基于单片机的串口协议网络化设计
1 硬件结构和电路设计
1.1 总体设计
整个系统设计采用atmel公司8位通用微控制器at89c51作为主处理器，驱动realtek公司的10m以太网控制芯片rtl8019as,实现串口数据和外部网络互连。
1.2 网卡接线设计
rtl8019as为100管脚pqfp封装，工作电压5v。其接线原理图如图1所示。地址sa0-4接到单片机p2的低五位上；sa8和sa9接电源；其余sa5-7,sa10-19这13个管脚全部接地；iorb和iowb分别接单片机的读写信号端；rstdrv接到p1.2上；8位数据sd0-7按顺序接到单片机p0.020.7脚；tpout+和ptout-是发送管脚对，连接到rj45口的发送脚1和2;而tpin+和tpin-则是接收管脚对，连接到rj45口的接收脚3和6;管脚x1和x2之间接20m的晶振及接地电容；led0和led1分别串接发光二极管和1k8电阻，连到5v电源上；iocs16b管脚串接27k8电阻接地；管脚bd0-3（ios0-3）是负责定义基地址位置的，全部悬空，作为0输入。
led0默认表示通信冲突col,led1表示接收数据包。发送对和接收对不能直接接到rj45插头上，要通过隔离电压模块（选用20f-01）和rj45相连。网卡有16bit数据线，可以使用16bit或8bit模式传送数据，使iocs16b管脚为低，我们选中的是8bit模式。
1.3 串行接口部分
1串口部分采用max232和9针串口。单片机p3.0/rxd0和p3.0/rxd0通过max232芯片分别接到串口的2针和3针上。串口5针接地。
串行口选择工作方式1,这时的波特率计算公式为：
串口在9600波特率时，晶振选用11.0592m,预设值算得0xfd,smod=0;晶振选用16mhz,预设值为0xf7,smod=1。
2 网卡的初始化和工作过程
2.1 网卡芯片rtl8019as的控制方法
控制网卡芯片rtl8019as是通过读写芯片上的32个字节的控制寄存器组实现的。另外该芯片含有16kbyte的ram,地址为0x400020x7fff。这些ram不能通过单片机直接寻址，必须通过32个字节的控制寄存器组，以dma方式读写它们。
32个字节的控制寄存器组可以由单片机直接寻址，但其基地址是通过管脚bd0-3（ios0-3）配置的。电路中将四个管脚全部悬空，全0输入，产品资料说明其基地址为300h。
这32个字节的控制寄存器组分成4页，00h寄存器称为commandregister（cr），cr的最高两位代表目前寄存器处于哪一页。01h到0fh在不同的页有不同的意义，同时，即使同一页，读和写代表的意义也可能不同，这一点很值得注意。10h217h是远程dma端口，而18h-1fh是网卡复位端口。
2.2 dma数据通道
rtl8019as内部划分为远程dma（remotedma）通道和本地dma（localdma）通道两个部分。本地dma完成控制器与网线的数据交换，远程dma完成主处理器与网卡数据交换。单片机主处理器收发数据只需对远程dma操作。接收数据时，rtl8019as接收到的数据通过mac比较、crc校验后，由fifo存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器，主处理器通过远程dma通道将其读出。当主处理器要向以太网发送数据时，先将一帧数据通过远程dma通道送到rtl8019as中的发送缓存区，然后发出传送命令；rtl8019as在完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发送。
所谓的dma就是直接内存访问（directmem2oryaccess）。普通的寻址方式是给出一个地址，然后取出对应的值。而在dma方式下，我们指定一个寄存器地址，主机只要反复地读取或写入这个地址，就可以取出或写入大量的数据。网卡指定的远程dma端口就是这个用途。设置好起始地址和读出的byte数后，我们反复读远程dma端口，就可以将网卡里从网线收到的数据包，从0x400020x7fff的ram区读出；反之，同样设置好起始地址和写入的byte数后，我们反复写远程dma端口，就可以将数据发送到网卡的发送缓冲ram中，然后发出发送的命令，就可以把数据包发送到网线中。
2.3 网卡的初始化过程
复位，使rstdrv先高后低，注意每一步都要有100ms的延时，以确保复位成功。然后进行热复位，就是先后读、写网卡复位端口。
使cr=0x21,停止芯片运行，选择页面0。
使rbcr1=0;rbcr0=0,将远程dma操作的传输字节数清零。
