基于单片机以太网通信模块的硬件设计.docx
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基于单片机以太网通信模块的硬件设计
基于单片机以太网通信模块的硬件设计
基于单片机以太网通信模块的硬件设计
摘要：
现今嵌入式系统网络接入技术发展迅速，而以太网又是构筑现代Internet网络的基础，因此通过以太网使被控对象与Web服务器进行数据交换，具有较高的实用价值。
本文介绍了一种利用单片机和以太网控制器RLT8019AS实现以太网的实时通信的硬件电路。
整个系统包含单片机最小系统、存储器扩展、网络隔离电路、网络通信接口和串口电路。
在Protel环境下，完成了系统的原理图和PCB图设计。
加载软件程序后，利用上位机软件对系统进行了测试，电路工作正常。
本文设计的以太网通信接口电路，具有成本低、硬件少、传输速度快、使用方便等优点，特别适用于现有的网络传输系统，在数据采集、数据传输等领域有广泛的应用前景。
关键词：
单片机；以太网；RLT8019AS；Web服务器；原理图
HardwareDesignofEthernetCommunicationModule
BasedonMCU
Abstract：
Nowadays,theembeddedsystemwithinternetaccesstechnologydevelopsrapidly,andEthernetisthefoundationtobuildthemodernInternet.ThroughtheEthernet,dataexchangingbetweenthecontrolledobjectandWebserverhavehighpracticalvalue.
Thispaperintroducesareal-timeEthernetcommunicationhardwarecircuit,whichismainlycomposedwithmicrocontrollerandEthernetControllerRLT8019AS.Theentiresystemconsistsofthesmallestsingle-chipsystem,memoryexpansioncircuit,networkisolationcircuit,networkcommunicationinterface,andserialportcircuit.ThecompletesystemschematicandPCBweredesignedinProtelenvironment.Afterloadingthesoftwareprogram,thesystemwastestedwithPCsoftware.Theresultshowsthissystemworkstable.
ThisEthernetcommunicationsinterfacecircuits,withlowcost,lesshardware,hightransmissionspeedandeasilyused,especiallyisusedinthemodernnetworktransmission,andhasawideapplicationprospectindataacquisitionandtransmission.
Keywords:
MCU,Ethernet,RLT8019AS,WebServer,Schematics
第1章绪论
1.1选题的目的与意义
单片机应用系统和Internet网络连接已是一种趋势，单片机或微控制器已经在家庭和工业等各个领域得到了非常广泛的应用。
然而就目前来看，大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以MCU为核心，与一些监测、伺服、指示设备配合实现一定的功能。
Internet现已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道。
如果单片机应用系统能够连接到Internet上，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。
并可以实现远程控制，特别在远程教育、远程测控等领域有广阔的市场。
以太网（Ethernet）是当今现有局域网采用的通用的通信协议标准，是当前使用广泛，采用共享总线型传输媒体方式的局域网。
以太网作为一种原理简单，便于实现同时又价格低廉的局域网技术已经成为业界的主流。
而更高性能的快速以太网和千兆以太网的出现更使其成为最有前途的网络技术。
