单片机实例分享，简易网络测试仪

网络已经融入了当今生活的各个方面，成为绝大多数人生活中不可或缺的重要组成部分。因为职业的关系，笔者经常会接触到网线的铺设以及网络的测试等方面工作，在工作中我发现借助专业的网络测试仪，可以极大地减少网络故障的排查时间，并能很好地提高工作效率。

专业的网络测试仪功能很强大：电缆查找、扫描线序、PING功能、寻找端口以及数据包分析等。然而，不容忽视的是，尽管一个专业的网络测试仪功能很强大，但价格往往不菲，动辄上万，因此相对于国外来说，国内使用范围还很有限。能不能自己设计一个简单实用的网络测试仪呢?当然可以。

网线制作的线序可以使用网线测试仪进行测试，并且价格也很便宜，因此，暂且忽略这个功能。综合考虑常用的几个功能，笔者设计的简易网络测试仪(以下简称测试仪)支持：PING功能、DHCP功能测试以及网络访问测试，也就是说，此测试仪建立在网络数据传输之上，能直观地反映网络传输性能。

笔者的设计思路如图30.1所示。

图30.1 简易网络测试仪结构

元器件选择

图30.2所示是此测试仪所用元器件，使用的元器件清单如表30.1所示。

图30.2 元器件实物

表30.1 元器件清单

网络传输接口是本测试仪的重点，选择一款合适的接口芯片对于简化制作及日后工作的稳定性都尤为重要。在这里，笔者选择了 ENC28J60，ENC28J60 是 Microchip Technology(美国微芯科技公司)2005年推出的28引脚封装独立以太网控制器。自从推出以来，应用极其广泛，这得益于它的引脚非常少、外围电路很简单、使用3线SPI串行接口和单片机通信。由于它占用芯片引脚非常少，所以焊接容易，甚至可以直接在洞洞板上进行电路布局。

2.MCU 主控芯片

由于选定ENC28J60作为网络接口芯片，MCU的引脚只需保证以下条件即可：

(1)支持3/4线SPI接口，用于与ENC28J60通信，当然，用I/O模拟也可，只是速度会稍慢;

(2)网络需要一定的数据包RAM缓存，因此主控芯片RAM至少为1KB以上;

(3)网络协议占用大量的代码空间，考虑到扩展性，片内Flash最好大于32KB。

在此，从通用与易上手方面综合考虑，笔者选用了51内核的1T单片机STC12C5A60S2，此单片机的特点为：改进传统51单片机12T的指令运行周期，达到了1T，速度大大提高;内部Flash空间达到了60KB，不用担心因程序代码的空间过大而放不下的问题。

电路设计规划

此测试仪的电路非常简单，主体由3片IC组成，外加带网络变压器的RJ45接口座HR911105A以及少量的阻容元器件。

显示器采用最常用的LCM1602字符型液晶显示屏，虽然只能显示16×2个字符，但经过优化的主菜单看起来效果也不错。

电路图如图30.3所示。

图30.3 简易网络测试仪电路图

工作流程简介

从笔者的设计思路中可以看出，测试仪采用菜单的形式对功能进行分类，包括TCP网页测试页面、PING命令以及通过DHCP功能从路由器自动获取IP这3大功能。其中，对网络协议的数据包处理与分发是测试仪工作的重点，在此，笔者就对此进行简要的介绍。

网络数据传输中，最常用的协议组就是“TCP/IP协议”，是一个协议组。相对测试仪系统而言，用到的协议有以下几个。

(1)ARP协议：该协议为大部分数据传输的前提，用于询问对方的MAC地址，以便在后期点对点传输中发送含有正确MAC的数据包。

(2)IP 协议：该协议用于点对点数据传输过程，通过 IP 地址判别接收方的数据包，它是ICMP、UDP和TCP协议的“容器”。

(3)ICMP协议：换个通俗的说法，该协议就是PING，用于确认对方的连接状态，正常连接就能收到PING回应。

(4)UDP协议：该协议是简单的面向数据包的传输层协议，不需要通过复杂的握手协议，只需要知道对方的IP地址和MAC即可进行数据传输，因此具有高效、却不可靠的特点。

