网络协议转换系统

张志亮，姜 甄

（上海理工大学 电气工程学院，上海200092）

0 引 言

最近几年，以太网技术日趋成熟，得到了空前的发展，在各个领域中，TCP／IP协议为主的开放式互联网技术得到广泛应用。但是在很多情况下，以RS－232串口为主要代表的传统异步串行接口设备依旧在广泛的应用中。在很多场合中，设备串行数据需要同一网络来传输，这就要解决旧设备和现代通信网络之间的互联。

20世纪90年代以来，嵌入式技术在国内外得到了很大的发展。通信领域中，先进的数字技术已经完全代替了传统的模拟技术。广播领域中，美国已经进入了数字化电视时代，欧洲流行的数字广播电视已经在全球得到了认可，并且发展速度迅猛，数字音频广播也已经正式打入国际市场。同时，各种计算机软件、新型元器件和集成电路在通信和消费者需求品中作用也日益增大。例如，在维纳斯计划中应用的生产机顶盒，最核心的技术就是应用了32以上的高端芯片级嵌入式的技术。个人的领域中，嵌入式技术的主要用途是为个人的商用，成为了个人通信和数据移动必不可少的工具，如在手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件等方面取得一定成效。

1 系统硬件设计部分

1.1 前端机端口电路设计

前端机接口总线为 RS－232通信总线，采用MAX3232进行设计。该芯片采用＋3.3 V电源供电，RE和DE分别为接受和发送的使能管脚，将RE和DE连接在一起构成半双工的通信方式。

单片机可以当作普通的串行通信一样传输或接受数据，只要接受和发送数据的时候分别使能RE和DE管脚。由于RS－232总线的传输距离比较远，在传输速度比较快的时候容易造成信号的反射，为此，在电路上增加了R16作为专门的匹配电阻，以防止信号的反射，其大小与传输线的直流电阻差不多大。另外需要注意的是RS－232总线为差分传输模式，所以即使不接地也可以通信，但是在工程应用中往往是需要将传输线的屏蔽层接到电路中的地线上，这样可以有效地防止传输过程中外部干扰的串入。

1.2 以太网接口电路设计

以太网接口电路是整个系统的支撑，CP2200有三种工作方式：I／O方式、储存器方式和DMA方式。该系统中应用I／O方式，CP2200所有控制寄存器的基地址都是300H，所以在连接地址线的时候，高位被连接到固定的高电平上，只有A0到A3连接到单片机的I／O管脚上，IOR和IOW是控制线，用来传送读或写的命令给CP2200芯片。

1.3 人机接口电路

这部分电路提供了一个完整的操作界面，使用户能够很好地收集和采集到数据，设置系统工作时的参数。这部分包括LCD显示屏、键盘、LED指示灯等电路。

选用了NOKIA的LCD作为显示器件，采用SPI总线与CPU通信，点阵数为84×48，UT1用来驱动单片机的管脚去控制LCD的背光，背光是否点亮可以通过键盘来控制。电路的下面为键盘用来输入信息和设置系统的工作参数；LED是受远程计算机控制的，可以根据具体应用场合和实际需要换成其他受控器件，如继电器、晶闸管等。

2 系统软件设计部分

系统软件的设计是本系统的核心部分，也是最具有难度的部分。由于单片机资源有限，把TCP的核心部分转接到单片机中，同时再把不需要的部分全部舍弃。本系统的软件以4层形式来表示：以太网物理层、以太网接口层、互联网络层、网络传输层。以太网物理层用来驱动以太网控制器。以太网接口层用来完成以太网卡的识别，其中应用的重要协议为ARP协议。互联网络层用来完成最基本的网络传输协议任务，其中应用的协议为IP协议，它是一个极具代表性的协议，作用如同交通工具，把数据送往正确的目的地，还有ICMP等协议。网络传输层包括TCP、UDP等重要协议，其中TCP协议是一种目前已应用非常广泛的网络协议，它是数据的指挥部，指挥数据按照要求进行传输，并且为数据传输提供了高可靠性，增加了传输安全性。

