物联网基于单片机的以太网终端(物联网)

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1、基于单片机的嵌入式以太网控制终端设计摘要：基于单片机技术的以太网终端广泛应用在各个领域，本文基于建荣AX2005PHY 的解决方案，实现 ARP 请求，以及 ping 命令。同时，本文详细介绍以太网接口的硬件设计和通信电路的抗干扰设计。覆盖单片机技术，通信技术，计算机网络技术等多个知识领域。 关键词：以太网协议； 信道编码； TCP/IP 协议； 单片机；设计背景及设计意义 随着单片机技术和嵌入式技术的广泛应用， 以及通信技术的发展和计算机网络的普及，人们提出了对基于嵌入式系统的网络通信技术的应用需求。 嵌入式网络通信系统将过去单一独立的嵌入式系统组成一个网络系统， 使得嵌入式系统不再是一个独

2、立的个体，而是一个整体信息化网络的一个部分。该技术广泛应用在智能设备，信息化家电，智能管理设备，安防监控设备等领域。 嵌入式网络系统具有以下特点：1，基于单片机系统。2，系统之间存在数据通讯。在嵌入式网络系统的实现方案中，有基于 RS232/RS485 总线协议，CAN 总线协议，以太网协议，USB 总线协议等多种方式。其中基于以太网协议的实现方案中，具有成本低，安装方便，通讯距离远，兼容性好和平台移植方便等多种优势。该技术广泛应用在以下领域。1， 实验室管理监控系统 某生化实验室需要建立一个实时监控系统，检测实验室人员出入，实验结果数据，实验室温度湿度。该实验室的仪器设备都有 RS232 接

3、口输出打印，可以输出到单片机。门禁和各种传感器也接入单片机系统。 这时候单片机可以通过以太网把数据提交到实验室的服务器上，服务器通过处理提交的数据，将控制命令通过以太网发给单片机，单片机再进行相应的操作。2，智能家居系统 现代家居系统中，由于需要宽带接入，基本上所有住户都有局域网接入。在住户内部搭建局域网也很方便。鉴于以上情况，利用以太网实现智能家居网络能够实现。 住房内的家电和各种设施，可以接入内部以太网实现相互通信，或者与上位机实现通信。上位机可以被用户远程控制，对居室的家电和设施进行控制，达到对居室的温度，光亮的调节，同时可以利用下位机（单片机）将室内监控系统的状况传到上位机，上位机通过

4、分析可以向主人或者相关部门报告火警或者匪警。3，信息化家电 传统家电是一个独立存在的系统， 电器与电器之间没有丝毫联系。在信息化家电系统中，所有信息化家电组成一个局域网络系统，家电属于该系统中一个部分。信息化家电系统中，比如电饭锅，可以通过网络远程控制。假如用户需要下班回家就能吃上饭，可以在下班前通过远程控制协议给电饭锅发出指令，保证下班回家时饭刚好煮好。二，设计实现方案理论 1，网络协议简介 四层以太网协议 网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。一个协议族，比如TCP/IP，是一组不同层次上的多个协议的组合。TCP/IP通常被认为是一个四层协议系统，如图可以看出这个四

5、层协议的构架，每一层负责不同的功能。 应用层 Telnet、FTP和e-mail等 运输层 TCP和UDP 网络层 IP、ICMP和IGMP 链路层 设备驱动程序及接口卡 表 1 以太网协议分层 链路层：有时也称作数据链路层或网络接口层， 通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。 它们一起处理与电缆 （或其他任何传输媒介） 的物理接口细节。 网络层：有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在 TCP/I协议族中， 网络层协议包括 I 协议 ， （网际协议） ICMP 协议（Interne 互联网控制报文协议），以及 IGM 协议（Internet 组管理

6、协议）。 运输层：主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在 T C P / I P 协议族中，有两个互不相同的传输协议： TCP（传输控制协议）和 UDP（用户数据报协议）。 TCP 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层， 确认接收到的分组， 设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。而另一方面， UDP 则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用层来提供。