使pstart=0x46;pstop=0x80;bnry=0x46,设置接收开始页面、结束页面和边界页面。
使imr=0x0,清除中断屏蔽寄存器。
使rcr=0x08+0x04,设置接收配置寄存器，允许接收多址和广播报文。
使tcr=0,设置发送配置寄存器，使用默认配置。
使dcr=0x80+0x40+0x00,设置数据配置寄存器，选择字节dma。
使isr=-1,设置中断状态寄存器，清除所有已有中断。
使用dma方式，从0000h2000bh中取得本网卡mac地址。注意，mac地址每个byte都是重复一遍存放的，所以只要取单数1、3、5等byte就可以了。
使cr=0x61,选择页面1。
将刚才取得的mac地址放入par0-5中。网卡检查接收到的包是否和par里mac值匹配，然后决定收下或丢弃。所以，也可以任意设置这个par值，来伪造自己的mac值。
将mar02mar7全部设为0xff,允许接收所有的多址数据包。
使curr=0x47,设置当前接收页面为0x47。
使cr=0x22,启动网卡芯片，开始接收和发送过程。
2.4 网卡工作接收和发送过程
网卡ram是以256byte为一页，是按页存储的结构，16bit的ram地址高8bit又叫页码。网卡的16k的ram地址从0x400020x7fff,从页0x40到页0x7f,一共有64页。64页被接收和发送数据包用。接收和发送都是以页为最小的单位进行的。接收缓冲区需要定义，剩下的就可以作为发送缓冲区。
接收缓冲区由两个寄存器决定：pstart（pagestartregister）和pstop（pagestopregister）。设置了接收缓冲区之后，这个缓冲区就形成了一个循环队列。控制接收缓冲区的有两个寄存器curr、bnry。curr是网卡写缓冲区的指针，指向当前要写的页；bnry是读指针，指向用户已经读走的页。
bnry不可以超过curr,否则没被用户读取的数据就被覆盖了。用户设置完了curr以后，就不用管它，网卡接收到新的数据后，会自动修改它。用户读出数据后，要修改bnry的值，以通知网卡该数据已经读出了。
网卡ram区如图2所示，我们设置pstart和pstop,就决定了接收区域在46和7f之间，剩下6页作为发送缓冲区，可以满足一次发送容量为1514byte的最大以太网数据包的要求。curr初始值设为47,bnry初始值设为46。当收到新的数据包时（例如3页），网卡将它们依次放到47、48和49页，curr自动指向4a页。当我们读完这3页的数据包后，要将bnry改为49,以通知网卡数据包已经读完了。
网卡芯片接收到以太网数据包后，存在curr指向的页面中。一个数据包可以占据一页，也可以占据多页。在接收包的包头里，保存有该包的信息。包头格式如表1:
读完这个包头，我们就能知道本包的接收状态，包长度，以及下一个包的位置。在接收循环中，检查中断状态寄存器isr状态，发现有新包来，先读取包头信息，接着按照包头指示读取全包，然后改写bnry,再接着读下一个包，这样循环，直到达到curr位置。注意，一个包有可能占据接收缓冲区的首、尾页面，此时须小心读取。
发送数据包比较简单，将准备好的数据用dma传到发送缓冲区，然后设置发送长度到tbcr1和tbcr0中，再设置传输开始页面，即令tpsr=0x40,最后，使cr=0x26,就开始传送了。
传送完成后要清掉中断状态寄存器isr的发送完成标志。值得注意的是，发送包的包长度不能小于以太网规定的60byte,否则网卡不会将其发出。
3 tcp/ip协议在单片机上的软件设计
3.1 tcpip协议栈和链路层格式
internet上使用的是tcp/ip协议簇，由下至上包含四层：数据链路层、网络层（ip）、传输层（tcp）和应用层。我们在单片机上能实现的是数据链路层的功能，上层协议鉴于单片机有限的资源，只能实现部分功能。tcp/ip协议栈如表2:
数据链路层处于协议栈的最低层，传输以太网的物理传输帧，其帧格式如表3：
数据链路层是所有tcp/ip包的基础，所有它上层的包都被封装到链路层帧的数据段中。链路层就是mac对mac的通信。
3.2 ping命令在单片机上的实现
ping是网络层（ip层）的命令，网络层就是ip对ip之间的通信。主机对一个目标ip地址发出状态请求，后者发出回应，这样，就可以用来检查两者之间的线路是否畅通。这里涉及到两个网络层协议：
arp和icmp。首先，网络中要知道目标ip的mac地址，才能发送数据。为了获取该地址，我们向整个网络发送一个arp广播包，询问该ip对应的mac地址，然后目标ip应答，我们就从应答信息中得到mac地址。其次，发送一个icmp包，请求目标ip状态，目标ip回应，就完成网络连接测试。在我们的实验中，发出ping命令的是网络中的pc主机，接收信号并产生响应的是我们的单片机系统。我们假定单片机系统控制的网卡的ip为192.168.0.176。
