一種單片機的遠程通訊裝置及其方法
2023-10-22 21:24:37 1
專利名稱：一種單片機的遠程通訊裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種單片機的遠程通訊裝置及其方法。
背景技術：
目前，單片機微處理器已經廣泛用於控制系統當中，單片機本身具備一些SPI串行通 訊等近距離的通訊功能，但是通常通訊距離都有限。常用的RS232，485等通訊方式的數據 傳輸距離都不會超過幾百米。當有數據需要遠程通訊的時候，單片機往往就顯得無能為力 了。有的控制系統為了實現遠程通訊功能，採用帶網線接口的PLC等帶遠程通訊功能 的控制器，也會令控制器的成本大幅度增加，並且對於簡單的控制系統來說更是一種資源 的浪費。目前，有些單片機的應用場合，為了實現控制系統的遠程數據傳輸，採用專門的一 套乙太網傳輸裝置。這些裝置也採用乙太網控制器，RJ45接口等來連接網絡，不足之處是 往往採用嵌入式系統等來實現複雜的協議，而且在傳輸的過程中需要比較大的存儲空間， 往往需要擴展FLASH，RAM存儲器等。這就增加了遠程通訊的成本，而且增加了系統的複雜 度。這些傳輸方式往往採用套接字接口，會涉及到多線程，環境代價重大，不但線程管理等 會增加代碼的複雜度，而且往往需要額外的存儲器，還有執行任務切換的時間開銷等。這種 傳輸方式對於存儲器和代碼量有限的單片機來說是不能接受的。為了實現通訊功能，只能 另外增加相應的控制模塊，成本高，實現起來很複雜，本來不是很複雜的控制系統，往往通 訊部分比控制部分還要花費精力，得不償失。目前還很少見能用單片機來實現遠程通訊的 方法，也就無法把控制與遠程通訊放在一個單片機裡面來一次性實現。
發明內容
本發明的目的就是解決上述問題，提供一種單片機的遠程通訊裝置及其方法，它在控 制器的成本不高的前提下，實現控制器的遠程通訊功能，甚至可以將單片機數據連接到因 特網上，利用現有的網絡資源進行數據傳輸，在傳輸數據量不是很大的控制系統中，完全可 以滿足實時控制的要求，大大的降低了控制系統的成本；通訊協議實現方法簡單，可以大大 減輕設計人員的工作量；用一個單片機微處理器就可以實現控制和遠程通訊，從而使得系 統結構變得簡單。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案
一種單片機的遠程通訊裝置，它包括帶SPI接口的獨立乙太網控制器ENC28J60，單片 機與太網控制器連接，乙太網控制器與網絡系統連接；在乙太網控制器的差分接收引腳上， 設有一個脈衝變壓器I ；在差分發送引腳上，外接一個脈衝變壓器II。所述脈衝變壓器I為10BASE-T操作的1 :1脈衝變壓器。所述脈衝變壓器II為一個帶有中心抽頭的1 :1脈衝變壓器。所述乙太網控制器的主控制器運行在非3. 3V的電壓下時，當SPI和中斷輸入由 ENC28J60上的3. 3VCM0S輸出驅動時，主控制器需要與單向電平轉換晶片連接。
所述單向電平轉換晶片採用74ACT125型電平轉換晶片。一種單片機遠程通訊裝置的通訊方法，它的方法為單片機將要傳輸的數據進行打包，然後通過乙太網控制器ENC28J60將數據傳輸給乙太網，通過UlP協議棧進行數據 傳輸；其中，乙太網控制器ENC28J60工作頻率為25MHz，它內部有一個振蕩器啟動時鐘，上 電7500個時鐘周期300us後，仍可通過SPI總線對所有的乙太網寄存器和緩衝器進行讀 寫操作，然而在這期間不應試圖使用軟體發送任何數據包；啟動時鐘超時後應用軟體查詢 CLKRDY位來確定器件的正常工作。所述乙太網控制器ENC28J60與單片機的通訊是通過SPI實現的，乙太網控制器 ENC28J60所執行的操作完全依據外部控制器通過SPI接口發出的命令，命令為一個或多個 字節的指令，用於訪問控制存儲器和乙太網緩衝區，所述指令至少包含一個3位操作碼和 一個用於制定寄存器地址或數據常量的5位參數，寫和位域指令後還會有一個或多個字節 的數據。