7、这两种运输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途，这一点将在后面看到。 应用层：负责处理特定的应用程序细节。几乎各种不同的 TCP/IP 实现都会提供下面这些通用的应用程序： Telnet 远程登录。 FTP 文件传输协议。 SMTP 简单邮件传送协议。 SNMP 简单网络管理协议。假设我们以 FTP 服务的工作为例，4 层协议的工作原理如图 图 1-2 OSI 七层协议 物理层 ： OSI 模型的最低层或第一层，该层包括物理连网媒介，如电缆连线连接器。物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。在你的桌面 P C 上插入网络接口卡，你就建立了计算机连网的基础。换言之，你提供了一

8、个物理层。尽管物理层不提供纠错服务，但它能够设定数据传输速率并监测数据出错率。网络物理问题，如电线断开，将影响物理层。 数据链路层：OSI 模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。它的主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。 为了保证传输， 从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始数据，还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。数据链路层的功能独立于网络和它的节点和所采用的物理层类型，它也不关心是否正在运行 Word、 Excel 或使用 Int

9、ernet 。有一些连接设备，如交换机，由于它们要对帧解码并使用帧信息将数据发送到正确的接收方， 所以它们是工作在数据链路层的。 网络层：OSI 模型的第三层，其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、 服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中节点 到另一个网络中节点 的最佳路径。 由于网络层处理路由， 而路由器因为即连接网络各段，并智能指导数据传送，属于网络层。在网络中，“路由”是基于编址方案、使用模式以及可达性来指引数据的发送。 传输层：OSI 模型中最重要的一层。传输协议同时进行流量控制或是基于接收方

10、可接收数据的快慢程度规定适当的发送速率。除此之外， 传输层按照网络能处理的最大尺寸将较长的数据包进行强制分割。例如，以太网无法接收大于 1500 字节的数据包。发送方节点的传输层将数据分割成较小的数据片，同时对每一数据片安排一序列号， 以便数据到达接收方节点的传输层时，能以正确的顺序重组。该过程即被称为排序。 工作在传输层的一种服务是 TCP/IP 协议套中的 TCP（传输控制协议） ，另一项传输层服务是 IPX/SPX 协议集的 SPX（序列包交换） 。 会话层：负责在网络中的两节点之间建立和维持通信。 会话层的功能包括：建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对 话，决

11、定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。你可能常常听到有人把会话层称作网络通信的“交通警察”。当通过拨号向你的 ISP（因特网服务提供商）请求连接到因特网时，ISP 服务器上的会话层向你与你的 PC 客户机上的会话层进行协商连接。若你的电话线偶然从墙上插孔脱落时， 你终端机上的会话层将检测到连接中断并重新发起连接。会话层通过决定节点通信的优先级和通信时间的长短来设置通信期限 表示层：应用程序和网络之间的翻译官，在表示层，数据将按照网络能理解的方案进行格式化；这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同。表示层管理数据的解密与加密，如系统口令的处理。例如：在 Internet 上查询你银行

12、账户，使用的即是一种安全连接。你的账户数据在发送前被加密，在网络的另一端，表示层将对接收到的数据解密。除此之外，表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码。 应用层：负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务。术语“应用层”并不是指运行在网络上的某个特别应用程序 ，应用层提供的服务包括文件传输、文件管理以及电子邮件的信息处理。 两种协议对应关系 我们可以看到，以太网网协议属于 OSI 协议中的部分，其中 OSI 协议最重要的就是多了物理层，它是以太网设备通信的信道部分。链路层负责提供通信的时须，而以太网信号在信道中的传递全靠物理层。 2，常用实现方案选型 嵌入式以太网终端实现方案有多种，但其

13、共同点都是单片机网络芯片。主要是两种方案：单片机MAC 和单片机PHY。 MAC 是 Media Access Control 的缩写，即媒体访问控制子层协议。该协议位于 OSI 七层协议中数据链路层的下半部分， 主要负责控制与连接物理层的物理介质。 在发送数据的时候，MAC 协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC 协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至 LLC 层。以太网MAC 由 IEEE-802.3 以太网标准定义。 PHY PHY 是位于 OS