而单片机作为典型的嵌入式微控制器，在工业方面得到了广泛的应用。
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备基本上都实现了单片机智能控制。
在某些应用领域，单片机在价格、体积及实时性等方面，有着标准计算机无法比拟的优点。
因此，单片机的网络化开发有着广阔的前景，研究嵌入式系统与网络的接入方法，可为新一代网络化嵌入式系统的设计提供必要的基础，具有重要的现实意义和经济价值。
因此，深入研究8位或16位单片机嵌入式系统接入Internet的问题，是一个巨大的商机与挑战。
嵌入式技术将为我国信息化腾飞增添重要推动力，当然也会促进教育现代化的飞速发展。
1.2本课题在国内外的发展现状
以单片机为核心的电子设备实现网络化的关键是电子设备本身增加TCP/IP协议，目前的解决方案主要可以分为四大类。
（1）直接在电子设备上实现TCP/IP：
此方案的实质是由MCU内部固化TCP/IP协议的芯片，组成应用系统的核心。
此方案中，单片机应用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单，也不需要其它中间环节的支持。
但由于单片机使用了TCP/IP协议芯片，因此需要大容量的程序存储器，而且要求MCU有较高的运行速度。
应用系统的设计工程师还必须熟悉TCP/IP协议和相关的接口地址，软件设计复杂，工作量大，另外，每一个电子设备必须申请一个IP地址。
（2）利用公用的TCP/IP协议转换器接入Internet：
此方案需要加载TCP/IP协议到单片机中，此方案的基本思路是远程控制端口首先通过路由器寻找目标，在通过网卡的ISA接口传入单片机。
然后单片机中加载的驱动程序将之转换成为物理帧格式，最后由TCP/IP协议将之转化为应用层控制命令。
这种方案是在单片机添加了TCP/IP协议，数据通过TCP/IP协议栈的转换，然后由单片机控制网卡交换数据。
（3）利用网关在网络中桥接代理协议栈和TCP/IP协议栈：
举一个简单的例子：
一个通过互联网控制的仪表，它和控制它的服务器之间只需要交换很少量的几个字节的数据，不需要功能完整的TCP/IP协议去管理只有几个字节的数据。
网关完全可以担当翻译转换的业务，将代理协议提供的数据转换成TCP/IP需要的数据，或将TCP/IP发送的数据转换后提供给代理协议。
（4）局域网接入Internet解决方案：
将嵌入式电子设备通过专用的现场协议（如RS232、RS485、CAN总线协议）连接起在一起，然后与一台专门用来做网关的PC连接起来，通过PC与Internet连接。
例如，组建网络家庭，首先是家庭内部组网，自成体系，继而又与互联网相连，将家庭环境与外界沟通。
家庭局域网是一个组建家庭信息网络的核心，也将是一座沟通计算机与家电之间联系的桥梁，家用电脑、传真、打印机、扫描仪、数字相机、可视电话、微波炉、冰箱、空调等都是连接到家庭局域网的基本元素。
家庭网络带来的好处是家庭资源合理利用并搭建家庭办公（SmallOfficeHomeOffice）所需的环境。
在未来家庭，越来越多的成员会选择家庭办公，越来越多的公司将安排它们的员工家庭办公。
对于我国国内情况来说：
目前，PC机的架构为Wintel所控制、垄断，即由Intel的CPU和微软的Windows主宰了产业。
在该领域，我们没有主动权，没有创新空间，无能为力，充其量只是组装机和做计算机系统集成等。
自己的软件产品和出口软件很少，导致中国软件企业规模太小。
专家估计，10～20年内难以突破。
单片机嵌入式系统需求千变万化，没有统一的架构，软硬件需要各种各样的组合，技术密集，市场容量大，我们有无限的创新空间。
主要是计算环境从PC为中心转变为以网络为中心，涌现了各种新的信息设备，不必与PC兼容；应用软件逐步从PC移到网上，不必与Windows兼容；可裁减，良好的性能价格比。
随着以太网控制芯片的性价比的提高，利用专用的芯片完成单片机与网关之间的协议转换成为单片机应用系统接入Internet网络的一大研究热点。
1.3本课题要解决的主要问题
本课题主要实现将TCP/IP协议嵌入8位单片机中，单片机上网研究最多的一种方案就是用单片机驱动ISA总线网卡或者是驱动基于ISA总线的以太网（局域网组网规范）控制芯片。
考虑到在实际的网络应用中以太网在局域网中占有主导地位，本文采用后者。
单片机上网的困难在于TCP/IP协议是一组庞大的协议集，而8位单片机自身资源有限，其存储容量、运行速度和总线宽度等不能像PC机那样通过标准的硬件和软件接口实现TCP/IP协议。
