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基于RTL8019AS的串口与以太网接口转换器
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引言
随着互联网应用的日益普及，信息共享程度的不断提高，以单片机为中心的数据采集、检测控制等系统接入网络共享信息已成为一种趋势，传统的互联网的应用正从以PC机为中心的时代逐渐转到以单片机系统为中心的时代。
但是，目前在工业控制领域，单片机系统主要通过RS-232、RS-485和CAN总线协议通信，它们无法直接于互联网连接，因此，系统处于与互联网隔绝的状态。这些系统广泛采用低成本的8位单片机，而这种单片机一般只具有RS-232异步串行通信接口，要想接入互联网必须进行通信接口改造，这种改造不仅是接口的物理改造，关键是数据格式的改造和通信协议的转换。因此，本文提出一种RS-232串行通信接口与RJ45以太网接口转换器的设计方案，已有的单片机系统可以通过该转换器接入以太网，进一步接入互联网，这种方案对研发嵌入式网络系统也有借鉴作用。
1转换器的总体结构和工作过程
RS-232串口与RJ45网络接口转换器由控制单元、网络接口单元、电源单元组成，总体结构见图1。其中，控制单元负责数据的收发和数据格式的转换，其核心是单片机；网络接口单元完成数据以太网帧格式的封装和拆封以及信号的变换；电源单元为控制单元和网络接口单元提供电源。
单片机系统具有标准的RS-232串行异步通信接口，若要通过转换器接入互联网，一般首先接入局域网，局域网基本采用以太网，再通过以太网接人互联网。因此，本文提出的转换器的网络接口采用以太网的RJ45接口。如图2所示。
若数据从单片系统发送到互联网，则单片机系统发送的异步串行数据帧经过转换器后，把数据帧转换成以太网数据帧，然后上传到互联网；反之亦然。
2硬件设计
2.1控制单元
该单元由单片机、存储器和锁存器等电路组成，如图3所示。
单片机采用台湾Winbond公司的8位MCU(微控制器)W78E51，该芯片内部有32kB的大容量程序存储器，同时提供ISP在线编程功能，方便程序调试以及软件升。由于W78E51单片机片内RAM十分有限，为了完成数据包的接收和处理，在使用过程中为W78E51扩展一片62256外部数据存储器，临时存储以太网发来的数据帧和RS-232发来的数据，其片选信号／CE连接78E51的P2.7口，／OE和／WE分别连接78E51的／RD和／WR，存储器62256占用单片机的外部数据地址空间0000H～7FFFH，共32 kB；电平转换芯片MAX232外接少量元件就可实现TTL电平与RS-232电平的转换。
2.2网络接口单元
网络控制单元由以太网控制器、存储器和耦合隔离变压器等组成，如图4所示。
网络控制器采用RTL8019AS，它是REALTEK公司生产的高集成度专用以太网接口芯片，支持PNP自动探测，内嵌16 kB的SRAM，具有全双工的通信接口。RTL8019AS是针对ISA总线而设计的，用于实现网络的物理层协议，主要包括网络控制器与网络电缆的物理连接、MAC(介质访问控制)、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编／解码和数据的串／并转换；RTL8019AS的数据包发送／接收过程通过2个DMA操作来完成。本地DMA完成RTL8019As与片内FIFO队列之间的数据传送，作用是完成控制器和网络线的数据交换；远程DMA完成RTL8019AS与外部处理器之间的数据传送。
由于RTL8019AS工作于跳线模式，且IOS0、IOS3接高电平，IOS1、IOS2接低电平，决定了RTL8019AS的I／O基地址为240H，单片机W78E51是靠地址总线和读写总线对RTL8019AS进行操作的，因此把RTL8019AS地址总线的SA0～SA4和SA6分别与单片机地址总线ADDR8～ADDR12和ADDR15相连，SA9接高电平，SA5、SA7、SA8和SA10～SA19全部接地，RTL8019AS的I／O基地址240H映射到单片机地址的8000H，这样W78E51对片外数据存储器8000H的访问就可实现对RTL8019AS基址的操作。RTL8019AS的数据发送、接收引脚TPOUT-、TPOUT-、FPIN-和FPIN+通过隔离滤波变压器20F-01与以太网RJ45接口相连，耦合隔离变压器主要具有信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等作用。 利用W78E51控制RTL8019AS的各项操作，网络数据流通过RJ45接口进入RTL8019AS的缓冲区，然后经过RTL8019AS处理后被W78E51读入到62256暂存，暂存的数据通过RS-232串口传送到单片机系统或其他设备；在向以太网发送数据时，单片机系统或其他设备经RS-232串口发送数据包至W78E51在62256中开辟的数据缓冲区，然后通过远程DMA操作将组帧后的数据写入RTL8019AS的片SRAM，再经RJ45接口发送至以太网。
2.3电源单元
为简化转换器的结构和成本，电源外置，采用两种方式供电，一种是采用USB电源供电，另一种是采用+5 V通用电源器供电。转换器设计了两种电源接口。
3程序流程
程序流程如图5所示。
转换器上电复位后，主程序进入检测以太网数据包的状态，分析接收到的数据包类型做出相应的处理；若单片机系统有数据发送给转换器，则转换器进入串行口中断服务程序，处理接收的串行数据包。
4结束语
该转换器成功应用于某煤矿风机监测系统的改造项目上。改造前，只有与风机检测单片机系统连接的计算机能观测该风机的运行状态，改造后，只要接入矿区局域网的计算机都可以观测到风机的运行状态。
