1  引言

随着互联网技术的发展与普及推广，工业以太网技术近十年来也得到了迅速的发展,引起了国内外工控专家的关注。而现场总线经过十几年的发展，在技术上日渐成熟，也开始了全面推广，并且形成了一定的市场。就目前而言，全面代替现场总线还存在一些问题，需要进一步深入研究基于工业以太网的全新控制系统体系结构，开发出基于工业以太网的系列产品。因此，近段时间内，工业以太网技术的发展将与现场总线相结合，具体表现在：物理介质采用标准以太网连线，如双绞线、光纤等；使用标准以太网连接设备（如交换机等），在工业现场使用工业以太网交换机；采用ieee 802.3物理层和数据链路层标准、tcp/ip协议组；底层采用现场总线的应用层、用户层协议； 兼容现有成熟的传统控制系统，如plc、dcs等[1]。本文提供了一套运用rtl8019和spc3协议芯片,以及atmega128单片机来实现工业以太网与profibus现场总线相结合的方案。

2  设计原理

2.1 tcp/ip协议实现

在atmega128单片机中实现了一种精简的tcp/ip协议栈，并通过rtl8019as与以太网连接。 tcp /ip 通常采用一种简化的四层模型, 分别为应用层、传输层、网络层、链路层[2]。应用层（以及用户层）采用profibus的应用层、用户层协议；传输层让网络程序通过明确定义的通道及某些特性获取数据，如定义网络连接的端口号等，本设计使用用户数据报协议udp实现该层协议；网络层让信息可以发送到相邻的tcp/ip网络上的任一主机上，ip协议就是层中传送数据的机制，同时为建立网络间的互连，提供了arp地址、解析协议，从而实现从ip地址到数据链路物理地址的映像[1]；链路层由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，实现这一层协议的协议链路层部分由rtl8019完成。

2.2 spc3协议芯片

spc3（siemens profibus controller）封装了profibus-dp协议，是带有处理器接口的智能通信芯片，用于硬件控制通道的profibus-dp。spc3为profibus-dp处理信息、识别地址、数据排序和协议执行，组成如图1所示[3]。

图1  spc3内部结构图

2.3 atmega128

cpu选择atmega128，该芯片属于atmel公司的avr系列单片机，是一种高性能、低功耗的8位控制器，执行大多数指令只需要一个时钟周期。其最高主频可达到16mhz；自带128kb可在线编程的闪存、4kb的eeprom、4kb的sram，程序可进行加密；自带jtag接口，便于程序的调试；集成外设：两个8位定时计数器、两个16位定时计数器、两个8位pwm通道、6个16位pwm通道、8个10位 adc通道、一个i2c接口、两个可编程异步串行接口、一个spi接口、一个看门狗定时器和8个外部中断源[4]。

3  硬件设计

3.1 系统的整体结构

通信主板主要由rtl8019协议芯片、spc3智能通信芯片、atmega128单片机和扩展ram组成。该系统的硬件结构平台如图2所示。

图2  硬件结构平台

当实现远程控制时，rtl8019协议芯片负责把从以太网接受到的数据帧发送给atmega128单片机，单片机把数据解包后送到扩展ram，同时把处理过的数据打包后通过spc3通信芯片送到profibus现场总线上去。当实现远程监察功能时，spc3智能通信芯片把从profibus现场总线接受到的数据发送给atmega128单片机，单片机对数据进行解包处理后送到扩展ram中，同时把处理后的数据再打包通过rtl8019协议芯片送到以太网。

3.2 rtl8019as的硬件实现

图3  rtl8019as芯片

参见图3。rtl8019as芯片主要用于实现以太网协议的协议链路层部分。在该电路中,定义的reg00-10为网卡接口的寄存器地址0300-031f。

3.3 spc3协议芯片的硬件实现

参见图4。在该电路中，48mhz的有源晶振提供时钟信号；由74ls138译码器出来的片选信号xcs1与spc3的地址线a4相连，确定spc3内部ram的地址范围为1000h~1fffh；hdtk引脚外接led以显示通讯过程是否正常。

图4  spc3协议芯片

4  软件设计

远程控制时，控制tcp/ip协议的atmega128单片机将解包后的数据rxdnet.udpframe.udpdata[i]送到扩展ram为它开辟的空间中，触发中断。单片机响应中断后从相应的地址中取出数据处理打包后传送给spc3芯片。

实现远程监察功能时，atmega

128单片机将解包好的数据送到扩展ram为它开辟的空间中，触发中断。单片机响应中断后解包后的数据送到xtdata缓冲区中，再经过打包后通过rtl8019芯片送到以太网上去。

4.1 rtl8019as 以太网控制器驱动程序

rtl8019as的驱动主要包括三个部分：ne2000init()函数完成网卡芯片的上电初始化，包括设定网卡物理地址，设定收发缓冲区位置和大小等；send_packet()函数完成数据的发送；recv_packet()函数完成以抬网数据的接收。底层网络设备驱动程序与tcp/ip协议通过两个全局变量进行接口：send_packet()函数将txdnet缓冲区的数据包发送到以太网上。recv_packet()函数将接收到的数据存储到rxdnet指定的缓冲区中，同时修改length长度[1]．

4.2 spc3协议芯片的程序实现

spc3协议芯片的主要实现部分：

for(i=0;i<1500;i++){

*((ubyte spc3_ptr_attr*)user_input_buffer_ptr)=udpdata[i];

user_input_buffer_ptr = dps2_input_update();} 

5  结束语

本文采用atmega128单片机通过控制rtl8019协议芯片、spc3通信芯片实现以太网与profibus-dp现场总线之间的数据交换，具有价格低廉、易于实现和易于普及等优点。经测试，该系统在数据交换过程中具有良好的可靠性和实时性，可以满足实际工业以太网和profibus现场总线之间的数据交换的要求，从而为工业实现管控一体化提供了一种灵活的组网方式。