本文将介绍利用华邦公司的单片机芯片W78E58B，它能够满足需求，而且极为常用，价格便宜，易于获取。
网卡芯片采用台湾Realtek公司生产的10MbpsISA总线的以太网控制芯片RTL8019AS，并在其中嵌入TCP/IP协议以实现单片机上网。
第2章系统硬件设计
2.1系统设计总体思路
课题主要目的是实现Internet的嵌入式接入，首先采用接入到以太网的方式，然后通过以太网接入Internet中。
嵌入式WebServer的设计原则是：
在保证系统可靠的完成其特定功能情况下，力求系统成本最低、代码最优。
本课题设计的嵌入式WebServer网络硬件结构主要由微处理器MCU、以太网控制器、网络隔离变压器、存储器芯片等构成。
图2.1系统硬件结构原理图
整个系统的硬件结构原理图如图2.1所示。
系统设计采用W78E58B作为MCU主处理器芯片与REALTEK公司的10M以太网控制芯片RTL8019AS相结合，实现W78E58B驱动控制RTL8019AS工作，达到单片机控制的嵌入式系统与外部网络互连的目的，从而实现嵌入式WEB服务器。
RTL8019AS是ISA（IndustryStandardArchitecture）总线接口的以太网芯片，与NE2000兼容，使网络通讯协议软件具有良好的移植性。
此外为了配合这两个主要芯片的正常工作，系统中还扩展一块32K字节的RAM62256和需要进行地址数据锁存时使用的8D锁存器74HC573。
在嵌入式硬件电路中，还要用到串口电频转换芯片MAX232及网络隔离变压器，本课题采用的是GROUP-TEK公司生产的20F-01网络隔离变压器，它有两个输入两个输出，一般使用标准的接口器件RJ45接头构成标准的接口接入以太网。
2.2系统硬件器件介绍
2.2.1硬件选型注意事项
嵌入式产品设计中，硬件选型是一个重要环节，它直接影响产品设计进度，同时也决定了产品的性能，还会影响到产品成形后的生产。
如何选择合适的嵌入式处理器构成系统，本课题中从以下几个方面统筹兼顾加以考虑：
（1）以实际功能需求为依据：
实际功能需求可帮助设计者决定用哪一类嵌入式处理器，看实际功能需求的是最简单的设计应用，还是高速的实时应用，或者是复合的大型嵌入式系统。
（2）基本性能指标的确定：
需要考虑选择哪一厂家的产品、处理器的字长、处理速度、指令系统、中断能力、接口功能等。
（3）需要考虑的其他问题：
除上述问题外，还需考虑软硬件支持、开发及调试工具、环境适应能力、价格及一些特殊要求等。
2.2.2W78E58B单片机
嵌入式系统核心部件是嵌入式处理器，把能构成嵌入式计算机系统的CPU、单片机、DSP、PLC等通通纳入嵌入式处理器范畴中。
目前，全世界嵌入式处理器的品种已有1000多种，流行的体系结构也达30几种系列，其中8051体系占很大一部分的比重。
本课题嵌入式处理器选用华邦的W78E58B型号单片机。
W78E58B是华邦生产的自带ISP功能FlashEPROM的低功耗8位微处理器，ISP功能的FlashEPROM可用于固件升级。
FlashEPROM分为64K主FlashEPROM和4K辅FlashEPROM，均用于在系统编程。
主Flash里的程序可以被辅Flash里加载的程序更新，辅Flash里的程序也可被主Flash里的加载程序更新。
W78E58B还包括512字节片内RAM，4个8位双向、可寻址的I/O口，一个附加的4位I/O口P4，3个16位定时/计数器及1个串行口。
这些外围设备都由有8个中断源和2级中断能力的中断系统支持。
为方便用户进行编程和验证，W78E58B内含的ROM允许电编程和电读写，一旦代码确定，用户就可对代码进行保护。
W78E58B有空闲和掉电两种省电工作方式，它们均可由软件来控制选择。
空闲方式下，处理器时钟被关闭，但外设继续工作；掉电方式下，晶体振荡器停止工作，以将功耗降至最低。
W78E58B提供DIP40、PLCC44、PQFP44三种封装形式。
其具体特性及管脚描述如下：
（1）全静态设计，最高工作频率40MHz，必要时外部时钟可降至0Hz。
（2）64K字节并带ISP功能的FlashEPROM，用来存储应用程序（APROM）。
单片机正常启动时，运行64KBFlashEPROM内应用程序。
（3）4K字节辅存储ROM，用来存储装载程序（LDROM）。
（4）512字节片内RAM（包括256字节AUX-RAM，可由软件选择），分成两个存储单元：
256字节高速暂存和256字节辅存，可通过不同寻址方式访问。