14、I 七层协议中的物理层， 在发送数据的时候， 收到 MAC 过来的数据（对PHY 来说，没有帧的概念，对它来说，都是数据而不管什么地址，数据还是 CRC），每 4bit就增加 1bit 的检错码，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。收数据时的流程反之。 单片机MAC 典型方案为单片机RTL8019 的方案。 RTL8019AS 是高度集成以太网控制器， 它能够简单的解答即插即用 NE2000 兼容适配器，这种适配器具有二重和功率下降特性。 通过三电平控制特性，RTL8019AS 是已制的对网络设备 GREEN PC 理想的选择。全二重功

15、能能够模拟传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个特性不仅强带宽从 10 到 20MBPS， 而且避免了由于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取协议的问题。微软公司的即插即用功能能减轻用户较差的营业收入而注意适配器资源，如 IRQ输入输出，和存储器地址等等。然而，为了特殊的应用而得不到即插即用功能的兼容性，RTL8019AS 支持 JUMPER 和 JUMPERLESS 选项。 为了提供完全解决即插即用方案，RTL8019AS 在集成 10BASET 收发器，BNC和 AUI 接口之间的自动检测功能。 8 此外， 条 IRQ 总线和 16 条基本地址总线为大资源情况下提供了宽松的环境。 R

16、TL8019AS 支持 16k，32k，和 64k 字节 BROM 和闪存接口。它仍然提供页面模式功能，这种功能能支持在仅 16k 字节内存系统空间下的 4M 字节的 BROM.此外，BROM 的无用命令被用来释放 BROM 内存空间。RTL8019AS 用 16k 字节 SRAM 设计在单片芯片上，它的设计不仅提供了更多友好的功能，而且节省了 SRAM 存储资源。 单片机PHY 典型方案为单片机RTL8201， RTL8201 具有成本低， 速度快（支持 100M bps）等优点。 RTL8201BL 是一个单端口的物理层收发器， 它只有一个 MII/SNI（媒体独立接口/串行网络接口）接口

17、。它实现了全部的 10/100M 以太网物理层功能，包括物理层编码子层（PCS），物理层介质连接设备（PMA），双绞线物理媒介相关子层（TP-PMD），10Base-Tx 编解码和双绞线媒介访问单元（TPMAU）。 PECL 接口支持连接一个外部的 100Base-FX 光纤收发器。这款芯片使用先进的 CMOS 工艺制作以满足低压低功耗的需求。 RTL8201BL 可以在 NIC， MAU，CNR，ACR，以太网 HUB，或以太网交换机中使用。另外，它也可以用于任何有以太网 MAC 并且需要一个物理上的双绞线连接或一个光纤 PECL 接口以连接一个外部的 100base-FX 光纤收发器模块的

18、嵌入式系统。 MII 接口 MII 即媒体独立接口，它是 IEEE-802.3 定义的以太网行业标准。它包括一个数据接口，以及一个 MAC 和 PHY 之间的管理接口。 数据接口包 括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII 数据接口总共需要 16 个信号。管理接口是个双信号接口：一个是 时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制 PHY。 Management interface 只有两条信号线。 configuration and status data MII Theis written/read to/from the PHY

19、 via the MDIO signal. MII 标准接口 用于连快 Fast Ethernet MAC-block 与 PHY。 “介质无关”表明在不对 MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的 PHY 设备都可以正常工作。在其他速率下工作 、 （ 和的与 MII 等效的接口有： （10M 以太网） GMII Gigabit 以太网） XAUI 10-Gigabit AUI （以太网） 。 我们使用了珠海建荣集成（Appotech）的 AX2005 单片机RTL8201 的方案。 AX2005 是一种国产的基于 8051 内核的 OTP 单片机，具有两个 DPTR 地址指针，内部集成了

