嵌入式以太网适配器的研究与设计.docx

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嵌入式以太网适配器的研究与设计

嵌入式以太网适配器的研究与设计

摘要：

随着互联网的普及和以太网的迅速发展，基于以太网的控制设备越来越多，发展也越来越快。

目前，以太网已经广泛地应用于各种计算机网络，通过以太网及TCP/IP协议栈可以使不同的网络控制设备实现互联，交换数据。

为了解决嵌入式设备网络通信的问题，方便嵌入式系统与计算机网络的通信，需要设计一种嵌入式网络适配器。

网络适配器是将计算机、工作站、服务器等设备连接到网络上的通信接口装置。

结合目前以太网技术在嵌入式领域中的应用，本文提出了基于32位单片机PIC32的嵌入式以太网适配器。

该适配器采用Microchip公司生产的ENC624J600以太网控制器作为以太网硬件接口，设计了基于UDP的通信协议来实现可靠的以太网通信。

经试验测试结果表明该嵌入式以太网适配器在稳定性、实时性、速率方面都有良好的表现，特别适用于现有的网络传输系统，在数据采集、数据传输等领域均有广泛的应用前景。

关键词：

网络适配器，TCP/IP协议，PIC32单片机

TheDesignofanEmbeddedEthernetAdaptor

Abstract:

WiththepopularizationofInternetandtherapiddevelopmentofEthernet,Ethernetbasedcontrolequipmentmoreandmore,developingmoreandmorequickly.Atpresent,Ethernethasbeenwidelyappliedtovariouscomputernetwork,viaEthernetandTCP/IPprotocolstackcanmakedifferentnetworkcontrolequipmenttoachieveinterconnection,dataexchange.Inordertosolvetheproblemofnetworkcommunicationofembeddeddevice,convenientforembeddedsystemandcomputernetworkcommunication,needtodesignakindofembeddednetworkadapter.

Anetworkadapterisacomputer,workstation,serverdeviceconnectedtoanetworkcommunicationsinterfacedevice.CombinedwiththecurrentEthernettechnologyinembeddedapplications,basedon32single-chipcomputerPIC32embeddedEthernetadapter.TheadapterisproducedbyMicrochipcompanyENC624J600EthernetcontrollerforEthernethardwareinterface,basedonthedesignoftheUDPcommunicationprotocoltoachievereliableEthernetcommunication.

TestresultsshowthattheembeddedEthernetadapteronthestability,real-time,ratehasgoodperformance,particularlyapplicabletotheexistingnetworktransmissionsystem,thedatacollection,datatransmissionandotherfieldshavebroadapplicationprospects.

Keywords:

Networkadapter，TheTCP/IPprotocol，PIC32microcontroller

1绪论

1.1课题背景介绍

20世纪90年代以后随着现场总线控制技术的逐渐成熟，智能化的现场设备的广泛应用，嵌入式控制器、智能现场测控仪表和传感器等方便地接入了现场总线。

现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。

它的初衷是用数字通讯代替4一20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。

控制专家们纷纷预言:

FCS将成为21世纪控制系统的主流。

然而在控制届对FCS进行概念炒作的时候，却注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一:

8种现场总线经过14年的纷争，最后IEC的现场总线标准化组织经投票，通过以下这8种现场总线成为IEC61158现场总线标准，即:

FFH1，ControlNet，ProfiBus，InterBus，P-Net，WorldFIP,SwiftNet，FF之高速Ethernet即HSE。

这几种现场总线互不兼容，这也使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。

此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps，高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。

又如广泛用于汽车行业的Can总线系统，其最高的传输速率为1Mbps/4O米;这些现场总线受通讯距离制约较大。

由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。

HART是由艾默生提出一个过度性总线标准，他主要是在4～20毫安电流信号上面叠加数字信号，物理层采用BELL202频移键控技术，以实现部分智能仪表的功能，但此协议不是一个真正意义上开放的标准，要加入他的基金会才能拿到协议，加入基金会要一部分的费用。

技术主要被国外几家大公司垄断，近两年国内也有公司再做，但还远远没有达到国外公司的水平。

但从国内来看还没有真正利用其这部分功能，最多只是利用手操器对其进行参数设定，没有发挥出HART智能仪表应有的功能，没有联网进行设备监控。

从长远来看由于HART通信速率低组网困难等原因，HART仪表的采购量会程下滑趋势，但由于HART仪表已经有十多年的历史现在在装数量非常的大，对于一些系统集成商来说还有一定的可利用空间。

