【正文】 編號： 1232110163 本科畢業(yè)論文 基于 TCP/IP 協(xié)議的單片機以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)設(shè)計 院 系：電子科學(xué)與工程系 姓 名：閆 明 學(xué) 號： 0832110163 專 業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù) 年 級： 2020 級 指導(dǎo)教師：文 樺 職 稱：副教授 完成日期： 2020 年 5 月 20 日 I 摘 要 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和單片機應(yīng)用的成熟，工業(yè)控制系統(tǒng)逐步向網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制方向發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景越來越廣泛。利用 8 位 AT89C52 單片機提供的系統(tǒng)資源 和處理能力，加上 ISA 接口的 10Mb/s 網(wǎng)卡芯片 RTL8019AS 組成單片機以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)，用戶終端通過 RJ45 串口設(shè)備將該系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在遠(yuǎn)程 PC 機上控制該系統(tǒng)。利用實驗總結(jié)、查閱資料、模擬仿真等方法，解決了嵌入式設(shè)備與以太網(wǎng)絡(luò)的連接的理論基礎(chǔ)問題。以太網(wǎng)通訊系統(tǒng) 能夠 實現(xiàn)辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫 結(jié)合， 從而實現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)通信等功能， 同時也達(dá)到低成本、 低功耗、 可靠連接網(wǎng)絡(luò)的目的。 關(guān)鍵詞 ： TCP/IP 協(xié)議棧； AT89C52；以太網(wǎng)通訊；嵌入式系統(tǒng) II Abstract With the maturity of work technology and application of singlechip, Industrial control system develops into a direction of remote control work gradually, embedded system has broad application prospects in the field of remote control. This design programme uses system resources and processing ability that 8 bit single tablets machine AT89C52 provides and 10 Mb/s NIC chip RTL8019AS with ISA interface to constitute the SCM Ether munications system, RJ45 can use this system to existing serial devices to quickly and easily access work. Using methods of experimental summary, check the data and simulation, solved basic theory problem of connecting embedded equipment and etheric work. This munication system can realize seamless integration between office automation and industrial automation, and functions of the instrument remote control and remote data terminal’s data munication, and can also achieve purpose of low cost, low power consumption and reliable connection work. Key words: TCP/IP protocol stack； AT89C52； Ether munication； Embedded system III 目 錄 1 引言 ............................................................ 1 課題背景及研究意義 ............................................... 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ................................................... 1 課題的設(shè)計目的 ................................................... 2 本文的研究內(nèi)容 ................................................... 3 2 相關(guān)技術(shù) ......................................................... 4 網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù) ..................................................... 4 TCP/IP 的分層模型 ........................................... 4 TCP/IP 協(xié)議的封裝 ........................................... 5 網(wǎng)際層協(xié)議 ....................................................... 6 IP 地址分配 ................................................. 6 地址解析協(xié)議 ................................................ 7 IP 分片 /重組 ................................................ 8 ICMP 協(xié)議 ................................................... 8 以太網(wǎng)幀格式 ..................................................... 9 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸過程 ............................................... 9 ........................................................ 10 方案一 .......................................................... 10 方案二 .......................................................... 10 方案選取 ........................................................ 11 4 元器件分析 ...................................................... 