所述UlP協議棧的內存管理方式是使用了一個全局的數組uip_buf □，所述數組 的長度包含一個最大的數據包，當在接到數據包時，系統通過底層的驅動將數據寫到Uip_ buf[]中，數據包的長度為uip_len，也是全局變量，它們共同管理一個數據包；為了節省 RAM，發送數據和接收數據使用同一個uip_buf[]；只有在UipJen等於0的時候才可以接 收和發送數據；數據的重發與發送新的數據沒有區別，都是應用程式根據uIP協議棧的接 口數據包狀態UIP_REXMIT和UIP_ACKDATA來發送的；如果狀態是UIP_REXMIT，則應用程式 發送剛才的數據；如果狀態是是UIP_ACKDATA，則應用程式根據實際情況發送新的數據。所述數據收發過程為
首先判斷乙太網控制器ENC28J60的接收緩衝器內是否有數據包，如果沒有則重新掃 描；如果有則判斷數據包的類型是IP數據報還是ARP數據報，①如果是IP數據報，則首先 更新ARP的高速緩存表，然後調UlP協議棧函數uipjnputO處理數據包；如果有數據包輸 出，首先調用函數uip_arp_0Ut ，來查詢發送目的地的物理地址，如果沒有則利用乙太網 驅動函數MACWriteO函數發送ARP數據報，如果有則發送IP數據報；②如果數據包是ARP 數據報，則調用函數uip_arp_arpin ，如果ARP數據報是回答，則更新ARP高速緩存表，然 後利用MACWriteO函數發送數據報確認；如果數據報是請求，則利用MACWrite 函數發送 ARP回答數據報；UlP協議棧通過事件函數去調用應用程式，應用程式根據不同的事件函數 做出相應的響應。本發明將單片機中要傳輸的數據進行打包，由乙太網控制器將數據傳輸給以太 網，通過UlP協議棧進行數據傳輸。本發明採用帶SPI接口的獨立乙太網控制器ENC28J60。與其他乙太網控制器相比 較，它只有28引腳這就大大簡化了硬體設計。ENC28J60與微控制器MCU的通訊是通過SPI 實現的。ENC28J60所執行的操作完全依據外部控制器通過SPI接口發出的命令。命令為一 個或多個字節的指令，用於訪問控制存儲器和乙太網緩衝區。指令至少包含一個3位操作 碼和一個用於制定寄存器地址或數據常量的5位參數。寫和位域指令後還會有一個或多個 字節的數據。本發明採用的進行數據傳輸的UlP協議棧是一種免費的可實現極小的TCP/IP 協議棧。它去掉了全功能TCP/IP協議中不常使用的功能，保留了網絡通訊所必要的協議機制，減少了協議代碼量，降低了協議對系統的要求。本發明應用的版本為1.0，只需要9KFLASH和不到IK的RAM，就可以移植到單片機上，通過TCP/IP進行通訊。套節字接口適 用於大部分的作業系統，卻不適合微系統，因為在應用設計裡，它使用一個線程基於編程模 塊。一個多線程環境代價重大，因為不但在線程管理裡涉及增加代碼的複雜性，而且保存每 線程堆棧需要額外的儲存器，還有執行任務切換的時間開銷也攤派在這裡。微型系統不會 有足夠的資源去實現一個多線程環境，因此需要這個環境的應用接口不適合uIP。uIP使用 一個基於編程模塊的事件，模塊是實現應用程式作為一個C函數被uIP調用的地方，uIP響 應一定的事件。uIP調用應用在，當接收數據時，當數據成功送達另一方中止連接時，當一個 新的連接建立時，或者當數據需要重發時。應用程式也周期性地循環等待新數據。應用程 序的調用是由於事件來引起的。本發明將寫的應用程式定義成宏函數，當有事件發生時調 用宏函數。以此在應用程式中完成數據的發送和接收。本發明的有益效果是實現了單片機微處理器的遠程通訊功能，可以採用此方案 設計出成本比較低，而又可以實現遠程通訊功能的控制器，而且結構簡單，操作方便，簡單。
圖1是ENC28J60控制器連接電路； 圖2是ENC28J60控制器外部連接電路； 圖3是uIP協議棧的數據包處理過程流程圖； 圖4是該發明總體框其中，1.單片機，2.乙太網控制器，3. RJ45接頭，4.網絡系統。