RS485网络也是工业网络之一，RS485/MODBUS是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便，传输距离远，而且现在支持RS485的仪表的数量非常的多，特别是在油品行业中RS485/MODBUS简直是一统天下，现在的仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS，原因很简单，像HART仪表想买一个转换口非常困难，而且价格非常昂贵，RS485的转换接口相对而言便宜的多，而且种类繁多。

至少在低端市场RS485/MODBUS还将是最主要的组网方式，近几年内不会有改变。

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。

但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）的通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。

研究表明:

商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～3Oms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。

因此对以太网的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型的针对工业控制领域的以太网一工业以太网。

1.2研究课题的意义

随着互联网的普及和以太网的迅速发展，基于以太网的控制设备越来越多，发展也越来越快。

目前，以太网已经广泛地应用于各种计算机网络，通过以太网及TCP/IP协议栈可以使不同的网络控制设备实现互联，交换数据。

近年来，随着Intrant/Internet等信息技术的飞速发展，传统的以太网开始逐渐进入工业控制领域与传统的现场网络总线相比，将以太网应用于工业控制网络具有一定的优势，主要表现为成本低廉、易于组网、通信速率高、可提供足够带宽（目前最高带宽可达千兆）。

当前工业控制系统中流行的控制方式：

底层设备采用RS485总线结构，而上层的管理层一般采用以太网结构。

该控制方式使信号可以在企业的Intranet上及时发布和共享，还可以在Internet/Intranet的任何位置对现场智能设备进行在线控制、功能组态以及远程诊断等，实现了控制网络真正意义上的开放性和互操作性。

而RS485总线是一种基于平衡发送和差分接收的串行总线，具有很强的抗共模干扰能力，在适当的波特率下传输距离很远。

同时由于其硬件设计简单、控制方便、易于进行网络扩展，被广泛的应用在很多工业现场。

本文所研究的嵌入式以太网适配器，就是要解决嵌入式设备网络通信的问题，方便嵌入式系统与计算机网络的通信，实现RS485总线与以太网的转换，实现远程监控、访问及数据的传输。

特别重要的是，本研究的实施将突破西方发达国家的技术贸易壁垒，填补我国在工业互联网技术研究和产品开发方面的空白，具有十分显著的科技、经济和社会效益。

同时也将对我国在数据采集、数据传输等领域的研究与发展有积极的作用。

1.3以太网简介

以太网（Ethernet）最初源于1975年美国Xerox公司建造的一个2.9Mbit/s的CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）系统，他以无源电缆作为总线来传输数据，在1000M长的电缆上连接100多台计算机，并以曾经在历史上表示传播电磁波的”以太”（Ether）来命名。

严格来讲，Ethernet与CSMA/CD在MAC（介质访问控制）层上采用相同的协议以及极为类似的帧格式，但并不完全相同，只是人们的习惯将IEEE802.3标准即视为Ethernet。

以太网主要针对网络上只传输数据的特点，网络上所有节点访问网络总线的机会均等，为此采用了CSMA/CD介质访问机制。

CSMA/CD的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。

当网络负荷较小的时候，冲突很少发生，因此延迟低;当网络负荷较重的时候，就容易出现冲突，网络性能也随之下降，不能保证数据在预定时间内到达目的节点，通讯实时性无法保证。

以太网支持的传输介质为粗同轴电缆、细同轴电缆、双绞线、光纤等，其最大的优点是简单、经济、易为人们所掌握，因此深受广大用户的欢迎。

随着网络的应用和普及，以太网技术也不断的发展;传输的信息要求从单一的文本数据发展到图、文、声、像等多媒体信息，因此对以太网应用范围、传输实时性等方面的要求急剧增长。

近年来，随着计算机、通讯、网络等信息技术的发展，信息交互的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场，因此，需要建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台，建立以工业控制网络技术为基础的企业信息化系统。

工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运行一线测量与控制、信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转换，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。

与此同时，开放性、分散化和低成本也是工业控制网络应具备的另外3个重要特征。

即工业控制网络应该:

1）具有较好的响应实时性。

工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响应实时性要好，一般为ms级。

2）高可靠性，即能安装在工业控制现场，具有耐冲击、耐振动、耐腐蚀、防尘、防水以及较好的电磁兼容性，在现场设备或网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路。

3）力求简洁，以减小软硬件开销，从而降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性。

4）开放性要好，即工业控制网络尽量不要采用专用网络。

在DCS中，工业控制网络是一种数字与模拟的混合系统，控制站与工程师站/操作站之间采用全数字化的专用通信网络，而控制系统与现场仪表之间仍然使用传统的方法，传输可靠性差，成本高。