RAM中00H～7FH可直接或间接寻址，地址指针是被选中寄存器单元中的R0和R1，7FH～FFH只能间接寻址，地址指针是被选中寄存器单元中的R0和R1。
AUX-RAM中00H～FFH采用外部数据存储器方式间接寻址，用MOVX指令，地址指针是选中寄存器单元的R0和R1以及DPTR寄存器。
在CHCON寄存器中第4位置后，AUX-RAM有效，访问AUX-RAM用“MOVX@RI”指令。
当执行内部程序存储器指令时，访问AUX-RAM不会影响P0、P2、/WR和/RD。
AUX-RAM在复位后失效。
（5）程序存储器和数据存储器可寻址空间范围都是64KB。
（6）4个8位双向I/O口P0～P3及1个4位双向多用途编程口P4（只有PLCC44封装和PQFP44封装的有P4口）。
（7）3个16位定时/计数器：
T0、T1、T2。
T0和T1功能与8051相同，T2是一个16位定时/计数器，由T2CON配置和控制。
T2既能作为外部时钟计数器，也能作为内部定时器，取决于T2CON的C/T2位配置情况。
（8）具有一个全双工串行通讯口。
（9）具有8个中断源和2级中断能力。
（10）具有编程后的编码保护功能。
W78E58B引脚功能如表2.1所示。
表2.1W78E58B引脚功能
符号
描述
EA
外部访问使能：
此管脚使处理器访问外部ROM。
当EA保持高电平时，ROM的地址和数据就不会出现在总线上。
PSEN
程序存储使能：
此管脚允许外部ROM数据出现在P0口的地址/数据总线上。
当访问内部ROM时，此管脚上不输出PSEN信号。
ALE
程序存储使能：
此管脚允许外部ROM数据出现在P0口的地址/数据总线上。
当访问内部ROM时，此管脚上不输出PSEN信号
RST
地址锁存使能：
ALE用于将P0口地址锁存，使其和数据分离。
XTAL1
石英晶体1：
晶体振荡器的输入。
此管脚可由一个外部时钟驱动。
XTAL2
石英晶体2：
晶体振荡器的输出。
XTAL2是XTAL1的反相端。
VSS
地：
地电位
VDD
电源：
电源工作电压
P0.0-P0.7
端口0：
端口0是一个双向I/O口，在访问外部存储器时，端口0可用作低位地址/数据总线。
端口0是一个开漏极端口，在进行编程时需要连接一个外部上拉电路。
P1.0-P1.7
端口1：
端口1是一个具有内部上拉电路的双向I/O口。
有复用功能位，如下：
T2（P1.0）：
定时/计数器2的外部计数输入T2EX（P1.1）定时/计数器2的重装载/捕获控制
P2.0-P2.7
端口2：
端口2是一个具有内部上拉电路的双向I/O口。
此端口提供访问外部存储器的高位地址。
P3.0-P3.7
端口3：
端口3是一个具有内部上拉电路的双向I/O口。
所有位都有复用功能，
如下：
RXD（P3.0）：
串行口接收器输入
TXD（P3.1）：
串行口发送器输出
/INT0（P3.2）：
外部中断0
/INT1（P3.3）：
外部中断1
T0（P3.4）：
定时器0外部输入
T1（P3.5）：
定时器1外部输入
/WR（P3.6）：
外部数据存储器写入选通
/RD（P3.7）：
外部数据存储器读取选通
P4.0-P4.3
端口4：
可以位寻址的双向I/O口P4。
P4.3和P4.2为功能复用管脚。
它们既可以作为通用的I/O口，也可以作为外部中断源的输入
2.2.3存储器芯片62256
MCS-51的数据存储器寻址空间为64KB，但片内数据存储空间很小，一般在其应用系统开发中需扩展数据存储器，扩展容量随系统数据使用量大小而定。
本课题涉及的WebServer需要很大存储空间存放数据，W78E58B单片机内置的存储空间显然不够，所以必须扩展外部存储器。
62256是一种采用CMOS工艺制成的32K×8bit的28引脚静态读写存储器，其读写访问时间根据不同型号可从20ns到200ns。
数据输入和输出引脚共用，三态输出，采用单一电源+5V，其输入输出电容与TTL兼容，具有低功耗操作方式。
未选通时，芯片处于低功耗操作模式，可减少80%以上功耗，只需2V电源电压、几十微安电流即可保持数据不变。
此性能可用于电池供电的数据断电保护操作，其工作温度范围为0-70度。
其内部结构如图2.2所示。
图2.262256内部的结构框图
62256拥有简单的存储器扩展功能，就是给CE端口提供一个有效的低电平并且在OE端口输出一个有效的低电平，即可完成寄存器的扩展。
WE端是存储器控制写或者读的控制端，当WE为低电平时为给存储器写入数据，当WE为高电平时是给存储器读入数据。
但为了控制方便存储器芯片还设置了一个辅助控制端口CE。