第一步，实现arp协议。arp协议是addressresolutionprotocol（地址解析协议）的缩写，它的作用是将ip地址转换成物理地址（就是常说的mac地址）。协议arp的分组格式如表4:
当单片机主处理器处理网卡收到的arp广播请求时，如果发现是请求“192.168.0.176”的mac地址，于是按要求打一个arp应答包，将自己的mac地址放到应答包中，发送回网络就完成了ping的第一步。注意，要在应答包尾加18byte的补丁，否则应答包长度不满足最小60byte的要求。
第二步，实现icmp协议。icmp是“internetcontrolmessageprotocol”（internet控制消息协议）的缩写。用于在ip主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。
icmp是封装在ip协议中，所以有ip包头。
icmp协议结构如表5：
网络主机在收到arp的应答包后，取出其中的mac地址，然后向该mac发出icmp请求。主处理器处理该请求时，将请求包的标识和序列号对应填入icmp应答包，其它部分按要求填写。校验和的计算有成熟的公式，容易计算，只要先把校验和部分置0,将包头的计算结果再填入校验和就可以了。
最后将该icmp应答包送入网络，这样就完成了ping的全过程。此时，发出ping命令的网络主机就会得到“replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msttl=128”的信息。
4 串行数据与网络的数据交换的讨论
网络层之上，有两种传输层协议：tcp（trans2missioncontrolprotocol）和udp（userdatagramprotocol）。对于数据传输要求高的场合，需要使用tcp协议作为双方通信方式，但此种方式较为复杂。而对于一些实时信号及其反向控制信号的传递，实现udp协议就可以满足要求了。表6是udp协议结构：
当原始数据从串口送到到主处理器后，主处理器将其打包成udp报文，发送到网络中。网络端监控主机接收并处理该udp报文，然后将控制信息同样以udp报文发出。主处理器把网络控制信号返回给串口。这样，我们在internet中就可以方便地完成对现场串口数据源的监视和控制过程。
5 结语
因为单片机对于各种电器设备有良好的接入和控制能力，所以，我们实现了单片机的网络接入功能后，就在电器的硬件设备和网络之间建起了一道桥梁。通过它，可以实现对各种实时信号、仪器仪表、家用设施等目标的远程监视，在宏观上对各种设备统一管理，实现人与系统的和谐的交互。这必将大大提高工作效率，改善工作环境，提升人们的生产、生活水平。
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led0默认表示通信冲突col,led1表示接收数据包。发送对和接收对不能直接接到rj45插头上，要通过隔离电压模块（选用20f-01）和rj45相连。网卡有16bit数据线，可以使用16bit或8bit模式传送数据，使iocs16b管脚为低，我们选中的是8bit模式。
1.3 串行接口部分
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串口在9600波特率时，晶振选用11.0592m,预设值算得0xfd,smod=0;晶振选用16mhz,预设值为0xf7,smod=1。
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控制网卡芯片rtl8019as是通过读写芯片上的32个字节的控制寄存器组实现的。另外该芯片含有16kbyte的ram,地址为0x400020x7fff。这些ram不能通过单片机直接寻址，必须通过32个字节的控制寄存器组，以dma方式读写它们。
32个字节的控制寄存器组可以由单片机直接寻址，但其基地址是通过管脚bd0-3（ios0-3）配置的。电路中将四个管脚全部悬空，全0输入，产品资料说明其基地址为300h。
这32个字节的控制寄存器组分成4页，00h寄存器称为commandregister（cr），cr的最高两位代表目前寄存器处于哪一页。01h到0fh在不同的页有不同的意义，同时，即使同一页，读和写代表的意义也可能不同，这一点很值得注意。10h217h是远程dma端口，而18h-1fh是网卡复位端口。