12 AT89C52 單片機簡介 ............................................... 12 RTL8019AS 簡介 ................................................... 14 SRAM 62256 與 E2PROM 93C46........................................ 16 5 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .................................................... 18 系統(tǒng)總體設(shè)計 .................................................... 18 硬件電路設(shè)計 .................................................... 18 單片機系統(tǒng)與外部存儲器擴展電路的設(shè)計 ....................... 18 IV RTL8019AS 與程序存儲器的接口電路設(shè)計 ....................... 19 以太網(wǎng)端口 RJ— 45 電路與網(wǎng)絡(luò)變壓器設(shè)計 ...................... 20 6 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .................................................... 22 RTL8019AS 驅(qū)動程序設(shè)計 ........................................... 22 RTL8019AS 的復(fù)位 ........................................... 22 RTL8019AS 的初始化 ......................................... 22 報文的發(fā)送 ................................................. 23 報文的接收 ................................................. 24 TCP/IP 協(xié)議棧的實現(xiàn) .............................................. 25 地址解析協(xié)議 ARP 的是實現(xiàn) ................................... 25 網(wǎng)絡(luò)層 IP 協(xié)議的實現(xiàn) ........................................ 26 差錯控制報文 ICMP 的實現(xiàn) .................................... 29 傳輸控制協(xié)議 TCP 的實現(xiàn) ..................................... 30 7 性能分析 ........................................................ 34 數(shù)據(jù)測試與仿真 .................................................. 34 性能分析 ........................................................ 36 8 總結(jié)與展望 ............................................................ 37 參考文獻(xiàn) ......................................................... 38 致謝 ............................................................. 39 附錄 1 基于 TCP/IP 協(xié)議的單片機通訊系統(tǒng)的電路原理圖 .................... 40 附錄 2 以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)的主程序 ....................................... 41 1 1 引言 課題背景及研究意義 隨著因特網(wǎng)技術(shù)的普及，信息共享的程度越來越高， 在工 業(yè)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)了引入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 趨勢 。 另外 因特網(wǎng)技術(shù)在家用電器設(shè)備上的應(yīng)用也非常廣泛。 Inter 一旦與家庭生活用品相結(jié)合，必然給家庭生活的網(wǎng)絡(luò)接入帶來飛速的發(fā)展。當(dāng)前，能接入 Inter 的家庭生活用品及設(shè)備大多是基于 MCU 的嵌入式設(shè)備，所以嵌入式系統(tǒng)的Inter 接入研究具有廣闊的應(yīng)用前景。嵌入式系統(tǒng)的 Inter 接入方式眾多，目前比較普遍的方式是處理機加 TCP/IP 協(xié)議，這種接入方式對 TCP/1P 協(xié)議的處理有兩種方法。其一，在嵌入式實時操作系統(tǒng) (RTOS)上運行 TCP/IP 協(xié)議。由于這種 方法對硬件配置要求較高，所以它不僅開發(fā)難度大，而且開發(fā)成本高。其二，采用固化 TCP/IP 協(xié)議的專用芯片。雖然應(yīng)用 TCP/IP 協(xié)議專用芯片能降低開發(fā)難度，但會增加系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的復(fù)雜性，這種方法的開發(fā)成本也較高 [1]。 2020 年 暑假和寒假期間 ，我在汕尾市芯靈電子科技有限公司為期近三個月的實習(xí)，我實習(xí)內(nèi)容主要為 TCP/IP 協(xié)議程序解析和利用 對電路原理圖的繪制與仿真。在公司實習(xí)中我對 TCP/IP 協(xié)議的子程序 ARP、 RARP、 ICMP、 IGMP 等協(xié)議程序有了更深入的理解，加快了從理論知識轉(zhuǎn) 化為實際操作的進(jìn)度，為我的畢業(yè)設(shè)計成功實現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。 TCP/IP 協(xié)議棧使得嵌入式系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)將通信距離無限擴展，讓數(shù)據(jù)的快速傳輸成為可能，以此能夠充分利用 PC 機上各種資源，完成數(shù)據(jù)的存儲、分析、統(tǒng)計工作外，還可以實現(xiàn)測控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，對于智能化、模塊化的嵌入式設(shè)備集群的實現(xiàn)提供了另一種途徑。 TCP/IP 協(xié)議可以通過調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換、狀態(tài)控制等功能，為嵌入式系統(tǒng)提供了更為靈活的控制、監(jiān)測方式。因此，基于 TCP/IP協(xié)議的單片機的嵌入式系統(tǒng)控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，嵌入 TCP/IP 協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng)，這些都具有深遠(yuǎn)的意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各種計算機網(wǎng)絡(luò)，它已成為當(dāng)今 Inter 中底層鏈接不可缺少的部分。 目前世界許多國家的科