嵌入式串/网口转换模块
2010-12-17 17:36:12
来源：《半导体器件应用》2010年3月刊
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0 引言
工业控制领域有两种较为流行的技术方案，一个是现场总线技术，另一个是工业以太网技术。随着工业以太网技术的发展，目前，基于以太网的工业控制系统正逐渐替代现有的现场总线式控制系统。多数现场总线式控制系统的设备通过异步串行通信接口RS485/RS232或CAN总线协议通信，无法直接与互联网连接实现工业以太网控制系统的改造。要想接入到互联网必须进行通信接口改造，实现串口到以太网的转换。
串/网口转换技术可将串口数据立即转换成网络数据，实现没有操作系统的Internet连接，有效解决串/网口之间的转换问题。目前，利用单片机设计的串口到工业以太网口转换的设备非常多，多是采用基于外挂式的解决方案，体积大、成本高、使用不方便，不利于设备制造商和系统集成商与其它电子设备进行二次开发。嵌入式串/网口转换模块以单片机STC89LE52RC作为主控制器、W5100作为网络芯片，外接RJ45座、LED指示灯、串口连接器等，实现了串/网口转换设备的模块化，达到成本低、功耗低、体积小、可靠性高、即插即用的特点，可以直接嵌入到其它电子产品中，给系统的整合提供了更大的灵活性。
1 嵌入式串/网口转换模块硬件设计
1.1 嵌入式串/网口转换模块硬件结构
如图1所示，本模块主要包括控制单元、网络接口单元、外扩存储单元三部分部分，同时，模块设置有RS232 /422/485插针接口，RJ45插针接口和3.3V电源插针接口。
(1) 控制单元
控制单元采用STC89LE52RC单片机，属于STC公司推出的STC89系列单片机，是MCS-51系列单片机的派生产品。
STC89LE52RC加密性强，超低功耗，掉电模式的典型功耗小于0.1μA，超低价，高速，高可靠性，强抗静电，强抗干扰，2.0V-3.8V宽电压供电，不怕电源抖动，具有三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施，ISP（在系统可编程）、IAP（在应用可编程），无需编程器、仿真器，可通过串口直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片。四个通用I/O口，一个通用异步串行口(UART)，还可以用定时器软件实现多个UART，LQFP44小型封装，片上集成8K字节容量的用户应用程序空间，512字节RAM存储器，2K字节的E2PROM。
(2) 网络接口单元
网络接口单元采用WIZ net公司推出的一款多功能的单片网络接口芯片W5100，其内部集成硬件的、且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)为一体。W5100硬件TCP/I P协议栈支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE协议。W5100内部还集成有10/100以太网控制器，与IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容；支持4个独立端口同时运行，不需要考虑太多以太网的控制，只需要进行简单的端口(Socket)编程；内部16K字节的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换，最大通信速率达到25Mbps；提供多种总线（直接、间接并行总线和SPI总线）接口方式，可以很方便地与各种单片机连接。
W5100大大简化了硬件电路设计，使单片机系统在没有操作系统的支持下，真正实现了单芯片接入Internet的理想。
(3) 外扩存储单元
模块外扩存储单元选用IS61LV256AL，为32KB的静态随机存储器，简称SRAM(Static Random Access Memory)，用来存储用户数据。IS61LV256AL为3.3V低压供电，采用CMOS技术，同时兼容TTL接口电平，全静态操作，具有存取速度快、低功耗等特点。
(4) 其他部分
嵌入式串/网口转换模块同时还设有串口插针、网络插针、电源插针。
串口插针用来与外部RS232485电平转换芯片连接，通过相应电平转换芯片实现TTL电平与RS232RS485电平的转换，再通过RS232RS485标准接口与串口设备连接。已经预装了RS-485接口到以太网络接口的转换程序，允许通过局域网或互联网与串行端口设备通信，而且客户可以根据自己的需求在本产品上开发RS-232接口转以太网；网络插针实现与外部RJ45连接器、以太网连接LED指示、数据通信LED指示的连接；电源插针，用来为模块及各用电单元提供3.3VTTL电平。
1.2 模块工作过程概述
串行通信数据经RS485串口插针到控制单元转换网络通信数据，使之符合支持TCP、UDP协议。网络通信数据经网络接口单元实现Internet 连接，由RJ45网络插针接口输出。
使用该转换模块采用插针式连接器设计，大大减小了设备体积、实现即插即用，可以方便嵌入到其它电子设备中工作。将其安装于PCB板上，一端连接到电路板上的串口，另一端连接到以太网接口，CPU上的串行数据通过模块发送到以太网上的目的IP上，以太网上接收到的数据也可通过模块转发到串口上，使得操作网络就象操作串口一样方便，节省成本和开发时间。
2 嵌入式串/网口转换模块软件设计
嵌入式串/网口转换模块软件主要包括单片机STC89LE52RC的各处理程序、外扩存储器驱动程序和网络芯片W5100相关收发数据程序，实现了串口数据到网络数据格式的改造和通信协议的转换。
软件程序流程如图2所示。
3 总结
基于STC89LE52RC单片机控制的嵌入式串/网口转换模块实现了串口通信设备和工业以太网的通信，原有监控系统的串行设备完全可以独立运行，不需要重新设计与开发。嵌入式串/网口转换模块面积只有49mm×38mm，可以减少50%的设备空间，可以直接嵌入到其它电子产品中，让串口设备立即网络化；提供一路3.3V TTL电平信号接口，模块整体功耗低，功率范围小于2W；模块内部保存通信参数，不需要每次上电重新设置通信参数；支持串口模块进行参数配置，方便用户对模块参数及时修改；支持虚拟串口功能，使嵌入式串、网口转换模块的使用像串口一样简单、方便。