2.2 dma数据通道
rtl8019as内部划分为远程dma（remotedma）通道和本地dma（localdma）通道两个部分。本地dma完成控制器与网线的数据交换，远程dma完成主处理器与网卡数据交换。单片机主处理器收发数据只需对远程dma操作。接收数据时，rtl8019as接收到的数据通过mac比较、crc校验后，由fifo存到接收缓冲区，收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器，主处理器通过远程dma通道将其读出。当主处理器要向以太网发送数据时，先将一帧数据通过远程dma通道送到rtl8019as中的发送缓存区，然后发出传送命令；rtl8019as在完成了上一帧的发送后，再完成此帧的发送。
所谓的dma就是直接内存访问（directmem2oryaccess）。普通的寻址方式是给出一个地址，然后取出对应的值。而在dma方式下，我们指定一个寄存器地址，主机只要反复地读取或写入这个地址，就可以取出或写入大量的数据。网卡指定的远程dma端口就是这个用途。设置好起始地址和读出的byte数后，我们反复读远程dma端口，就可以将网卡里从网线收到的数据包，从0x400020x7fff的ram区读出；反之，同样设置好起始地址和写入的byte数后，我们反复写远程dma端口，就可以将数据发送到网卡的发送缓冲ram中，然后发出发送的命令，就可以把数据包发送到网线中。
2.3 网卡的初始化过程
复位，使rstdrv先高后低，注意每一步都要有100ms的延时，以确保复位成功。然后进行热复位，就是先后读、写网卡复位端口。
使cr=0x21,停止芯片运行，选择页面0。
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使tcr=0,设置发送配置寄存器，使用默认配置。
使dcr=0x80+0x40+0x00,设置数据配置寄存器，选择字节dma。
使isr=-1,设置中断状态寄存器，清除所有已有中断。
使用dma方式，从0000h2000bh中取得本网卡mac地址。注意，mac地址每个byte都是重复一遍存放的，所以只要取单数1、3、5等byte就可以了。
使cr=0x61,选择页面1。
将刚才取得的mac地址放入par0-5中。网卡检查接收到的包是否和par里mac值匹配，然后决定收下或丢弃。所以，也可以任意设置这个par值，来伪造自己的mac值。
将mar02mar7全部设为0xff,允许接收所有的多址数据包。
使curr=0x47,设置当前接收页面为0x47。
使cr=0x22,启动网卡芯片，开始接收和发送过程。
2.4 网卡工作接收和发送过程
网卡ram是以256byte为一页，是按页存储的结构，16bit的ram地址高8bit又叫页码。网卡的16k的ram地址从0x400020x7fff,从页0x40到页0x7f,一共有64页。64页被接收和发送数据包用。接收和发送都是以页为最小的单位进行的。接收缓冲区需要定义，剩下的就可以作为发送缓冲区。
接收缓冲区由两个寄存器决定：pstart（pagestartregister）和pstop（pagestopregister）。设置了接收缓冲区之后，这个缓冲区就形成了一个循环队列。控制接收缓冲区的有两个寄存器curr、bnry。curr是网卡写缓冲区的指针，指向当前要写的页；bnry是读指针，指向用户已经读走的页。
bnry不可以超过curr,否则没被用户读取的数据就被覆盖了。用户设置完了curr以后，就不用管它，网卡接收到新的数据后，会自动修改它。用户读出数据后，要修改bnry的值，以通知网卡该数据已经读出了。
网卡ram区如图2所示，我们设置pstart和pstop,就决定了接收区域在46和7f之间，剩下6页作为发送缓冲区，可以满足一次发送容量为1514byte的最大以太网数据包的要求。curr初始值设为47,bnry初始值设为46。当收到新的数据包时（例如3页），网卡将它们依次放到47、48和49页，curr自动指向4a页。当我们读完这3页的数据包后，要将bnry改为49,以通知网卡数据包已经读完了。
网卡芯片接收到以太网数据包后，存在curr指向的页面中。一个数据包可以占据一页，也可以占据多页。在接收包的包头里，保存有该包的信息。包头格式如表1:
读完这个包头，我们就能知道本包的接收状态，包长度，以及下一个包的位置。在接收循环中，检查中断状态寄存器isr状态，发现有新包来，先读取包头信息，接着按照包头指示读取全包，然后改写bnry,再接着读下一个包，这样循环，直到达到curr位置。注意，一个包有可能占据接收缓冲区的首、尾页面，此时须小心读取。
