实现RS-232接口与RJ45以太网接口转换器的设计方案
引言
随着互联网应用的日益普及，信息共享程度的不断提高，以单片机为中心的数据采集、检测控制等系统接入网络共享信息已成为一种趋势，传统的互联网的应用正从以pc机为中心的时代逐渐转到以单片机系统为中心的时代。
但是，目前在工业控制领域，单片机系统主要通过rs-232、rs-485和can总线协议通信，它们无法直接于互联网连接，因此，系统处于与互联网隔绝的状态。这些系统广泛采用低成本的8位单片机，而这种单片机一般只具有rs-232异步串行通信接口，要想接入互联网必须进行通信接口改造，这种改造不仅是接口的物理改造，关键是数据格式的改造和通信协议的转换。因此，本文提出一种rs-232串行通信接口与rj45以太网接口转换器的设计方案，已有的单片机系统可以通过该转换器接入以太网，进一步接入互联网，这种方案对研发嵌入式网络系统也有借鉴作用。
1、转换器的总体结构和工作过程
rs-232串口与rj45网络接口转换器由控制单元、网络接口单元、电源单元组成，总体结构见图1。其中，控制单元负责数据的收发和数据格式的转换，其核心是单片机;网络接口单元完成数据以太网帧格式的封装和拆封以及信号的变换;电源单元为控制单元和网络接口单元提供电源。
单片机系统具有标准的rs-232串行异步通信接口，若要通过转换器接入互联网，一般首先接入局域网，局域网基本采用以太网，再通过以太网接人互联网。因此，本文提出的转换器的网络接口采用以太网的rj45接口。如图2所示。
若数据从单片系统发送到互联网，则单片机系统发送的异步串行数据帧经过转换器后，把数据帧转换成以太网数据帧，然后上传到互联网;反之亦然。
2、硬件设计
2.1控制单元
该单元由单片机、存储器和锁存器等电路组成，如图3所示。
单片机采用***winbond公司的8位mcu(微控制器)w78e51，该芯片内部有32kb的大容量程序存储器，同时提供isp在线编程功能，方便程序调试以及软件升。由于w78e51单片机片内ram十分有限，为了完成数据包的接收和处理，在使用过程中为w78e51扩展一片62256外部数据存储器，临时存储以太网发来的数据帧和rs-232发来的数据，其片选信号/ce连接78e51的p2.7口，/oe和/we分别连接78e51的/rd和/wr，存储器62256占用单片机的外部数据地址空间0000h～7fffh，共32 kb;电平转换芯片max232外接少量元件就可实现ttl电平与rs-232电平的转换。
2.2网络接口单元
网络控制单元由以太网控制器、存储器和耦合隔离变压器等组成，如图4所示。
网络控制器采用rtl8019as，它是realtek公司生产的高集成度专用以太网接口芯片，支持pnp自动探测，内嵌16 kb的sram，具有全双工的通信接口。rtl8019as是针对isa总线而设计的，用于实现网络的物理层协议，主要包括网络控制器与网络电缆的物理连接、mac(介质访问控制)、数据帧的拆装、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编/解码和数据的串/并转换;rtl8019as的数据包发送/接收过程通过2个dma操作来完成。本地dma完成rtl8019as与片内fifo队列之间的数据传送，作用是完成控制器和网络线的数据交换;远程dma完成rtl8019as与外部处理器之间的数据传送。
由于rtl8019as工作于跳线模式，且ios0、ios3接高电平，ios1、ios2接低电平，决定了rtl8019as的i/o基地址为240h，单片机w78e51是靠地址总线和读写总线对rtl8019as进行操作的，因此把rtl8019as地址总线的sa0～sa4和sa6分别与单片机地址总线addr8～addr12和addr15相连，sa9接高电平，sa5、sa7、sa8和sa10～sa19全部接地，rtl8019as的i/o基地址240h映射到单片机地址的8000h，这样w78e51对片外数据存储器8000h的访问就可实现对rtl8019as基址的操作。rtl8019as的数据发送、接收引脚tpout-、tpout-、fpin-和fpin+通过隔离滤波变压器20f-01与以太网rj45接口相连，耦合隔离变压器主要具有信号传输、阻抗匹配、波形修复、杂波抑制以及高电压隔离等作用。 利用w78e51控制rtl8019as的各项操作，网络数据流通过rj45接口进入rtl8019as的缓冲区，然后经过rtl8019as处理后被w78e51读入到62256暂存，暂存的数据通过rs-232串口传送到单片机系统或其他设备;在向以太网发送数据时，单片机系统或其他设备经rs-232串口发送数据包至w78e51在62256中开辟的数据缓冲区，然后通过远程dma操作将组帧后的数据写入rtl8019as的片sram，再经rj45接口发送至以太网。
2.3电源单元
为简化转换器的结构和成本，电源外置，采用两种方式供电，一种是采用usb电源供电，另一种是采用+5 v通用电源器供电。转换器设计了两种电源接口。
3、程序流程
程序流程如图5所示。
转换器上电复位后，主程序进入检测以太网数据包的状态，分析接收到的数据包类型做出相应的处理;若单片机系统有数据发送给转换器，则转换器进入串行口中断服务程序，处理接收的串行数据包。
4、结束语
该转换器成功应用于某煤矿风机监测系统的改造项目上。改造前，只有与风机检测单片机系统连接的计算机能观测该风机的运行状态，改造后，只要接入矿区局域网的计算机都可以观测到风机的运行状态。
虽然该转换器基本上实现了单片机系统与以太网的通信，但是转换器的功能比较简单，若能把http协议嵌入到转换器，通过web的方式通信会更好。
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rs-232串口与rj45网络接口转换器由控制单元、网络接口单元、电源单元组成，总体结构见图1。其中，控制单元负责数据的收发和数据格式的转换，其核心是单片机;网络接口单元完成数据以太网帧格式的封装和拆封以及信号的变换;电源单元为控制单元和网络接口单元提供电源。
单片机系统具有标准的rs-232串行异步通信接口，若要通过转换器接入互联网，一般首先接入局域网，局域网基本采用以太网，再通过以太网接人互联网。因此，本文提出的转换器的网络接口采用以太网的rj45接口。如图2所示。
若数据从单片系统发送到互联网，则单片机系统发送的异步串行数据帧经过转换器后，把数据帧转换成以太网数据帧，然后上传到互联网;反之亦然。
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该单元由单片机、存储器和锁存器等电路组成，如图3所示。
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