具體實施例方式
下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。本發明總體的連接如圖4所示。需要進行數據傳輸的單片機1與乙太網控制器 2相連接，具體連接電路如圖1所示。乙太網控制器2又通過RJ45接頭3與網絡系統4相 連接，將數據通過網線發送出去。乙太網控制器2的工作頻率為25MHz，它內部有一個振蕩 器啟動時鐘，上電7500個時鐘周期(300us)後，仍可通過SPI總線對所有的乙太網寄存器 和緩衝器進行讀寫操作。然而在這期間不應試圖使用軟體發送任何數據包。啟動時鐘超時 後應用軟體查詢CLKRDY位來確定器件的正常工作。要實現乙太網接口，ENC28J60需要幾 個標準的外部器件。如圖2所示，在差分接收引腳上，需要一個專用於10BASE-T操作的1 1脈衝變壓器。在差分發送引腳上，需要外接一個帶有中心抽頭的1:1脈衝變壓器。變壓 器應具有2KV以上的電壓隔離性能以防止靜電幹擾。ENC28J60是一個工作電壓為3. 3V的 器件，它被設計為易於集成到單片機電路系統中。主控制器運行在非3. 3V的電壓下時，當 SPI和中斷輸入由ENC28J60上的3. 3VCM0S輸出驅動時，需要一個單向電平轉換晶片，本發 明採用74ACT125作為電平轉換晶片。為了節約RAM，uIP內存的管理方式沒有採用動態的分配內存，而是使用了一個全 局的數組uip_buf[]。數組的長度可以包含一個最大的數據包，當在接到數據包時，系統通 過底層的驅動將數據寫到Uip_buf[]中，數據包的長度為uip_len，也是全局變量，它們共 同管理一個數據包。為了節省RAM，發送數據和接收數據使用同一個uip_buf[]。只有在 UipJen等於0的時候才可以接收和發送數據。數據的重發與發送新的數據沒有根本上的 區別，都是應用程式根據uIP協議棧的接口數據包狀態UIP_REXMIT和UIP_ACKDATA來發送的。如果狀態是UIP_REXMIT，則應用程式發送剛才的數據；如果狀態是是UIP_ACKDATA，則 應用程式根據具體情況可發送新的數據。數據收發過程如圖3所示，首先判斷乙太網控制 器ENC28J60的接收緩衝器內是否有數據包，如果沒有則重新掃描。如果有則判斷數據包的 類型是IP數據報還是ARP數據報，①如果是IP數據報，則首先更新ARP的高速緩存表，然後 調UlP協議棧函數uipjnputO處理數據包。如果有數據包輸出，首先調用函數uip_arp_ out ，來查詢發送目的地的物理地址，如果沒有則利用乙太網驅動函數MACWrite 函數 發送ARP數據報，如果有則發送IP數據報；②如果數據包是ARP數據報，則調用函數 uip_ arp_arpin ，如果ARP數據報是回答，則更新ARP高速緩存表，然後利用MACWrite 函數 發送數據報確認；如果數據報是請求，則利用MACWrite 函數發送ARP回答數據報。uIP協 議棧通過事件函數去調用應用程式，應用程式根據不同的事件函數做出相應的響應。
權利要求
一種單片機的遠程通訊裝置，其特徵是，它包括帶SPI接口的獨立乙太網控制器ENC28J60，單片機與太網控制器連接，乙太網控制器與網絡系統連接；在乙太網控制器的差分接收引腳上，設有一個脈衝變壓器I；在差分發送引腳上，外接一個脈衝變壓器II。
2.如權利要求1所述的單片機的遠程通訊裝置，其特徵是，所述脈衝變壓器I為 10BASE-T操作的1 :1脈衝變壓器。
3.如權利要求1所述的單片機的遠程通訊裝置，其特徵是，所述脈衝變壓器II為一個 帶有中心抽頭的1 :1脈衝變壓器。
4.如權利要求1所述的單片機的遠程通訊裝置，其特徵是，所述乙太網控制器的主控 制器運行在非3. 3V的電壓下時，當SPI和中斷輸入由ENC28J60上的3.3VCM0S輸出驅動時， 主控制器則需要與單向電平轉換晶片連接。