发送数据包比较简单，将准备好的数据用dma传到发送缓冲区，然后设置发送长度到tbcr1和tbcr0中，再设置传输开始页面，即令tpsr=0x40,最后，使cr=0x26,就开始传送了。
传送完成后要清掉中断状态寄存器isr的发送完成标志。值得注意的是，发送包的包长度不能小于以太网规定的60byte,否则网卡不会将其发出。
3 tcp/ip协议在单片机上的软件设计
3.1 tcpip协议栈和链路层格式
internet上使用的是tcp/ip协议簇，由下至上包含四层：数据链路层、网络层（ip）、传输层（tcp）和应用层。我们在单片机上能实现的是数据链路层的功能，上层协议鉴于单片机有限的资源，只能实现部分功能。tcp/ip协议栈如表2:
数据链路层处于协议栈的最低层，传输以太网的物理传输帧，其帧格式如表3：
数据链路层是所有tcp/ip包的基础，所有它上层的包都被封装到链路层帧的数据段中。链路层就是mac对mac的通信。
3.2 ping命令在单片机上的实现
ping是网络层（ip层）的命令，网络层就是ip对ip之间的通信。主机对一个目标ip地址发出状态请求，后者发出回应，这样，就可以用来检查两者之间的线路是否畅通。这里涉及到两个网络层协议：
arp和icmp。首先，网络中要知道目标ip的mac地址，才能发送数据。为了获取该地址，我们向整个网络发送一个arp广播包，询问该ip对应的mac地址，然后目标ip应答，我们就从应答信息中得到mac地址。其次，发送一个icmp包，请求目标ip状态，目标ip回应，就完成网络连接测试。在我们的实验中，发出ping命令的是网络中的pc主机，接收信号并产生响应的是我们的单片机系统。我们假定单片机系统控制的网卡的ip为192.168.0.176。
第一步，实现arp协议。arp协议是addressresolutionprotocol（地址解析协议）的缩写，它的作用是将ip地址转换成物理地址（就是常说的mac地址）。协议arp的分组格式如表4:
当单片机主处理器处理网卡收到的arp广播请求时，如果发现是请求“192.168.0.176”的mac地址，于是按要求打一个arp应答包，将自己的mac地址放到应答包中，发送回网络就完成了ping的第一步。注意，要在应答包尾加18byte的补丁，否则应答包长度不满足最小60byte的要求。
第二步，实现icmp协议。icmp是“internetcontrolmessageprotocol”（internet控制消息协议）的缩写。用于在ip主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。
icmp是封装在ip协议中，所以有ip包头。
icmp协议结构如表5：
网络主机在收到arp的应答包后，取出其中的mac地址，然后向该mac发出icmp请求。主处理器处理该请求时，将请求包的标识和序列号对应填入icmp应答包，其它部分按要求填写。校验和的计算有成熟的公式，容易计算，只要先把校验和部分置0,将包头的计算结果再填入校验和就可以了。
最后将该icmp应答包送入网络，这样就完成了ping的全过程。此时，发出ping命令的网络主机就会得到“replyfrom192.168.0.176:bytes=32time<10msttl=128”的信息。
4 串行数据与网络的数据交换的讨论
网络层之上，有两种传输层协议：tcp（trans2missioncontrolprotocol）和udp（userdatagramprotocol）。对于数据传输要求高的场合，需要使用tcp协议作为双方通信方式，但此种方式较为复杂。而对于一些实时信号及其反向控制信号的传递，实现udp协议就可以满足要求了。表6是udp协议结构：
当原始数据从串口送到到主处理器后，主处理器将其打包成udp报文，发送到网络中。网络端监控主机接收并处理该udp报文，然后将控制信息同样以udp报文发出。主处理器把网络控制信号返回给串口。这样，我们在internet中就可以方便地完成对现场串口数据源的监视和控制过程。
5 结语
因为单片机对于各种电器设备有良好的接入和控制能力，所以，我们实现了单片机的网络接入功能后，就在电器的硬件设备和网络之间建起了一道桥梁。通过它，可以实现对各种实时信号、仪器仪表、家用设施等目标的远程监视，在宏观上对各种设备统一管理，实现人与系统的和谐的交互。这必将大大提高工作效率，改善工作环境，提升人们的生产、生活水平。
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