曹正陽，田夢君，楊 寧，楊 融

(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

1 引言

RS－232 串行通信是目前異步通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，在工業(yè)控制、樓宇安全系統(tǒng)等領(lǐng)域中，大多數(shù)設(shè)備的通信接口都符合RS－232 通信標(biāo)準(zhǔn)，但是這種通信方式的傳輸半徑十分有限，所以在遠(yuǎn)程控制上會(huì)有明顯的不足［1］。而以太網(wǎng)作為當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的遠(yuǎn)程通信能力及數(shù)據(jù)傳輸能力。為了能夠融合兩種技術(shù)的優(yōu)勢，對串口設(shè)備進(jìn)行有效地改進(jìn)，需要設(shè)計(jì)一種以太網(wǎng)到RS－232的協(xié)議轉(zhuǎn)換器［2］。

對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行更新，一般是通過RS－232 總線將更新的內(nèi)容傳輸?shù)疆a(chǎn)品中;若采用HTTP 服務(wù)直接從WEB 服務(wù)器上更新產(chǎn)品，無論從實(shí)時(shí)性上還是從靈活性上都得到了提高［3］。將產(chǎn)品接入到以太網(wǎng)的方法有兩種:一種方法是對原有系統(tǒng)進(jìn)行重新布局，采用能夠接入因特網(wǎng)的新產(chǎn)品［4］，但是高成本和長周期成為其最大的弊端;另一種方法是在原有設(shè)備中接入HTTP 到RS－232 協(xié)議轉(zhuǎn)換器，只要當(dāng)前產(chǎn)品中包含RS－232 接口就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接入，這就使系統(tǒng)的復(fù)雜程度和開發(fā)成本都有所降低，因此這種方法更具有應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

協(xié)議轉(zhuǎn)換器主要由以太網(wǎng)通信模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、串行通信模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。鑒于PIC18F97J60 高性能8 位網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)的低功耗、低成本、高集成度以及高穩(wěn)定性的這些優(yōu)良特性，本系統(tǒng)采用該單片機(jī)作為主控制芯片。

協(xié)議轉(zhuǎn)換器完成的主要功能是:用戶通過以太網(wǎng)進(jìn)入到協(xié)議轉(zhuǎn)換器指定的服務(wù)器，利用HTTP 服務(wù)把數(shù)據(jù)或文件傳輸?shù)絽f(xié)議轉(zhuǎn)換器中;接著由PIC18F97J60 單片機(jī)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，將HTTP 協(xié)議數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成RS－232 協(xié)議數(shù)據(jù)包;最后把RS－232 協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送至終端設(shè)備，至此實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)接入以及數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

HTTP 與RS－232 協(xié)議轉(zhuǎn)換器的硬件系統(tǒng)主要包括以下三部分:以太網(wǎng)通信模塊接口電路，串行通信模塊接口電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

3.1 以太網(wǎng)通信模塊接口電路

PICl8F97J60 單片機(jī)的嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊，完全實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)訪問控制和物理層收發(fā)器模塊，并且在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包過濾機(jī)制，用于限制傳入的數(shù)據(jù)包，同時(shí)也提供了一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐的內(nèi)置DMA 模塊以及硬件IP 校驗(yàn)和計(jì)算。

在模塊接口電路設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)提供的四個(gè)專用信號接口TPIN +、TPIN－、TPOUT+和TPOUT－連接至RJ－45 連接器，并在它們之間連接一個(gè)1:1 中心抽頭脈沖變壓器，這樣就實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入;為了使收發(fā)器正常工作，通過一個(gè)電阻將RBIAS 引腳接地，使其獲得來自外部的偏置電流。Ethernet 接口電路如圖2 所示。

3.2 串行通信模塊接口電路

在PIC18F97J60 單片機(jī)的內(nèi)部集成了兩個(gè)EUSART(增強(qiáng)型通用同步/異步收發(fā)器)模塊，用戶既可以將EUSART 配置成能夠與PC 機(jī)等終端設(shè)備通信的全雙工異步系統(tǒng)，也可以將其配置成能夠與串行EEPROM 等外設(shè)通信的半雙工同步系統(tǒng)。

圖2 以太網(wǎng)模塊接口電路

為了使單片機(jī)的TTL 電平能夠驅(qū)動(dòng)RS－232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邏輯電平，在它們接口之間必須加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片，這里采用MAX3232 串口驅(qū)動(dòng)芯片，它保證了在120Kbps 數(shù)據(jù)速率下維持RS－232 電平的輸出。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

系統(tǒng)中采用Microchip 公司SPI 串行EEPROM系列中的25LC256 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該器件具有32KB的存儲(chǔ)容量，64 byte的頁操作功能;它的工作電壓在2.2V 至5.5V 之間，其SPI 總線讀寫最高速率可達(dá)到10MHz，相對于I2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸速率有很大提高。

