以太网通信在持久蠕变试验机中的应用

杨雷岗，张丕迪，李 飞，罗 超，陈 宁

(钢研纳克检测技术股份有限公司，北京 100092)

1 引 言

持久蠕变试验机主要用于测量耐高温材料在规定时间范围内，在特定温度和特定负荷作用下的蠕变持久及松弛疲劳等机械性能。由于持久蠕变试验要持续一定的时间(几十个小时到几年不等)，并且一般需要做一组试验来得到想要的结果，若使用单台试验机完成试验，则要花费更长的时间，所以需要多台试验机来完成一组试验。使用单个控制器来控制多台试验机同时试验，这就需要一种稳定可靠、传输速率高、不受距离限制和节点个数限制的数据传输方式。

目前，国内持久蠕变试验机使用的传输方式大都是485串口或者串口转网口的方式，这些传输方式具有设计简单、成本低、传输稳定等特点，但在实际应用中，通常会受到实际硬件的限制，不能连接过多的试验机。同时，串口通信的速率慢，不能满足持久蠕变试验的要求，因此需要选择一种更加稳定可靠而且能够满足材料试验要求的数据传输方式。以太网具有传输效率高、无延时、无丢失、连接简单和方便扩展等优点，将以太网技术用于持久蠕变试验机的数据通信已经是一种趋势。本设计运用以太网进行数据通信，使用传输控制/网际协议实现稳定高效的数据通信。

2 TCP/IP五层模型简介

TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol)即传输控制协议/因特网互联协议，是因特网最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由IP协议和TCP协议组成。五层模型有应用层、传输层、网络层、链路层和物理层等5层(如表1所示)。链路层、网络层以及传输层由控制程序实现，应用层由应用软件实现。物理层实现电路传输，将数据从一台服务器通过一定的物理路径发送到一个或多个客户端。每层协议所加上的数据首部和尾部，即协议格式。

表1 TCP/IP五层模型

3 硬件设计

以太网用于实现持久蠕变试验机和计算机的通信，计算机程序能将命令传输给试验机，控制试验机的运行，试验机能将数据发送给上位机用来计算试验结果。

本设计采用的控制器为瑞昱公司的RTL8019AS-PQFP，下面简单介绍该控制器及其设计。

3.1 接口芯片介绍

RTL8019AS-PQFP是高集成度的以太网控制器，支持PNP方式，具有全双工和休眠特性，通信带宽提高到了20Mbps。该控制器支持16k、32k及64k字节的块存储器，具有flash接口，有8位或16位的数据线和24位的地址线接口。RTL8019AS-PQFP可以在发送的数据上自动添加报头、报起始符和报校验和。由于RTL8019AS-PQFP控制器的高集成度，直接搭建简单的外围硬件就可实现数据的发送和接收等通信功能。

3.2 RTL8019AS硬件设计

RTL8019AS-PQFP控制器管脚的连接方式决定了控制器内存的起始地址，以太网连接方式、地址线的连接、控制器的复位方式、数据线宽度以及控制器的工作模式等是决定程序编写的关键选择。本设计中RTL8019AS-PQFP采用的硬件设计见图1。

图1 RTL8019AS-PQFP硬件设计图

可以看出，该电路设计将65脚接高电平，这个管脚的状态决定了控制器具体采用哪种工作方式，包括即插即用、免跳线和跳线三种方式。按图中的方式，控制器采用了跳线方式。当控制器上电复位后，在33脚下降沿控制器将读入各个引脚的状态并将其写入到控制器配置寄存器中作为系统默认的初始配置。IOS0-IOS3管脚是I/O基地址选择位，用于选择输入输出内存的起始地址。本设计中使其置为低电平，则内存起始地址为0x300。由于控制器的管脚内部都接入下拉电阻，所以当管脚悬空时，其相应的状态为低电平。RTL8019AS-PQFP在复位时会记录96管脚的电平，电平状态决定通信数据总线的宽度：高电平时为16位总线宽度，低电平时为8位总线宽度。本设计中采用16位数据总线宽度，即读写数据通过16位数据线D[0:15]管脚实现。

RTL8019AS-PQFP内部寄存器和存储器的相对读写地址为00H～1FH，5根地址线的寻址范围为20H，所以需要5根地址线来实现所有寄存器的寻址。因此，本设计中RTL8019AS-PQFP的低五位地址SA0～SA4管脚与主控芯片的低五位地址总线直接相连，在系统初始配置中已将起始地址设为0x300，因而在地址线连接时还必须令地址线SA8和SA9管脚为1，SA5～SA7地址线接低电平，使其地址锁定在0x300，这样就能正常访问到RTL8019AS-PQFP的寄存器。控制器的INT0中断脚连接到主控芯片的外部中断管脚，实现数据的中断接收。

RTL8019AS-PQFP复位方式有硬件复位和软件复位两种，向33管脚写入高电平可实现RTL8019AS-PQFP的硬件复位，对RTL8019AS-PQFP中地址为18H寄存器进行一次读操作可起到软件复位的功能。RTL8019AS-PQFP的读写控制引脚IORB(管脚29)和IOWB(管脚30)直接和主控芯片的读写控制脚相连，片选AEN管脚连接主控芯片的片选引脚。

4 软件设计

4.1 初始化程序

RTL8019AS-PQFP芯片的初始化首先要使芯片停止工作，清空所有中断和接收RAM，然后设置接收内存区，读取内存区的开始和结束地址，最后将芯片恢复为正常工作模式，这些都需要设置相应的寄存器。

4.2 数据发送程序

数据发送时，首先要将通信的数据存储在特定的内存地址，然后将各种报头添加到数据头部，包括ARP首部、TCP首部、IP首部和以太网首部，将校验和及以太网尾部添加到数据尾部，完成整个数据的打包。设置发送数据包的长度，将长度值写入到相应寄存器中，置位相应的发送数据寄存器，如果发送失败，还设有重发机制，可以启动重新发送。数据发送的流程图如图2所示。

图2 数据发送流程图

4.3 数据接收程序

如果接收到正确的数据包，控制器会设置相应的寄存器，将收到的数据读出后，相应的寄存器会发生变化，所以可以通过这两个寄存器的数值来判断是否接收到正确的数据包。如果接收到正确的数据包，主控芯片通过远程直接存储访问控制器的内存地址读取数据包。主控芯片接收到数据包后需要将各种报头和报尾进行解析，将有用的数据存储，然后将数据按照正确的协议进行解析，放入特定的内存中提供给应用程序。接收过程的流程图如图3所示。

图3 数据接收流程图

5 结束语

本文通过比较目前市场上常见的持久蠕变试验机测控系统的数据通信方式，考虑以太网通信方式的优点，决定在持久蠕变试验机中采用TCP/IP协议作为数据通信方式。选用RTL8019AS-PQFP作为以太网通信的控制器，通过对控制器的研究，设计了以太网通信部分的硬件电路图，通过对以太网协议的学习，编写了以太网传输部分的程序，通过修改持久蠕变试验机软件，最终实现了以太网通信在持久蠕变试验机中的应用。