當前工業(yè)控制系統(tǒng)中流行的控制方式：底層設備采用RS232總線結(jié)構(gòu)，而上層的管理層一般采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該控制方式使信號可以在企業(yè)的Intranet上及時發(fā)布和共享，還可以在Internet/Intranet的任何位置對現(xiàn)場智能設備進行在線控制、功能組態(tài)以及遠程診斷等，實現(xiàn)了控制網(wǎng)絡真正意義上的開放性和互操作性。而RS485總線是一種基于平衡發(fā)送和差分接收的串行總線，具有很強的抗共模干擾能力，在適當?shù)牟ㄌ芈氏聜鬏斁嚯x很遠。同時由于其硬件設計簡單、控制方便、易于進行網(wǎng)絡擴展，被廣泛的應用在很多工業(yè)現(xiàn)場。

本文所研究的嵌入式以太網(wǎng)適配器，就是要解決嵌入式設備網(wǎng)絡通信的問題，方便嵌入式系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡的通信，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、訪問及數(shù)據(jù)的傳輸。

一、主要芯片選擇及簡介

1、單片機AT89S52

本設計中AT89S52作為核心處理器。AT89S52是Atmel公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含有8k字節(jié)的EPROM和256字節(jié)的RAM。具有ISP（在系統(tǒng)編程）功能。它具有靈活性高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點。因此，該芯片在嵌入式控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。單片機AT89S52經(jīng)過以太網(wǎng)傳到PC機實現(xiàn)遠程控制。利用AT89S52的ISP（在系統(tǒng)編程）功能，很方便地把編好的程序?qū)懙絾纹瑱C中，并且調(diào)試、修改和升級很容易。由于AT89S52單片機本身提供了一組全雙工串行傳輸口，由TXD引腳來傳送串行數(shù)據(jù)，而由RXD引腳來接收數(shù)據(jù)，可是其工作邏輯電平皆為TTL電平（0V，5V）。AT89S52最小系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 AT89S52最小系統(tǒng)

2、網(wǎng)絡控制芯片ENC624J600

ENC624J600網(wǎng)絡控制器是一款帶有行業(yè)標準串行接口和并行接口的，專為嵌入式應用系統(tǒng)設計的獨立以太網(wǎng)控制芯片。ENC624J600通過SPI或并行接口與單片機通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為14Mbit/s（對于SPI）至160Mbit/s（對于16位的并行接口），ENC624J600主要功能特性有，自適應的選擇傳輸速率，支持10Mbit/s或100Mbit/s；充分支持半雙工或全雙工交換式以太網(wǎng)；可編程填充和CRC生成；提供24KBA片內(nèi)RAM緩沖區(qū)，用于執(zhí)行發(fā)送和接手操作，主單片機還可以用它來進行常規(guī)的存儲操作；支持總線8位或16位CPU訪問，可編程自動拒絕錯誤數(shù)據(jù)包；可編程為發(fā)生沖突時自動重發(fā)。

ENC624J600器件符合IEEE 802.3中適用于10 Base-T 和100 Base-TX 以太網(wǎng)的全部規(guī)范，包括許多可選條款，例如自動協(xié)商。ENC624J600器件采用了一系列數(shù)據(jù)包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進行限制。它還提供了一個16位寬的內(nèi)部DMA以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件IP校驗和計算支持。對于需要SSL、TLS 以及其他與加密相關(guān)的協(xié)議的安全和身份驗證功能的應用，提供了一個安全引擎模塊。 該引擎可執(zhí)行RSA、Diffie- Hellman、AES、MD5 和SHA-1 算法計算，以縮短代碼大小、加快連接的建立和吞吐，并減少固件開發(fā)的工作量。通過SPI或并行接口與單片機通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為14 Mbit/s（對于SPI）至160 Mbit/s （對于16 位解復用并行接口）。提供了專用于LED 連接、活動指示以及發(fā)送/接收/DMA 中斷的引腳。提供了一個通用24 KB片內(nèi)RAM緩沖區(qū)，用于執(zhí)行發(fā)送和接收操作。主單片機還可以用它來進行常規(guī)存儲操作。通信協(xié)議（例如TCP）可使用此存儲器保存可能需要重新發(fā)送的數(shù)據(jù)。在最終產(chǎn)品易于生產(chǎn)性方面，ENC624J600 系列的每個器件都預編程了唯一的非易失性MAC地址。在大多數(shù)情況下，這使最終器件省去了串行編程步驟，圖2給出了器件的一般框圖。