20世纪80年代产生和发展起来的现场总线技术，以全数字通信代替4～20mA的电流的模拟传输方式，使得控制系统与现场仪表之间不仅能传输生产过程的测量与控制信息，而且能够传输现场仪表的大量非控制信息，使得工业企业的管理控制一体化成为可能，并且促使目前的自动化仪表、DCS和可编程控制器（PLC）等产品所面临的体系结构和功能结构产生重大变革。

然而，现场总线技术在其发展过程中也存在许多不足，具体表现为:

①现有的现场总线标准过多，仅国际标准IEC61158就包含了10个类型，未能统一到单一标准上来;②不同总线之间不能兼容，不能真正实现透明信息互访，无法实现信息的无缝集成;③由于现场总线是专用实时通信网络，成本较高;④速度较低，支持的应用有限，不便与Internet信息集成。

与此同时，传统上用于办公室和商业领域的以太网却悄悄地进入了控制领域。

以太网更是走向前台，发展迅速，颇引人注目。

以太网已经成为目前市场上最受欢迎的通信网络之一，它不仅垄断了办公自动化领域的网络通信，而且在工业控制领域管理层和控制层等中上层网络通信中电得到广泛应用，并有直接向下延伸应用于工业现场设备间通信的趋势，并成为近年来工业控制网络新的研究热点。

1.4RS485总线简介

随着计算机技术、网络技术和数字技术的发展，需要解决多级站、远距离通信。

RS485总线的远距离、多节点、设备简、成本低的优点，使其在许多领域得到了广泛的应用。

1.4.1RS485总线的发展

RS232，RS422与RS485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）定制并发布的，RS232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。

RS422由RS232发展而来，它是为弥补RS232之不足而提出的。

为改进RS232通信距离短，速率低的缺点，RS422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收，RS422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。

为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS422基础上制定了RS485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加发送器驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。

由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。

RS232，RS422，RS485标准只对接口的电气特性作出规定，而不涉及接口插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通讯协议。

1.4.2EIARS485标准

在RS422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点。

远距离和接收高灵敏度的RS485总线标准。

其采用平衡式发送，差分方式接收的数据收发器来驱动总线，RS485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIARS485成为工业应用中的首选标准。

具体规格要求：

1）接收器的输入电阻R≥12KΩ；

2）驱动器能输出±7V的共模电压；

3）输入端的电容簇50pf；

4）在节点数为32个，配置了120SZ的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）；

5）接收器的输入灵敏度为200MV。

1.4.3RS485总线性能介绍

RS485采用平衡发送和差分接收方式实现通信：

发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A，B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。

由于传输线通常使用双绞线，有事差分传输，所以又极强的抗共模干扰能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200MV电压。

故传输信号在千米之外都是可以恢复的。

RS485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/s,传输速率与传输距离成反比，在100Kb/s的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果传输更长的距离，需要加485中继器。

RS485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。

RS485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。

即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。

如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集成线才可以。

RS485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个，最大可以支持400个节点。

RS485性能参数见表2.2：

表2.2RS485性能参数表

项目

RS485

动作方式

差动方式

连接设备的台数

32台发送器，32台接收器

最大距离

1200m

最大传送速率

12m

10Mbps

120m

1Mbps

1200m

100Kbps

相同电压的最大值

+12V，-7V

驱动器的

输出电压

无负载时

±5V

有负载时

±15V

驱动器的

负载阻抗

PowerON

±100uA最大，-7V﹤V﹤12V

PowerOFF

±100uA最大，-7V﹤V﹤12V

接收器输入电压

-7V～+12V

接收器的输入敏感度

±200MV

接收器的输入阻抗

﹥12KΩ

网络节点数与所选芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关，RS485标准规定了最大总线负载为32个单位负载（NL），对应于标准接收器的输入阻抗可通过增大收发器输入电阻来扩展总线节点数。

实际使用节点数均达不到理论值。

通常推荐节点数按芯片最大值的70%，传输率在1200～9600bps之间选取。

通信距离1km以内考虑选用4800bps最佳。

RS485采用一条单一连续的双绞线电缆作总线，每个串接收发器节点通过一段引出线接入总线，从总线到每个节点的引出线长度也和信号的转换时间、数据速率有关，在选择接口器件时最好根据系统要求选择低速率的器件。