工业控制领域有两种较为流行的技术方案，一个是现场总线技术，另一个是工业以太网技术。随着工业以太网技术的发展，目前，基于以太网的工业控制系统正逐渐替代现有的现场总线式控制系统。多数现场总线式控制系统的设备通过异步串行通信接口RS485/RS232或CAN总线协议通信，无法直接与互联网连接实现工业以太网控制系统的改造。要想接入到互联网必须进行通信接口改造，实现串口到以太网的转换。
串/网口转换技术可将串口数据立即转换成网络数据，实现没有操作系统的Internet连接，有效解决串/网口之间的转换问题。目前，利用单片机设计的串口到工业以太网口转换的设备非常多，多是采用基于外挂式的解决方案，体积大、成本高、使用不方便，不利于设备制造商和系统集成商与其它电子设备进行二次开发。嵌入式串/网口转换模块以单片机STC89LE52RC作为主控制器、W5100作为网络芯片，外接RJ45座、LED指示灯、串口连接器等，实现了串/网口转换设备的模块化，达到成本低、功耗低、体积小、可靠性高、即插即用的特点，可以直接嵌入到其它电子产品中，给系统的整合提供了更大的灵活性。
1 嵌入式串/网口转换模块硬件设计
1.1 嵌入式串/网口转换模块硬件结构
如图1所示，本模块主要包括控制单元、网络接口单元、外扩存储单元三部分部分，同时，模块设置有RS232 /422/485插针接口，RJ45插针接口和3.3V电源插针接口。
(1) 控制单元
控制单元采用STC89LE52RC单片机，属于STC公司推出的STC89系列单片机，是MCS-51系列单片机的派生产品。
STC89LE52RC加密性强，超低功耗，掉电模式的典型功耗小于0.1μA，超低价，高速，高可靠性，强抗静电，强抗干扰，2.0V-3.8V宽电压供电，不怕电源抖动，具有三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施，ISP（在系统可编程）、IAP（在应用可编程），无需编程器、仿真器，可通过串口直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片。四个通用I/O口，一个通用异步串行口(UART)，还可以用定时器软件实现多个UART，LQFP44小型封装，片上集成8K字节容量的用户应用程序空间，512字节RAM存储器，2K字节的E2PROM。
(2) 网络接口单元
网络接口单元采用WIZ net公司推出的一款多功能的单片网络接口芯片W5100，其内部集成硬件的、且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)为一体。W5100硬件TCP/I P协议栈支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE协议。W5100内部还集成有10/100以太网控制器，与IEEE802.3 10BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容；支持4个独立端口同时运行，不需要考虑太多以太网的控制，只需要进行简单的端口(Socket)编程；内部16K字节的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换，最大通信速率达到25Mbps；提供多种总线（直接、间接并行总线和SPI总线）接口方式，可以很方便地与各种单片机连接。
W5100大大简化了硬件电路设计，使单片机系统在没有操作系统的支持下，真正实现了单芯片接入Internet的理想。
(3) 外扩存储单元
模块外扩存储单元选用IS61LV256AL，为32KB的静态随机存储器，简称SRAM(Static Random Access Memory)，用来存储用户数据。IS61LV256AL为3.3V低压供电，采用CMOS技术，同时兼容TTL接口电平，全静态操作，具有存取速度快、低功耗等特点。
(4) 其他部分
嵌入式串/网口转换模块同时还设有串口插针、网络插针、电源插针。
串口插针用来与外部RS232485电平转换芯片连接，通过相应电平转换芯片实现TTL电平与RS232RS485电平的转换，再通过RS232RS485标准接口与串口设备连接。已经预装了RS-485接口到以太网络接口的转换程序，允许通过局域网或互联网与串行端口设备通信，而且客户可以根据自己的需求在本产品上开发RS-232接口转以太网；网络插针实现与外部RJ45连接器、以太网连接LED指示、数据通信LED指示的连接；电源插针，用来为模块及各用电单元提供3.3VTTL电平。
1.2 模块工作过程概述
串行通信数据经RS485串口插针到控制单元转换网络通信数据，使之符合支持TCP、UDP协议。网络通信数据经网络接口单元实现Internet 连接，由RJ45网络插针接口输出。
使用该转换模块采用插针式连接器设计，大大减小了设备体积、实现即插即用，可以方便嵌入到其它电子设备中工作。将其安装于PCB板上，一端连接到电路板上的串口，另一端连接到以太网接口，CPU上的串行数据通过模块发送到以太网上的目的IP上，以太网上接收到的数据也可通过模块转发到串口上，使得操作网络就象操作串口一样方便，节省成本和开发时间。
2 嵌入式串/网口转换模块软件设计
嵌入式串/网口转换模块软件主要包括单片机STC89LE52RC的各处理程序、外扩存储器驱动程序和网络芯片W5100相关收发数据程序，实现了串口数据到网络数据格式的改造和通信协议的转换。
软件程序流程如图2所示。
3 总结
基于STC89LE52RC单片机控制的嵌入式串/网口转换模块实现了串口通信设备和工业以太网的通信，原有监控系统的串行设备完全可以独立运行，不需要重新设计与开发。嵌入式串/网口转换模块面积只有49mm×38mm，可以减少50%的设备空间，可以直接嵌入到其它电子产品中，让串口设备立即网络化；提供一路3.3V TTL电平信号接口，模块整体功耗低，功率范围小于2W；模块内部保存通信参数，不需要每次上电重新设置通信参数；支持串口模块进行参数配置，方便用户对模块参数及时修改；支持虚拟串口功能，使嵌入式串、网口转换模块的使用像串口一样简单、方便。
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