圖2 ENC624J600的框圖

3、外部數(shù)據(jù)存儲器FM1808

FM1808是基于鐵電存儲器原理制造的并行接口256Kbit鐵電存儲器，F(xiàn)M1808的主要特性如下：采用先進的鐵電技術(shù)制造；存儲容量為256Kbit；讀寫壽命為100億次；掉電數(shù)據(jù)可保存10年；寫數(shù)據(jù)無延時；存取時間為70ns；低功耗，工作電流為25mA，待機電流僅為20uA；采用單5V工作電壓；工作溫度范圍為-40℃～+85℃；具有特別優(yōu)良的防潮濕、防電擊及抗震性能；與SRAM或并行EEPROM管腳兼容。

二、硬件電路設計

1、AT89S52與以太網(wǎng)控制器連接電路的設計

本系統(tǒng)里，P0口被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用，當作數(shù)據(jù)線使用時用來連接NC624J600的8位數(shù)據(jù)接口。當作為地址線使用時，為了給ENC624J600提供15位地址的低8位，要采用復用技術(shù)，對地址和數(shù)據(jù)進行分離。因此P0口連接到74ls373的D0~D7，把低8位地址暫存，隨后有地址鎖存器的O0～O7給ENC624J600提供15位地址的低8位，而高7位由P2口通過74ls245提供，如圖3所示。

要使與單片機的接口具有高度的靈活性，ENC624J600器件提供了兩種選擇：基于串行外設接口（SPI）標準的串行接口和靈活的8/16位并行從端口接口。在任何給定時間只能使用一個接口。本課題中，AT89S52單片機和ENC624J600的連接選擇PSP接口，如圖3所示。要選擇PSP接口，則在上電時通過INT/ SPISEL引腳上的SPISEL功能由硬件選擇I/O接口。要完成此操作，需在向器件供電且器件退出上電復位狀態(tài)后將施加到該引腳的電平約鎖存1至10μs。如果SPISEL被鎖存在邏輯高電平狀態(tài)，將使能串行接口。如果SPISEL被鎖存在邏輯低電平狀態(tài)，則使能PSP接口。

圖3 AT89S52與以太網(wǎng)控制器連接電路的設計

2、AT89S52和與外部擴展存儲器FM1808的電路設計

AT89S52與FM1808的連接與AT89S52與NC624J600的連接類似，P0口被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用，當作數(shù)據(jù)線使用時用來連接FM1808的8位數(shù)據(jù)。當作為地址線使用時，采用復用技術(shù)，對地址和數(shù)據(jù)進行分離，給FM1808提供15位地址的低8位，而高7位由P2口通過74ls245提供，如圖4所示。

圖4 AT89S52和與外部擴展存儲器FM1808的電路設計

3、電源電路設計

電源模塊是一塊電路板最為基本的組成部分，只有穩(wěn)定可靠的電源為板上芯片供電才能夠保證各功能模塊的正常工作，因此在電源模塊的設計時首先應該初步計算電路板所有元件的功耗，然后在保證功耗的前提下選擇相應的芯片進行直流電源模塊設計，盡量做到體積小，重量輕；性價比合理；能長期穩(wěn)定、可靠地工作。

本適配器所需要的電源有3.3V。系統(tǒng)需要3.3V電源供電的芯片以太網(wǎng)控制器等。考慮到系統(tǒng)可能工作于高速通信模式，消耗電流會非常大，所以選用1片UC385芯片，每片UC385輸出電流可達800mA，可以完全滿足系統(tǒng)的需求。具體電路如圖5所示 。

圖5 電源模塊設計

三、軟件部分設計

1、主函數(shù)

上電先查詢ARP，若未獲取MAC，則發(fā)送ARP請求。若有新的數(shù)據(jù)，若TCP應答沒有完成，則應答TCP，完成TCP三次握手。然后根據(jù)請求類型響應HTTP。

2、TCP應答部分

1） 三次握手階段

所謂三次握手（Three-way Handshake），是指建立一個TCP連接時，需要客戶端和服務器總共發(fā)送3個包。三次握手的目的是連接服務器指定端口，建立TCP連接，并同步連接雙方的序列號和確認號并交換 TCP 窗口大小信息。

圖6 三次握手（Three-way Handshake）

第一次握手：客戶端發(fā)送一個TCP的SYN標志位置1的包指明客戶打算連接的服務器的端口，以及初始序號X，保存在包頭的序列號（Sequence Number）字段里。

圖7 第一次握手

第二次握手：服務器發(fā)回確認包（ACK）應答。即SYN標志位和ACK標志位均為1同時，將確認序號（Acknowledgement Number）設置為客戶的ISN加1以。即X+1。

第三次握手，客戶端再次發(fā)送確認包（ACK） SYN標志位為0，ACK標志位為1.并且把服務器發(fā)來ACK的序號字段+1，放在確定字段中發(fā)送給對方。并且在數(shù)據(jù)段放寫ISN的+1