5.如權利要求4所述的單片機的遠程通訊裝置，其特徵是，所述單向電平轉換晶片採 用74ACT125型電平轉換晶片。
6.一種採用權利要求1所述單片機遠程通訊裝置的通訊方法，其特徵是，它的方法為 單片機將要傳輸的數據進行打包，然後通過乙太網控制器ENC28J60將數據傳輸給乙太網， 通過uIP協議棧進行數據傳輸；其中，乙太網控制器ENC28J60工作頻率為25MHz，它內部有 一個振蕩器啟動時鐘，上電7500個時鐘周期300us後，仍可通過SPI總線對所有的乙太網 寄存器和緩衝器進行讀寫操作，然而在這期間不應試圖使用軟體發送任何數據包；啟動時 鍾超時後應用軟體查詢CLKRDY位來確定器件的正常工作。
7.如權利要求6所述的單片機遠程通訊裝置的通訊方法，其特徵是，所述乙太網控制 器ENC28J60與單片機的通訊是通過SPI實現的，乙太網控制器ENC28J60所執行的操作完 全依據外部控制器通過SPI接口發出的命令，命令為一個或多個字節的指令，用於訪問控 制存儲器和乙太網緩衝區，所述指令至少包含一個3位操作碼和一個用於制定寄存器地址 或數據常量的5位參數，寫和位域指令後還會有一個或多個字節的數據。
8.如權利要求6所述的單片機遠程通訊裝置的通訊方法，其特徵是，所述uIP協議棧 的內存管理方式是使用了一個全局的數組uip_buf □，所述數組的長度包含一個最大的數 據包，當在接到數據包時，系統通過底層的驅動將數據寫到uip_buf []中，數據包的長度為 uip_len，也是全局變量，它們共同管理一個數據包；為了節省RAM，發送數據和接收數據使 用同一個uip_buf[]；只有在uip_len等於0的時候才可以接收和發送數據；數據的重發與 發送新的數據沒有區別，都是應用程式根據uIP協議棧的接口數據包狀態UIP_REXMIT和 UIP_ACKDATA來發送的；如果狀態是UIP_REXMIT，則應用程式發送剛才的數據；如果狀態是 是UIP_ACKDATA，則應用程式根據實際情況發送新的數據。
9.如權利要求6所述的單片機遠程通訊裝置的通訊方法，其特徵是，所述數據收發過 程為首先判斷乙太網控制器ENC28J60的接收緩衝器內是否有數據包，如果沒有則重新掃 描；如果有則判斷數據包的類型是IP數據報還是ARP數據報，①如果是IP數據報，則首先 更新ARP的高速緩存表，然後調uIP協議棧函數uipjnputO處理數據包；如果有數據包輸 出，首先調用函數uip_arp_0Ut ，來查詢發送目的地的物理地址，如果沒有則利用乙太網 驅動函數MACWriteO函數發送ARP數據報，如果有則發送IP數據報；②如果數據包是ARP 數據報，則調用函數uip_arp_arpin ，如果ARP數據報是回答，則更新ARP高速緩存表，然 後利用MACWriteO函數發送數據報確認；如果數據報是請求，則利用MACWrite 函數發送ARP回答數據報；uIP協議棧通過事件函數去調用應用程式，應用程式根據不同的事件函數 做出相應的響應。
全文摘要
本發明涉及一種單片機的遠程通訊裝置及其方法。它在控制器的成本不高的前提下，實現控制器的遠程通訊功能，甚至可以將單片機數據連接到網際網路上，利用現有的網絡資源進行數據傳輸，在傳輸數據量不是很大的控制系統中，完全可以滿足實時控制的要求，大大的降低了控制系統的成本，其結構為它包括帶SPI接口的獨立乙太網控制器ENC28J60，單片機與太網控制器連接，乙太網控制器與網絡系統連接；在乙太網控制器的差分接收引腳上，設有一個脈衝變壓器I；在差分發送引腳上，外接一個脈衝變壓器II。
文檔編號H04L12/28GK101833296SQ20101017209
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者王平, 王海相, 郭俊美, 陳曉軍, 陳清玫, 馬思樂 申請人:山東大學