虽然该转换器基本上实现了单片机系统与以太网的通信，但是转换器的功能比较简单，若能把http协议嵌入到转换器，通过Web的方式通信会更好。
随着互联网应用的日益普及，信息共享程度的不断提高，以单片机为中心的数据采集、检测控制等系统接入网络共享信息已成为一种趋势，传统的互联网的应用正从以PC机为中心的时代逐渐转到以单片机系统为中心的时代。
但是，目前在工业控制领域，单片机系统主要通过RS-232、RS-485和CAN总线协议通信，它们无法直接于互联网连接，因此，系统处于与互联网隔绝的状态。这些系统广泛采用低成本的8位单片机，而这种单片机一般只具有RS-232异步串行通信接口，要想接入互联网必须进行通信接口改造，这种改造不仅是接口的物理改造，关键是数据格式的改造和通信协议的转换。因此，本文提出一种RS-232串行通信接口与RJ45以太网接口转换器的设计方案，已有的单片机系统可以通过该转换器接入以太网，进一步接入互联网，这种方案对研发嵌入式网络系统也有借鉴作用。
1转换器的总体结构和工作过程
RS-232串口与RJ45网络接口转换器由控制单元、网络接口单元、电源单元组成，总体结构见图1。其中，控制单元负责数据的收发和数据格式的转换，其核心是单片机；网络接口单元完成数据以太网帧格式的封装和拆封以及信号的变换；电源单元为控制单元和网络接口单元提供电源。
单片机系统具有标准的RS-232串行异步通信接口，若要通过转换器接入互联网，一般首先接入局域网，局域网基本采用以太网，再通过以太网接人互联网。因此，本文提出的转换器的网络接口采用以太网的RJ45接口。如图2所示。
若数据从单片系统发送到互联网，则单片机系统发送的异步串行数据帧经过转换器后，把数据帧转换成以太网数据帧，然后上传到互联网；反之亦然。
2硬件设计
2.1控制单元
该单元由单片机、存储器和锁存器等电路组成，如图3所示。
单片机采用台湾Winbond公司的8位MCU(微控制器)W78E51，该芯片内部有32kB的大容量程序存储器，同时提供ISP在线编程功能，方便程序调试以及软件升。由于W78E51单片机片内RAM十分有限，为了完成数据包的接收和处理，在使用过程中为W78E51扩展一片62256外部数据存储器，临时存储以太网发来的数据帧和RS-232发来的数据，其片选信号／CE连接78E51的P2.7口，／OE和／WE分别连接78E51的／RD和／WR，存储器62256占用单片机的外部数据地址空间0000H～7FFFH，共32 kB；电平转换芯片MAX232外接少量元件就可实现TTL电平与RS-232电平的转换。
2.2网络接口单元
网络控制单元由以太网控制器、存储器和耦合隔离变压器等组成，如图4所示。
网络控制器采用RTL8019AS，它是REALTEK公司生产的高集成度专用以太网接口芯片，支持PNP自动探测，内嵌16 kB的SRAM，具有全双工的通信接口。RTL8019AS是针对ISA总线而设计的，用于实现网络的物理层协议，主要包括网络控制器与网络电缆的物理连接、MAC(介质访问控制)、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编／解码和数据的串／并转换；RTL8019AS的数据包发送／接收过程通过2个DMA操作来完成。本地DMA完成RTL8019As与片内FIFO队列之间的数据传送，作用是完成控制器和网络线的数据交换；远程DMA完成RTL8019AS与外部处理器之间的数据传送。
由于RTL8019AS工作于跳线模式，且IOS0、IOS3接高电平，IOS1、IOS2接低电平，决定了RTL8019AS的I／O基地址为240H，单片机W78E51是靠地址总线和读写总线对RTL8019AS进行操作的，因此把RTL8019AS地址总线的SA0～SA4和SA6分别与单片机地址总线ADDR8～ADDR12和ADDR15相连，SA9接高电平，SA5、SA7、SA8和SA10～SA19全部接地，RTL8019AS的I／O基地址240H映射到单片机地址的8000H，这样W78E51对片外数据存储器8000H的访问就可实现对RTL8019AS基址的操作。RTL8019AS的数据发送、接收引脚TPOUT-、TPOUT-、FPIN-和FPIN+通过隔离滤波变压器20F-01与以太网RJ45接口相连，耦合隔离变压器主要具有信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等作用。 利用W78E51控制RTL8019AS的各项操作，网络数据流通过RJ45接口进入RTL8019AS的缓冲区，然后经过RTL8019AS处理后被W78E51读入到62256暂存，暂存的数据通过RS-232串口传送到单片机系统或其他设备；在向以太网发送数据时，单片机系统或其他设备经RS-232串口发送数据包至W78E51在62256中开辟的数据缓冲区，然后通过远程DMA操作将组帧后的数据写入RTL8019AS的片SRAM，再经RJ45接口发送至以太网。
2.3电源单元
为简化转换器的结构和成本，电源外置，采用两种方式供电，一种是采用USB电源供电，另一种是采用+5 V通用电源器供电。转换器设计了两种电源接口。
3程序流程
程序流程如图5所示。
转换器上电复位后，主程序进入检测以太网数据包的状态，分析接收到的数据包类型做出相应的处理；若单片机系统有数据发送给转换器，则转换器进入串行口中断服务程序，处理接收的串行数据包。
4结束语
该转换器成功应用于某煤矿风机监测系统的改造项目上。改造前，只有与风机检测单片机系统连接的计算机能观测该风机的运行状态，改造后，只要接入矿区局域网的计算机都可以观测到风机的运行状态。
虽然该转换器基本上实现了单片机系统与以太网的通信，但是转换器的功能比较简单，若能把http协议嵌入到转换器，通过Web的方式通信会更好。