圖9 第三次握手

其實在握手和結(jié)束時確認號應該是對方序列號加1，傳輸數(shù)據(jù)時則是對方序列號加上對方攜帶應用層數(shù)據(jù)的長度。

在傳輸TCP分包的過程中也是需要發(fā)送一分包，確認一分包的，而TCP確認包只有54字節(jié)，就是只有頭部信息。因此在傳輸TCP分包序列號一直不變，確認號按發(fā)送數(shù)據(jù)的長度遞增即可。

3、 HTTP

1）請求

連接成功建立后，開始向web服務器發(fā)送請求，這個請求一般是GET或POST命令（POST用于FORM參數(shù)的傳遞）。GET命令的格式為：GET 路徑/文件名 HTTP/1.0文件名指出所訪問的文件，HTTP/1.0指出Web瀏覽器使用的HTTP版本?，F(xiàn)在可以發(fā)送GET命令：GET /mytest/index.html HTTP/1.0，

2）應答

web服務器收到這個請求，進行處理。從它的文檔空間中搜索子目錄mytest的文件index.html。如果找到該文件，Web服務器把該文件內(nèi)容傳送給相應的Web瀏覽器。為了告知瀏覽器，Web服務器首先傳送一些HTTP頭信息，然后傳送具體內(nèi)容（即HTTP體信息），HTTP頭信息和HTTP體信息之間用一個空行分開。常用的HTTP頭信息有：

① HTTP 1.0 200 OK 　這是Web服務器應答的第一行，列出服務器正在運行的HTTP版本號和應答代碼。代碼“200 OK”表示請求完成。

② MIME_Version:1.0　它指示MIME類型的版本。

③ content_type：類型　這個頭信息非常重要，它指示HTTP體信息的MIME類型。如：content_type:text/html指示傳送的數(shù)據(jù)是HTML文檔。

④ content_length：長度值　它指示HTTP體信息的長度（字節(jié)）。

3）關(guān)閉連接

當應答結(jié)束后，Web瀏覽器與Web服務器必須斷開，以保證其它Web瀏覽器能夠與Web服務器建立連接。

4、提交表單GET/POST

GET請求的數(shù)據(jù)會附在URL之后（就是把數(shù)據(jù)放置在HTTP協(xié)議頭中），以？分割URL和傳輸數(shù)據(jù)，參數(shù)之間以&相連，如：login.acTIon？name=hyddd&password=idontknow&verify=%E4%BD%A0%E5%A5%BD。如果數(shù)據(jù)是英文字母/數(shù)字，原樣發(fā)送，如果是空格，轉(zhuǎn)換為+，如果是中文/其他字符，則直接把字符串用BASE64加密，得出如：%E4%BD%A0%E5%A5%BD，其中％XX中的XX為該符號以16進制表示的ASCII。

POST把提交的數(shù)據(jù)則放置在是HTTP包的包體中。在FORM（表單）中，Method默認為“GET”。

本文中登錄時提交表單數(shù)據(jù)采用的是POST方式，而提交控制信息表單時用的是GET。以下是用抓包的方式明顯看出他們的不同之處。

圖10 POST方式

圖11 GET方式

圖12 GET方式是提交的數(shù)據(jù)直接放在URL中了

5、總體軟件設計

AT89S52單片機首先對ENC624J600進行初始化，首先應查詢ESTAT寄存器的CLKRDY位，確保在配置MAC和PHY寄存器前有足夠的延時；PHY寄存器用來設置通信模式；編程ERXST和ERXND指針對接收緩沖器進行初始化，當編程ERXST指針時，相同的值會自動更新ERXWRPT寄存器，接收硬件將從ERXWRPT中的地址開始寫入已收到的數(shù)據(jù)，為跟蹤接收的數(shù)據(jù)，ERXRDPT寄存器也需要用相同的值編程；為了能最大限度地降低主控制器的處理工作量，ENC624J600配備了不同的過濾器，可自動拒絕不需要的數(shù)據(jù)包，所有的過濾器都由ERXFCON寄存器進行配置，可以使用ANDOR位對幾個過濾器的測試結(jié)果作邏輯/與0或邏輯/或0運算；由于未被用作接收緩沖器的存儲空間都作為發(fā)送緩沖器，所以不需要對發(fā)送緩沖器進行特定的初始化，通常將存儲空間分配為大的接收緩沖器空間和較小的接收存儲空間。

在初始化完成后，即進入主循環(huán)程序，單片機將反復檢測ENC624J600是否接收到以太網(wǎng)幀（或者數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中有數(shù)據(jù)需要發(fā)送），當有數(shù)據(jù)接收（或者發(fā)送）時則根據(jù)標志位進行相應的子函數(shù)處理，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（或者發(fā)送至以太網(wǎng)上）。主程序流程如圖13所示。