20、部分扩展 SRAM，程序存储器与数据存储器地址可以交叉访问。该单片机大多数指令都在一个时钟周期内完成，并且集成了 DSP MAC（乘加器），可用于数字信号处理。 AX2005 具有 GPSI 接口，可以工作在 MII 兼容模式下，实现以太网 MAC 功能，并且工作于 DMA 模式。单片机性能可以达到 100MIPS，集成 32KB SRAM，并带有硬件 CRC 模块，可方便的用于以太网数据封装的处理。所以该单片机非常适合用于以太网终端的应用。该单片机的功能参见附表 13，系统设计与系统框图 在基于 AX2005 单片机的以太网控制终端的方案中，以 AX2005 单片机为控制核心，单片机负责以下

21、工作：硬件系统部分的设计 1，在单片机内部开辟两个储存空间，分别用于发送和接受数据流。以太网封装格式中，是按照 6 字节目的硬件地址，6 字节源地址，2 字节类型，461500 字节的数据，4 字节的CRC 校验码组成。应此，每个空间大小应该设置为 1518 字节。单片机访问这两个空间，发送数据时，将相应协议的报头和报文填入对应的位置，再将空间内的整个数据发送出去；接受数据时，单片机访问相应协议的报头位置，判断收到数据报的类型，再处理相应的报文。 图 2-1 2，单片机利用 MII 接口与 PHY 连接，MAC 协议由单片机提供。单片机内部产生 MAC地址。以太网通信最终实质是以太网设备访问对

22、方的 48 位 MAC 地址。建荣的 AX2005 单片机没有专门的符合 IEEE802.3 标准的 MII 接口，而是 GPSI（通用串行接口）工作在 MII模式下。由于 AX2005 的 MII/GPSI 接口支持 DMA 工作模式，并内部集成有 32KB SRAM，可以直接被 MII 接口控制器读写。因此，在该方案中使用 DMA 模式，MCU 只往缓冲区中读写数据，MII 控制器会自动通过 DMA 将缓冲区的数据发到以太网，或者将以太网的数据收到缓冲区中，供 CPU 处理。 3，单片机利用 UART 接口，通过 RS23 转换器，在单片机收到以太网数据包时，通过串口，将收到的数据打印到显

23、示屏上。或者通过串口将数据发到单片机，再转发到以太网。 图 2-2IEEE-802.3 规范的以太网接口相关介绍 ETHERNET 的接口实质是 MAC 通过 MII 总线控制 PHY 的过程。 MAC 是 Media Access Control 的缩写，即媒体访问控制子层协议。该协议位于 OSI 七层协议中数据链路层的下半部分， 主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC 协议可以事先判断是否可以发送数据， 如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC 协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误

24、，则去掉控制信息发送至 LLC 层。以太网 MAC 由 IEEE-802.3 以太网标准定义。 MIIMedia Independent Interface即媒体独立接口 “媒体独立”表明在不对 MAC 硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的 PHY 设备都可以正常工作。包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。MII 数据接口总共需要 16 个信号，包括 TX_ER，TXDlt3:0gt，TX_EN，TX_CLK，COL，RXDlt3:0gt，RX_EX，RX_CLK，CRS，RX_DV 等。 MII 以 4 位半字节方式传送数据双向传输， 时钟速率

25、25MHz。 其工作速率可达 100Mb/s。MII 管理接口是个双信号接口，一个是时钟信号，另一个是数据信号。通过管理接口，上层能监视和控制 PHY。其管理是使用 SMI（Serial Management Interface）总线通过读写 PHY的寄存器来完成的。PHY 里面的部分寄存器是 IEEE 定义的，这样 PHY 把自己的目前的状态反映到寄存器里面，MAC 通过 SMI 总线不断的读取 PHY 的状态寄存器以得知目前 PHY的状态，例如连接速度，双工的能力等。当然也可以通过 SMI 设置 PHY 的寄存器达到控制的目的，例如流控的打开关闭，自协商模式还是强制模式等。不论是物理连接的