引出线小于10m的节点采用T型时连接对网络匹配并无太大影响，但对于节点间距非常小应采用星型连接。

由于信号传输线存在欧姆阻抗、集肤效应等，对特定的传输线从发生器到负载其数据传输所允许的的最大电缆长度是数据信号速率的函数。

随着数据率的增加，通信距离减少。

PS485标准通信的最大传输距离为100米时通信速率可达12Mbps。

通信距离1km以上时，应考虑通过增加中继模块或降低速率的方法提高数据传输的可靠性。

驱动器输出的电压大小和总线上带负载数的多少成反比，传输过程中的损耗的大小和总线长度成反比，其他参数只和驱动器类型有关。

因此，总线上在通信波特率一定的情况下，信号能传输的最大距离与带负载数的多少直接相关。

在总线允许的范围内，带负载数越多，信号能传输的距离就越小；带负载数越小，信号能传输的距离就越远。

1.4.4RS485电气规定

由于RS485是从RS442基础上发展而来的，所以RS485许多电气规定与RS22相仿。

如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。

RS485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，如图2.3：

图2.3二线制

而采用四线连接时，与RS422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备，其余为从设备，但它比RS422有改进。

无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。

RS485满足所有RS422的规范，所以RS485的驱动器可以用在RS422网络中应用。

RS485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。

在矩距离传输时可不需要终接电阻，即一般在300米以下不需要终接电阻。

终接电阻接在传输总线的两端。

1.4.5RS485总线应用原则

RS485支持半双工或全双工模式，网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星型网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。

标准没有规定总线上允许连接的收发器数量，但规定了最大总线负载为32个单位负载（UL），可通过增大收发器输入电阻来扩展总线节点数。

例如输入电阻增加至48欧姆以上，节点数就可以增加至128个。

是否对RS485总线进行终端匹配取决于数据传输速率、电缆长度及信号转换速率。

在短距离与低速率下可以不用考虑终端匹配。

那么在什么情况下不用考虑匹配呢？

理论上，在每个接收数据信号额中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。

经验表明，当信号的转换时间上升或下降时间超过电信号沿总线单向传输所需的时间的3倍以上时就可以不加匹配。

一种比较省电的匹配方式是RC匹配，如图3。

利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。

但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折中。

还有一种采用二极管的匹配方法，如图4.这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。

RS485总线上的每个收发器通过一段引出线接入总线。

引出线过长时由于信号在引出线中的反射也会影响总线上的信号质量，系统做能允许的引出线长度也和信号的转换时间、数据速率有关。

减缓信号的前后沿斜率有利于降低对于总线匹配引出线长度的要求和改善信号质量，同时还可使信号中的高频成分降低，减少电磁辐射。

因此有些接口器件中增加了摆率限制电路来减缓信号前后沿，但这种做法也限制了数据传输速率，由此看来选择接口器件时并不是速率越高越好，应该根据系统要求选择最低速率的器件。

2嵌入式以太网适配器的设计方法

2.1总体方案设计

用以太网实现嵌入式系统的网络连接有多种方案，传统的多器件以太网连接方案是通过MCU扩展以太网控制器来实现的，必要时还需要扩展外部RAM和ROM，虽然这种方案应用起来不是很困难，但所用外部元件数量较多，系统开销较大，最大的缺点是稳定性不高。

长期以来，为了解决传统方案的不足，近年来也有人用集成以太网MAC层和物理层的16位单片机MC9S12NE64来实现单器件以太网连接,也有使用以太网控制器实现以太网连接，如RTL8019，AX88796L，DM9008，CS8900A，LAN91C111等。

与多器件方案相比,单器件连接方案具有所用外部元件少、系统开销小、稳定性高、设计时间短等一系列优点。

但是，设计人员在为远程控制或监控系统提供以太网接入时,可选的以太网控制器均是专为个人计算系统设计的,上述大部分以太网控制器采用的封装均超过80引脚,不仅结构复杂、体积庞大,而且价格比较昂贵,不能很好满足嵌入式网络应用系统。

本文采用ENC624J600作为以太网控制器，其符合IEEE802.3协议，可以通过标准的PSP串行接口与单片机通信，占有I/O口的资源少，有利于在单片机上实现以太网功能。

PIC32系列单片机是MicrochipTechnologyInc.（美国微芯科技公司）推出的高性能32位单片机，它是以MIPS32架构为基础设计的。

PIC32系列单片机采用哈佛结构，带有5级流水线，工作频率最高80MHz；具有高效指令架构、高性能硬件乘法器／累加器及多至8组32个内核寄存器，可实现1.56一款DMIPS／MHz的运行速度。

此外，PIC32系统具有指令和ROM数据预取缓冲器的64字节高速缓存，128位宽