当CE和WE同时为低电平输入时，在输出或者输入（I/O0—I/O7）总线上的数据写入到存储器本地地址，这个地址是由外部控制器来发送给内部地址线（A0—A14）或者由使用者自己定义。
但完成从存储器读出数据需定义以下两个端口电平即可，即CE和OE。
当CE和OE均为低电平且WE无效或者为高电平，就可以将存储器内部以地址线上所保持的地址为存储器的内部地址读出数据。
62556封装形式有DIP-28，SOP-28，TSOP-28。
本课题采用第一种双列直插的DIP-28封装。
62256引脚及其功能具体如表2.2所示。
表2.262256引脚及其功能
引脚名称
引脚功能
A0—A14
输入地址线
/WE
允许输入端
/CS
片选输入端
/OE
输出时能输入端
I/O1—I/O8
数据输入输出端
Vcc
电源（5V）
Vss
地
2.2.4数据锁存模块74HC573
74HC573锁存器，顾名思义起作用就是用来锁存从输入端输入的数据。
这种锁存和释放锁存可以通过使能端口使能，特性如下。
74HC573由D型锁存器设计的八位锁存器件，操作电压在2V—6V。
当锁存使能端LE为高电平时，Q端输出的电平随着D端的输入电平的变化而变化。
当LE为低电平时，Q端的输出就将D输入端口的逻辑电平锁存起来，此后输出端Q输出值不随D输入值变化。
除此之外，在74HC573还有一个缓存器输出使能输入端/OE，用来控制八个输出端口输出的逻辑状态，包括逻辑高电平，逻辑低电平或者高阻态。
在高阻态下，这种高阻态输出既不是负载也不是重要的驱动总线，
/OE不能影响锁存器内部的操作，当/OE处于高阻态时不会影响上一次旧数据的保持或者本次新数据的输入。
为确保/OE在上电或者掉电时的高阻态，/OE应通过一个上拉电阻连接到电源线VCC，这个电阻的电阻值的大小决定于驱动源的电流低陷能力。
2.2.5以太网通信接口RJ45与20F-01网络隔离变压器
RTL8019AS与以太网的接口采用无屏蔽双绞线RJ45接口，这部分接口比较简单，只需要一个网络隔离变压器和RJ45接口连接即可。
RJ45接口通常用于数据传输，最常见的应用为网卡接口。
RJ45是各种不同接头的一种类型；RJ45头跟据线的排序不同的法有两种，因此使用RJ45接头的线也有两种即：
直通线、交插线。
其接口引脚定义如表2.3所示。
表2.3RJ45接口引脚定义
引脚
名称
描述
1
TX+
发信号+
2
TX-
发信号-
3
RX+
收信号+
4
n/c
空脚
5
n/c
空脚
6
RX-
收信号-
7
n/c
空脚
8
n/c
空脚
网络隔离变压器，又叫发送/接收滤波器，它的基本构成为隔离变压器，以完成网络隔离变压器的核心功能——信号隔离及变换。
主要功能有隔离、电压变换和阻抗匹配，用来把信号变换成平衡信号传输，以减少共模干扰，提高传输距离，对系统电路起到保护作用，并完成信号的传输。
通过它将RJ45外部接口与RTL8019AS连接。
网络隔离变压器可选取的型号也是非常多的，比如PULSE公司系列的E2003、DAVICOM公司的DM9000网络滤波器、Intel公司82547EI网络变压器、GROUP-TEK公司的系列产品等等。
其功能和外围接口基本一样，本设计采用的网络隔离变压器芯片是GROUP-TEK公司生产的20F-01，它有两个输入两个输出，一般使用标准的RJ45接头构成标准的接口接入以太网络。
2.2.5串行数据通信模块MAX232和RS-232接口
MAX232是一款具有电平转换功能的芯片，能够将TTL电平转换为RS232通信电平。
其主要特征：
（1）5V电压供电；
（2）LinBiCMOS制作工艺；
（3）-30V--+30V输入电平；
（4）典型的低电流供电，供电电流8mA；
（5）具体应用于电池驱动系统，部分终端等；
（6）较强的静电保护设计。
MAX232引脚图如图2.3，MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要；第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出；第三部分是供电。
15脚DNG、16脚VCC（+5V）。
图2.3MAX232引脚图
串行通信模块中完成串口通信还需要RS232串行通信接口，如图2.4所示。
图2.4RS232串行通信接口
RS232包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几
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