26、 MII 总线和SMI 总线还是 PHY 的状态寄存器和控制寄存器都是有 IEEE 的规范的， 因此不同公司的 MAC和 PHY 一样可以协调工作。 当然为了配合不同公司的 PHY 的自己特有的一些功能， 驱动需要做相应的修改。 IEEE802.3 标准定义的以太网工作方式如下：IEEE802.3 中定义的介质独立接口MII主要用来连接介质访问控制子层MAC和物理层PHY目的是使不同的物理层能够使用统一的接口连到 MAC 层即物理层对 MAC 层是透明的。 该接口可用于直接连接 MAC 与 PHY芯片也可连接分别装有 MAC 和 PHY 的两块印制板此外还可以通过一段电缆连接装有MAC 和 P

27、HY 的设备。这一接口支持 10Mbps 和 100Mbps 两种速率而且两种速率实现的功能相同其区别只是工作频率不一样。介质独立接口由 18 根信号线组成其中发送方向 7 根TXDlt3:0gt、TX EN、TX CLK、TX ER接收方向 7 根RXDlt3:0gt、RX DV、RX CLK、RXER此外还有载波侦听CRS、冲突检测COL和串行管理通道MDC、MDIO信号。发送时钟TX CLK和接收时钟RX CLK一般由 PHY 提供本文还将提出一种由另一端 MAC 或外界提供标准时钟的设计方案根据数据率 10Mpbs/100Mbps 选择 2.5MHz 或 25MHz 时钟且不论有无有效

28、数据收发时钟一直被正常提供。在发送方向当介质访问控制子层有数据要发送时在某个发送时钟上升沿应将发送使能信号TX EN置为高电平同时发送待发数 据TXDlt3:0gt的前同步码直到数据发送完毕发送使能信号被置为低电平为止。 而在接收方向一旦 MAC 控制器检测出接收数据有效信号由 PHY 发出为高电平系统将在接下来的每个接收时钟上升沿采集接收数据RXDlt3:0gt直到接收数据有效信号位被置为低电平为止。在半双工模式下PHY 将根据物理链路状况输出载波侦听CRS和冲突检测COL信号这两种信号都不必与时钟同步。4，网络协议设计详解 在该以太网控制终端设计中由于只需要实现 ping 功能， 参考TC

29、P/IP 详解 卷 1:协议，该方案中需要实现 ARP 地址解析协议，IP 协议，ICMP 协议，并实现 UDP 和 TCP 协议。 1）以太网首部： 以太网首部长度 14 字节，是由 6 字节的目的地址，6 字节源地址，2 字节类型构成。6字节以太网首部地址又叫 MAC 地址，MAC 地址具有唯一性，每个以太网设备都有自己的MAC 地址。以太网设备相互通信时，硬件寻址对方的 MAC 地址。由于以太网中每个设备的 MAC 地址都是唯一的，所以只要确定一个目标地址就能确定一个唯一的设备。在广播模式下，目标地址为全部为 0XFF。以太网数据包类型标志为 2 字节，其中 IP 包为 0x0800，A

30、RP 包为 0x0806。以太网数据包最后有一个 4 字节的 CRC 校验包，确保数据在以太网传输中的正确性。一个以太网数据包最小长度 64 字节，最大长度为 1518 字节。因此任何一个以太网数据包，不管是什么类型，必须满足以太网数据包最小长度。 图 2-2 2）ARP 地址解析协议： 数据链路如以太网或令牌环网都有自己的寻址机制（常常为 48 bit 地址） ，这是使用数据链路的任何网络层都必须遵从的。 一个网络如以太网可以同时被不同的网络层使用。 当一台主机把以太网数据帧发送到位于同一局域网上的另一台主机时， 是根据 48 bit 的以太网地址来确定目的接口的。设备驱动程序从不检查 I P 数据报中的目的 I P 地址。地址解析为这两种不同的地.