電腦以太網(wǎng)技術(shù)在電子衡器中的應(yīng)用

       網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為使用zui廣泛的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，以太網(wǎng)出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年了，由于它的性能價格比高，容易普及，目前企事業(yè)用戶的90%以上都采用以太網(wǎng)接入，在我國的大部分局域網(wǎng)也都采用以太網(wǎng)技術(shù)，以太網(wǎng)已成為企事業(yè)單位的主導(dǎo)接入方式，采用以太網(wǎng)作為企事業(yè)的主導(dǎo)接入方式的主要原因是已有的巨大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和長期的經(jīng)驗知識。但是電子衡器通訊發(fā)展到現(xiàn)在，大都采用一些局部系統(tǒng)的總線進行通訊，如RS232、RS485，而沒有提供以太口通過TCP/IP協(xié)議進行以太網(wǎng)通訊。在當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)時代，電子衡器沒有以太口，其價值將大打折扣，為此，我們借助以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS，并將TCP/IP協(xié)議嵌入到電子衡器中實現(xiàn)了電子衡器與上位機的以太網(wǎng)通訊。

    1、TCP/IP協(xié)議：TCP/IP協(xié)議即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是世界標準的協(xié)議組，它是為跨越局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境的大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的。從體系結(jié)構(gòu)來看，TCP/IP基于四層參考模型，它是OSI七層模型的簡化。如圖1所示。TCP/IP模型的每一層都對應(yīng)于標準組織 （ISO）提議的七層“開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）”參考模型的一層或多層。

    下面結(jié)合本系統(tǒng)就四層結(jié)構(gòu)做一個簡單的介紹。
    （1）鏈路層
    本層是zui底層協(xié)議，控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機器間的數(shù)據(jù)傳輸。在本電子衡器系統(tǒng)中由單片機控制以太網(wǎng)芯片RTL8019AS實現(xiàn)。
    （2）網(wǎng)絡(luò)層
    本層實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)到相鄰網(wǎng)絡(luò)上的任一主機，該層對應(yīng)于IP層協(xié)議及附屬協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層用ICMP協(xié)議來實現(xiàn)與其他主機或路由器交換錯誤報文和其他信息，并用ARP協(xié)議實現(xiàn)從IP地址到數(shù)據(jù)鏈路層的映射。
    （3）傳輸層
    傳輸層為兩臺主機上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。傳輸層要定義明確的端口，通常有兩個不同的傳輸層協(xié)議：傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP。本電子衡器系統(tǒng)采用TCP。
    （4）應(yīng)用層
    應(yīng)用層要有一個比較清晰的會話過程，如通常所說的Http、Ftp、net等。在本系統(tǒng)中，主要是為傳輸層提供應(yīng)用數(shù)據(jù)。
    TCP/IP是一個協(xié)議族，即一組不同層次上的多個協(xié)議的組合，主要有ARP協(xié)議，IP協(xié)議，ICMP協(xié)議，TCP協(xié)議，它通常具有四層，每一層負責(zé)不同的功能，由于協(xié)議比較復(fù)雜，而單片機的程序空間有限，運行速度相對PC機較慢，因此要把TCP/IP協(xié)議嵌入到單片機中，必須把協(xié)議*行簡化，本系統(tǒng)采用uIP TCP/IP協(xié)議棧的0.6版。

    2、帶以太網(wǎng)接口的電子衡器電路框圖
    硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，稱重傳感器的重量信號經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，單片機把輸入信號處理后存儲到特定存儲單元，存儲單元的數(shù)據(jù)可以顯示，打印，也可以通過以太網(wǎng)上傳到后臺上位機，上位機的數(shù)據(jù)也可以通過以太網(wǎng)下載到電子衡器的存儲單元；以太網(wǎng)控制芯片采用RealTek的RTL8019AS；LT—2006是網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，在RTL8019的前端對網(wǎng)絡(luò)信號進行脈沖波形變換。

