基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的嵌入式網絡虛擬儀表硬件設計

摘要：本文闡述了以單片機和以太網控制芯片為核心的嵌入式網絡虛擬儀表的系統結構，詳細介紹了系統硬件設計。

關鍵詞：虛擬儀表；單片機；RTL8019AS

引言

隨著計算機技術和網絡技術的發展，利用嵌入式計算機系統和網絡技術，組成網絡嵌入式虛擬儀表，將處于不同地域的多個儀表組成一個統一的整體，實現數據共享和統一管理，可大大提高儀表系統的功能。遠程虛擬儀表提出了一種全新的網絡儀表技術和方法，把Internet網絡技術、嵌入式技術、以及虛擬儀表技術結合起來，項目的研究以電網電量測量和分析的實際應用為目標。

從實現網絡虛擬儀表功能模塊化角度考慮，把網絡虛擬儀表分為虛擬儀表主機和嵌入式網絡虛擬儀表終端兩部分，本文主要討論應用AT89C52單片機，結合網絡控制芯片RTL8019AS和測量、信號轉換、鍵盤/顯示等部件，實現遠程控制和測量的嵌入式網絡虛擬儀表終端的硬件設計，總體結構框圖如圖1所示，該系統由單片機、通信協議控制模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、存儲擴展模塊、串行A/D、D/A轉換模塊、以及接口擴展模塊構成。

系統硬件設計

通信協議控制電路

通信協議控制電路由網絡控制器RTL8019AS、串行EEPROM 93LC66、帶濾波的RJ45接口組成(見圖2)。

RTL8019AS主要實現通信協議控制，內部有遠程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介質訪問控制)邏輯、數據編解碼邏輯和其他端口。遠程DMA接口是指單片機對RTL8019AS內部RAM進行讀寫的總線，單片機收發數據只需對遠程DMA操作。本地DMA接口是RTL8019AS與網線的連接通道，完成控制器與網線的數據交換。MAC邏輯完成以下功能：當單片機向網上發送數據時，先將一幀數據通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發送緩存區，然后發出傳送命令，當RTL8019AS完成了上一幀的發送后，再開始此幀的發送；RTL819接收到的數據通過MAC比較、CRC校驗后，由FIFO存到接收緩沖區；收滿一幀后，以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發數據作16字節的緩沖，以減少對本地DMA請求的頻率。

RTL8019AS內部有兩塊RAM區。一塊16K字節，地址為Ox4000～Ox7fff；一塊32字節，地址為Ox0000～Ox001f。RAM按頁存儲，每256字節為一頁。一般將RAM的前12頁(即Ox4000～Ox4bff)存儲區作為發送緩沖區；后52頁(即Ox4c00～Ox7fff)存儲區作為接收緩沖區。要接收和發送數據包就必須通過DMA讀寫RTL8019AS內部的16KB RAM。它實際上是雙端口的RAM，是指有兩套總線連接到該RAM，一套總線RTL8019AS讀或寫該RAM，即本地DMA另一套總線是單片機讀或寫該RAM，即遠程DMA。

89C52通過P2.7、/WR、/RD來劃分RTL8019AS和62256的地址空間。P2.7接62256的/CE引腳，低電平時選擇62256；高電平時選擇RTL8019AS的地址空間。

RTL8019AS初始化配置采用SerialEEPROM器件93LC66A實現，用來設置RTL8019AS的端口I/O基地址和以太網物理地址。RTL8019AS通過引腳EECS、EESK、EEDI控制93LC66A的CS、SK、DI引腳，通過EEDO接收93LC66A的DO引腳的狀態。RTL8019AS復位后讀取93LC66A的內容并設置內部寄存器的值，如果93LC66A中內容不正確，RTL8019AS就無法正常工作。

RTL8019AS和網絡連接電路，采用10BASE-T布線標準通過雙絞線進行以太網通訊，而RTL8019AS內置了10BASE-T收發器，所以網絡接口的電路比較簡單。和Internet的連接采用了集成了濾波器的RJ45接口(RJ_10102)，TPIN為接收線，TPOUT±為發送線，經隔離后分別與RJ-45接口的RX±、TX土端相連，通過RJ45接入以太網。

89C52的數據存儲器擴展電路

89C52內部有256字節RAM存儲器。但是，當單片機用于實時數據采集或處理大批量數據時，僅靠片內提供的RAM是遠遠不夠的。因此，為單片機擴展了一片SRAM芯片62256使數據存儲容量達到32K字節。

按圖2的連線，片選端直接與P2.7相連，當P2.7為“O”時選中62256，當P2.7為“1”時則選中RTL8019AS內部的地址空間，單片機的尋址8000H-801FH對應RTL8019AS的300H-31FH空間。

鍵盤、顯示控制電路

鍵盤電路為矩陣式鍵盤掃描，鍵盤矩陣分為4行3列。在4×3的12個鍵盤的使用中，有10個鍵定義了雙鍵或三鍵功能，從而可以實現28種操作功能，使現場儀表的操作能力大大加強。

液晶采用北京青云創新科技公司生產的LCM103顯示模塊，這是10位8段液晶顯示模塊，顯示控制電路如圖3所示，單片機通過控制液晶顯示模塊的/CS、/WR、DATA信號就可達到好的顯示效果。

A/D、D/A轉換電路

作為測量儀器儀表的基本功能，擴展了對外的A/D和D/A電路，A/D采用MAXIM公司的單5V電源供電、低功耗、12位模數轉換器MAX187、D/A采用MAXIM公司的單5V電源供電、低功耗、12位數模轉換器MAX539，A/D、D/A的接口電路如圖4所示。

由于D/A和A/D電路體積小、功耗低，分辨率也能滿足一定的要求，特別適合網絡嵌入式網絡終端。A/D轉換用于對經分壓后的外部交直流電壓信號進行幅度和頻率測量。D/A轉換用來產生模擬信號的輸出，以適應一些應用的需要。

結語

基于Internet的網絡虛擬儀表系統把Internet技術、電量測量技術、虛擬儀表技術、數據庫管理技術等相結合，利用Internet直接實現遠程虛擬儀表的測量及控制，將從嵌入式終端采集來的電量數據，通過虛擬儀表主機的控制軟件對采集來的數據進行計算、分析、處理、圖形或數字顯示、數據管理，并將分析后的結果回傳給終端。不同于傳統的RS-232串行通信的上、下位機方式和局域網的現場總線方式，利用現有的Internet能實現千里之外的信號測量及控制，具有完全儀表化操作界面，實踐證明，Internet的遠程虛擬儀表是完全可行的。