組成，如圖4所示。

        
 
　　網(wǎng)絡(luò )控制器采用RTL8019AS，它是REALTEK公司生產(chǎn)的高集成度專(zhuān)用以太網(wǎng)接口芯片，支持PNP自動(dòng)探測，內嵌16 kB的SRAM，具有全雙工的通信接口。RTL8019AS是針對ISA總線(xiàn)而設計的，用于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的物理層協(xié)議，主要包括網(wǎng)絡(luò )控制器與網(wǎng)絡(luò )電纜的物理連接、MAC(介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制)、數據幀的拆裝、幀的發(fā)送與接收、錯誤校驗、數據信號的編／解碼和數據的串／并轉換；RTL8019AS的數據包發(fā)送／接收過(guò)程通過(guò)2個(gè)DMA操作來(lái)完成。本地DMA完成RTL8019As與片內FIFO隊列之間的數據傳送，作用是完成控制器和網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)的數據交換；遠程DMA完成RTL8019AS與外部處理器之間的數據傳送。

　　由于RTL8019AS工作于跳線(xiàn)模式，且IOS0、IOS3接高電平，IOS1、IOS2接低電平，決定了RTL8019AS的I／O基地址為240H，單片機W78E51是靠地址總線(xiàn)和讀寫(xiě)總線(xiàn)對RTL8019AS進(jìn)行操作的，因此把RTL8019AS地址總線(xiàn)的SA0～SA4和SA6分別與單片機地址總線(xiàn)ADDR8～ADDR12和ADDR15相連，SA9接高電平，SA5、SA7、SA8和SA10～SA19全部接地，RTL8019AS的I／O基地址240H映射到單片機地址的8000H，這樣W78E51對片外數據存儲器8000H的訪(fǎng)問(wèn)就可實(shí)現對RTL8019AS基址的操作。RTL8019AS的數據發(fā)送、接收引腳TPOUT-、TPOUT-、FPIN-和FPIN+通過(guò)隔離濾波變壓器20F-01與以太網(wǎng)RJ45接口相連，耦合隔離變壓器主要具有信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、雜波抑制以及高電壓隔離等作用。 利用W78E51控制RTL8019AS的各項操作，網(wǎng)絡(luò )數據流通過(guò)RJ45接口進(jìn)入RTL8019AS的緩沖區，然后經(jīng)過(guò)RTL8019AS處理后被W78E51讀入到62256暫存，暫存的數據通過(guò)RS-232串口傳送到單片機系統或其他設備；在向以太網(wǎng)發(fā)送數據時(shí)，單片機系統或其他設備經(jīng)RS-232串口發(fā)送數據包至W78E51在62256中開(kāi)辟的數據緩沖區，然后通過(guò)遠程DMA操作將組幀后的數據寫(xiě)入RTL8019AS的片SRAM，再經(jīng)RJ45接口發(fā)送至以太網(wǎng)。

　　2.3電源單元

　　為簡(jiǎn)化轉換器的結構和成本，電源外置，采用兩種方式供電，一種是采用USB電源供電，另一種是采用+5 V通用電源器供電。轉換器設計了兩種電源接口。

　　3程序流程

　　程序流程如圖5所示。

        
 
　　轉換器上電復位后，主程序進(jìn)入檢測以太網(wǎng)數據包的狀態(tài)，分析接收到的數據包類(lèi)型做出相應的處理；若單片機系統有數據發(fā)送給轉換器，則轉換器進(jìn)入串行口中斷服務(wù)程序，處理接收的串行數據包。

　　4結束語(yǔ)

　　該轉換器成功應用于某煤礦風(fēng)機監測系統的改造項目上。改造前，只有與風(fēng)機檢測單片機系統連接的計算機能觀(guān)測該風(fēng)機的運行狀態(tài)，改造后，只要接入礦區局域網(wǎng)的計算機都可以觀(guān)測到風(fēng)機的運行狀態(tài)。

　　雖然該轉換器基本上實(shí)現了單片機系統與以太網(wǎng)的通信，但是轉換器的功能比較簡(jiǎn)單，若能把http協(xié)議嵌入到轉換器，通過(guò)Web的方式通信會(huì )更好。