    3、帶以太網(wǎng)接口的電子衡器工作原理
    3.1 以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS
    以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS是10M ISA總線的以太網(wǎng)控制芯片，含16K字節(jié)的RAM，并且提供8位和16位兩種接口單片機對以太網(wǎng)控制芯片的控制就是對片內(nèi)寄存器進行讀寫，熟悉片內(nèi)寄存器的特點是很重要的。RT8019AS與單片機兼容8位和16位操作，若電子衡器的CPU 是51系列單片機，則選擇8位方式連接。輸入輸出地址32個，地址偏移量為00H-1FH，其中00H-0FH共16個地址，為寄存器地址；10H-17H共8個地址，為DMA地址（8位操作模式時只要選其中一個）；18H-1FH共8個地址，為復(fù)位端口（8位操作模式只要選其中一個即可）。寄存器共有4頁，每頁16個，頁碼由CR寄存器（地址偏移量為00H）的PS1和PS0位決定，系統(tǒng)常用到的部分寄存器（括號中是頁碼—偏移地址）如下：
    CR（0+00H）：命令寄存器，第7、6位用來選擇寄存器頁，共四頁；第5、4、3位代表要執(zhí)行的功能，如001為讀RTL8019AS內(nèi)存，010為寫RTL8019AS內(nèi)存，011為發(fā)送TTL8019AS數(shù)據(jù)包，1**為完成或結(jié)束DMA的讀寫操作；第2位寫入1時發(fā)送數(shù)據(jù)包，發(fā)完自動清零；第1、0位為10時啟動命令，為01時停止命令。
    Pstart（0—01H）:接收緩沖區(qū)的起始頁的地址；
    Pstop（0—02H）:接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁地址；
    BNRY （0—03H）：指向zui后一個已經(jīng)讀取的頁；
    RCR（0—0CH）：接收配置寄存器,本系統(tǒng)設(shè)置為接收緩沖區(qū)，僅接收是自己地址的數(shù)據(jù)包和多點播送地址包，小于64字節(jié)的包丟棄，校驗錯的數(shù)據(jù)包不接收；
    TCR（0—0dH）:發(fā)送配置寄存器，啟用后自動生成CRC校驗；
    DCR（0—0eH）:數(shù)據(jù)配置寄存器，本系統(tǒng)設(shè)置為使用FIFO緩存，普通模式，8位數(shù)據(jù)傳輸模式，字節(jié)順序為高字節(jié)在前，低字節(jié)在后；
    IMR（0—0fh）: 中斷屏蔽寄存器，由于本系統(tǒng)未用中斷，設(shè)置為00H，屏蔽所有的中斷；
    TPSR（1—04H）：發(fā)送頁的起始地址；
    CURR（1—07H） ：當(dāng)前的接收結(jié)束頁地址；
    電子衡器系統(tǒng)把以太網(wǎng)控制芯片設(shè)置為跳線模式，而不是即插即用模式，因為單片機資源有限，要盡量減少操作。發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包存入發(fā)送緩沖區(qū)，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長度（寫入TPSR、TBCR0和TBCR1），啟動發(fā)送命令即可實現(xiàn)以太網(wǎng)控制芯片發(fā)送功能；接收數(shù)據(jù)時，單片機通過讀取有關(guān)狀態(tài)寄存器（CURR和BNRY）判斷是否有數(shù)據(jù)接收在以太網(wǎng)控制芯片的接收緩沖區(qū)，如果有，依次讀取數(shù)據(jù)到單片機的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，當(dāng)以太網(wǎng)控制芯片接收緩沖區(qū)溢出時清ISR。
    3.2 uIP TCP/IP棧
    uIP TCP/IP棧是使用于低至8位或16位微處理器的嵌入式系統(tǒng)的一個極輕型的TCP/IP協(xié)議棧，它實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議組的四個基本協(xié)議：ARP 協(xié)議、IP 協(xié)議、 ICMP 協(xié)議 和 TCP 協(xié)議。uIP TCP/IP棧由瑞典單片機專家Adam Dunkels編寫，是一個免費的TCP/IP棧，還有，它使用C語言編程，可以方便地應(yīng)用到電子衡器中。uIP的實現(xiàn)目標是保持代碼大小和儲存器使用量zui小?，F(xiàn)時，uIP代碼的大小和RAM的需求比其它的TCP/IP棧要小，但是uIP與其它TCP/IP棧不同，它的重發(fā)工作需要應(yīng)用程序的幫助。其它TCP/IP棧RAM中存儲著傳輸數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)被確認已成功發(fā)送才釋放RAM空間。如果數(shù)據(jù)需要重傳，堆棧在沒有通知應(yīng)用程序下監(jiān)視著重傳工作，在等待確認的過程期間，數(shù)據(jù)必須緩存在RAM里。uIP利用應(yīng)用程序可以快速重新生成數(shù)據(jù)的特點，在等待數(shù)據(jù)確認的過程中，RAM中不必緩存數(shù)據(jù)，而是等確認不成功信號到達時由應(yīng)用程序重新快速生成數(shù)據(jù)。例如，一個HTTP服務(wù)器服務(wù)的大部分是ROM里的靜態(tài)和半靜態(tài)頁，不需要在RAM里緩存靜態(tài)內(nèi)容，所以，如果一個包丟失了，HTTP服務(wù)器可以容易地從ROM里重生數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)簡單地從原先的位置讀回來。
    3.3 電子衡器的通訊控制
    把uIP TCP/IP協(xié)議棧嵌入到電子衡器中，單片機復(fù)位后讀取本機IP地址和物理地址以初始化網(wǎng)絡(luò)。通訊過程中，當(dāng)有數(shù)據(jù)從RJ45傳來，單片機通過驅(qū)動程序接收數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，然后對數(shù)據(jù)包進行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)入ARP處理程序。如果是IP數(shù)據(jù)包且符合TCP協(xié)議，端口正確，則認為數(shù)據(jù)包正確，數(shù)據(jù)包解包后，將數(shù)據(jù)部分存儲到存儲單元。當(dāng)系統(tǒng)有數(shù)據(jù)要向遠端IP發(fā)送時，系統(tǒng)將向遠端IP 和遠端端口發(fā)起主動TCP 連接，如果連接成功，將要傳送的數(shù)據(jù)封裝成以太包，存儲到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后通過驅(qū)動程序把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果主動或被動建立起連接后持續(xù)若干時間系統(tǒng)沒有收到任何數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)將主動中斷此次連接。

    4、結(jié)束語
    把TCP/IP協(xié)議嵌入到電子衡器中，可實現(xiàn)電子衡器和上位機的以太網(wǎng)通訊，具有傳輸速度快、使用方便等優(yōu)點，為電子衡器與上位機通訊提供了一種新的方案，有著廣泛的應(yīng)用前景。