2.1 以太网驱动程序设计

对以太网控制器与八位的8051单片机之间的通信，可选中断方式或查询方式的其中一种来进行控制。若采用中断方式，稍作修改可成为查询方式的驱动程序，可以实现在主程序中不对以太网控制器进行不断查询，因此形成了一个相对比较独立的驱动程序模块，从而能较直接地与TCP／IP协议的模块进行接口。

在中断方式下，以太网接入驱动程序主要由3大部分组成：接受数据模块、发送数据模块和以太网控制器中断服务程序。数据通过以太网控制器中断服务程序进行发送，可以提高系统的实用性。中断服务器的核心任务是发送接受以太网帧，所有程序也是为这两个过程服务的。

2.2 TCP协议程序设计

TCP协议，即传输控制协议，它在网络通信过程中起着不可替代的作用，是一种网络传输层的协议。它在数据通信方面具有高可靠性，同时也具备处理网络传输过程中的错误和信息丢失方面的能力，像数据传输的重发和超时。TCP协议是IP协议的上层协议，它的首部也具备20个固定字节，但是和IP首部是不同的。

TCP协议的工作流程分为三步：第一步建立连接，第二步传送数据，第三步释放连接。作为面向连接的TCP协议，首先得建立TCP连接，然后进入数据的传输环节。建立TCP连接应用的是客户服务器方式，客户通常定义为主动发起连接的应用进程，服务器通常定义为被动等待建立连接的应用进程。TCP协议必须经过3次握手才能建立正确连接。

连接完成后，就进入双方的数据传输环节了。在传输数据进程中，TCP报文都会得到对方发出的ACK应答。如果收到对方应答，表示发出的数据已经到达并吸收。如果没有收到对方的应答，发送方就会再发送此报文。如果还是没有，则再次发送，以此循环。因为设置了重发次数，如果达到了重发次数还没收到对方的ACK应答，则宣告本次发送失败，不能再使用，并关闭TCP连接，关闭过程通过4次握手才能确定。TCP报文数据处理过程类似于IP数据的处理，都是一个加包解包过程，不同之处在于TCP加包解包就处理其报文段。

3 结 论

在科技突飞猛进的21世纪，网络几乎涉及各个行业，包括数据采集和仪器仪表范畴。在一个数据采集系统中，开发数据采集系统固然不简单，但开发网络协议更具有挑战性，将耗费更多的时间精力和财力。因此，为了实现数据采集和仪器仪表的数据远程传输，应用本系统将具有更大的意义。此系统使具有网络远程传输功能的设备更易于开发，大幅度减少其开发周期，节约不必要的投入，实现了设备经济型这一现实指标。本系统已经应用于许多领域，优势显著。例如，在印刷票据的在线识别系统中已经得到成功的运用，由于印刷票据在线识别设备用于印刷厂中，具有非常强的电磁干扰，使用串口长距离传输时，稳定性不好，而使用了此系统后，不需要重新设计原来的识别设备，却增加了数据传输的抗干扰性，也具有连接以太网的功能。

［1］叶正清，张 志.基于PIC18F97J60的以太网通信接口设计［J］.石油工程建设.研究与开发，2008，（12）：36－39.

［2］纪珍从.基于SPI总线的低频信号数据采集系统的设计［J］.机床电器，2008，（01）：5－8.

［3］彭 军.传感器与检测技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2003.

［4］关守平，姚 永.嵌入式系统的网络接口模块设计及应用［J］.仪器仪表学报，2007，（04）：267－269.

［5］谢 望.传感器技术的现状和发展趋势［J］.仪器仪表用户，2006，13，（05）：1－2.

［6］王小菊，潘琢金.嵌入式网络接口模块设计及协议栈实现［J］.沈阳航空工业学院学报，2007，（01）：48－52.