在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，MISO 引腳接入上拉電阻以提高數(shù)據(jù)的可靠性;在考慮PCB 布線時(shí)，MISO、MOSI以及SCK 三根線盡量保持同向、等長，以提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的主要目的是儲(chǔ)存以太網(wǎng)信息，使用戶能訪問到指定的服務(wù)器地址。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Microchip 公司提供的免費(fèi)TCP/IP 協(xié)議?？梢苑奖愕膶⒒赑IC18F97J60的整個(gè)系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，它適用于不需要很高數(shù)據(jù)量的以太網(wǎng)接入應(yīng)用系統(tǒng)。Microchip TCP/IP 協(xié)議棧是按照模塊化方式編寫，應(yīng)用哪個(gè)協(xié)議只需修改相應(yīng)模塊的功能，其它模塊無需改動(dòng)。與TCP/IP參考模型不同的是，此協(xié)議棧中的很多層可以直接訪問下面的一層或多層［5］，因此用戶不需要對TCP/IP 協(xié)議棧中的所有細(xì)節(jié)有深入的了解，只需將精力集中在應(yīng)用上［6－7］。為此，Microchip TCP/IP 協(xié)議棧在實(shí)現(xiàn)方法上添加了StackTask 和ARPStack 兩個(gè)模塊。StackTask 用來管理協(xié)議棧及其所有模塊的操作，而ARPStack 管理地址解析協(xié)議層的服務(wù)。

4.1 系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)的目標(biāo)是將本地計(jì)算機(jī)作為HTTP 服務(wù)器，局域網(wǎng)中的其它計(jì)算機(jī)能夠訪問服務(wù)器并且可將數(shù)據(jù)通過串口下載到本機(jī)中。服務(wù)程序主要包括兩個(gè)函數(shù):一個(gè)是MainDemo.C 函數(shù)，負(fù)責(zé)初始化各種軟硬件環(huán)境并在循環(huán)函數(shù)中循環(huán)調(diào)用HTTP 函數(shù);另一個(gè)是CustomHTTPApp 函數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送和解釋收到的網(wǎng)頁代碼，生成網(wǎng)頁的功能。

在MainDemo.C 文件中，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，在TickInit 函數(shù)中通過配置TMR0H、TMR0L 以及T0CON 寄存器對Timer0 進(jìn)行設(shè)置，把定時(shí)器0作為TCP 連接、HTTP 連接等網(wǎng)絡(luò)連接的定時(shí)計(jì)數(shù)器，用于判斷超時(shí)連接;對串口數(shù)據(jù)的收發(fā)、工作方式以及波特率的配置，主要工作集中在TXSTA1、RCSTA1 以及BAUDCON1 這三組寄存器中;Stack-Init 函數(shù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議棧的初始化，為以太網(wǎng)的連接提供了支持。初始化程序流程圖如圖3 所示。

圖3 初始化程序流程圖

4.2 HTTP 與串行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換程序

當(dāng)用戶進(jìn)行HTTP 連接時(shí)，在循環(huán)函數(shù)里通過周期性的調(diào)用StackApplications 函數(shù)以保證服務(wù)器及時(shí)的響應(yīng)，從而能夠進(jìn)入到HTTP 服務(wù)程序中;當(dāng)連接次數(shù)不大于設(shè)置的HTTP 最大連接次數(shù)時(shí)，在HTTPProcess 函數(shù)中就可以對HTTP 服務(wù)器的狀態(tài)進(jìn)行處理。

當(dāng)用戶在服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)下載時(shí)，相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)GET 請求，HTTPExecuteGet 函數(shù)會(huì)根據(jù)filename 找到對應(yīng)的HTML 文件，通過HTTPGetROMArg 函數(shù)得到用戶所請求的數(shù)據(jù);如果用戶要修改服務(wù)器的IP 地址，也就是把表單中的數(shù)據(jù)提交給服務(wù)器，為了達(dá)到此目的可以采用Post 方法，通過調(diào)用HTTPExecutePost 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的協(xié)議轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)換程序流程圖

4.3 WEB 服務(wù)

在應(yīng)用系統(tǒng)中，服務(wù)器端網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)主要涉及三項(xiàng)網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù):HTML 編碼、AJAX 和CGI。其中config.htm 文件將WEB 網(wǎng)頁中相關(guān)服務(wù)與TCP/IP 協(xié)議棧聯(lián)系在一起，部分代碼如下:

由于傳統(tǒng)的Web 網(wǎng)頁在表單獲取的過程中傳遞了兩次HTML 編碼基本相同的頁面，這樣既浪費(fèi)了頻寬又增加了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間;為了減少服務(wù)器的處理工作，獲得更快的響應(yīng)速度，利用AJAX 技術(shù)中基于XML的web service 接口以及在客戶端上的JavaScript 來處理來自服務(wù)器的回應(yīng)。在設(shè)計(jì)實(shí)例中，首先用戶在頁面輸入IP、DNS 等信息，通過HTTP服務(wù)把這些請求提交到協(xié)議轉(zhuǎn)換器中，同時(shí)把信息放到CGI 目錄下指定的CGI 程序中;接著CGI 程序?qū)@些信息進(jìn)行處理，并把處理結(jié)果傳送到協(xié)議轉(zhuǎn)換器中;最后協(xié)議轉(zhuǎn)換器把結(jié)果返回到用戶頁面，這樣用戶就可以實(shí)時(shí)地與服務(wù)器進(jìn)行交互。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)基于PIC18F97J60 單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了HTTP 到RS－232的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)已在局域網(wǎng)調(diào)試成功，調(diào)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 協(xié)議轉(zhuǎn)換器調(diào)試結(jié)果

由圖5 可以看出，實(shí)現(xiàn)了HTTP 協(xié)議到RS－232 協(xié)議數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換，并且可以通過表單的方式對服務(wù)器的配置進(jìn)行管理，若在系統(tǒng)中加入上層數(shù)據(jù)庫，那么該協(xié)議轉(zhuǎn)換器就具有一定的通用性，滿足讀卡系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)等領(lǐng)域要求。

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