(5)TCP协议：该协议是高可靠性的包交换传输协议，通过复杂的握手、重发、回应协议机制进行传输，和UDP相反，具有冗余、可靠的特点。

(6)DHCP协议：该协议是用来实现自动从路由器上获取IP地址、子网掩码以及网关IP地址的功能，免去了手动设置IP的麻烦。

这6个常用的协议只是众多网络协议中的很小一部分，但却负担着大部分网络传输任务，因此，网络传输其实并非很多人想象得那么不可捉摸。

焊接安装与调试

由于元器件不多，电路结构比较简单，遂采用Protel 99SE设计，完成后的PCB布局如图30.4所示。只要焊接无误，上电烧写程序后即能正常工作。笔者试制了几个均一次成功。

图30.4 PCB 布局

实际效果

焊接完成之后的效果如图30.5所示，之后进行液晶显示屏装配，效果如图30.6所示。

图30.5 焊接完成图

图30.6 装配上液晶显示屏

上电初始化完成后，进入主菜单，如图30.7所示，可以按动Next按键选择相应的功能，按Enter按键确认。

选择功能1是WebServer，是运行TCP网页测试的页面，用于网络中的电脑对测试仪进行数据访问测试。与测试仪在同一网络中的电脑均可以通过IE浏览器访问测试仪，在浏览器地址栏输入测试仪的地址即可，图30.8所示为测试仪运行界面，图30.9所示为电脑访问测试仪的网页，网页上可以显示电脑的IP地址以及MAC地址。

图30.7 主菜单

图30.8 运行网页服务器

选择功能2为PING功能，它是用于测试仪对网络中的电脑进行数据交换测试，不仅可以对同一局域网内的电脑进行测试，也可对跨越路由器的远程IP地址进行PING。如果对端电脑未能对测试仪进行回应，测试仪就会显示“Response TTL= ???”;如果收到回应，则显示TTL=064(也可能是255、128、32等);如果对端的电脑跨越路由器，则每跨越一层路由器，TTL的数值就会减1，这个数据也可以粗略地估计数据包经过的路由器层数。All后的数据表示总共进行了几次PING，Succ后的数据表示成功的PING次数，All与Succ之差就是丢包的次数。网络状况良好时，一般All和Succ的数据相等。图30.10为PING功能的PING通状态。

图30.9 电脑访问网页服务

选择功能3为设置功能，可以对测试仪的IP地址、子网掩码以及网关进行设置，也可在开启DHCP功能的路由器网络内，通过打开测试仪的DHCP功能从路由器处自动获取上述3个参数，这样就更加方便使用了，图30.11所示为设置的参数。

图30.10 PING 功能的PING 通状态

图30.11 设置菜单

总结

测试仪在设计之初，就本着尽量精简的原则，在完成支持ARP、ICMP、DHCP以及TCP协议的情况下，删除不必要的协议。因此，系统代码相当精简，只占用了大约16KB的代码空间。当然，它也仅能完成菜单选择PING命令、自动获取IP和网页显示电脑参数等简单的功能，一些复杂的网络功能，例如数据协议分析显示、网络数据包存储等，由于体积和硬件所限，在本测试仪中尚未涉及。

经过一段时间的试用，该系统运行稳定，在日常工作中与网线测试仪搭配，能够完成大部分测试和故障判断工作，完全可以满足日常的应用。

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详解单片机的按键检测与控制

按键在单片机控制系统中起到人机交互的作用，通过按键可以输入数据、命令和各种参数，按键侧键测处理是单片机系统设计和开发中一个重要的内容，关系到整个系统的交互性能和稳定性。按键处理形式在单片机系统中有两种形式：直接按键和矩阵编码键盘，下面分别对这两种按键检测电路的特点及编程思路和方法进行分析和介绍。

按键抖动问题产生的原因及解决方法

按键的抖动问题是指按键的触点在闭合和断开瞬间由于接触情况不稳定，从而导致电压信号的抖动现象(由按键的机械特性造成，不可避免)。图8-1所示为一次按键的抖动过程，在按键的前沿和后沿都会有5～10ms的抖动。

图8-1　按键抖动示意图

对于时钟是微秒级的单片机而言，键盘的抖动有可能造成单片机对一次按键的多次处理。为了提高系统的稳定性，我们必须采用有效的方式消除抖动。

去除抖动可以采用硬件方式和软件方式。硬件方式一般是在按键与单片机的输入通道上安装硬件去抖电路(如RS触发器)。软件方式的实现方法是：当查询到电路中有按键按下时，先不进行处理，而是先执行10～20ms的延时程序，延时程序结束后，再次查询按键状态，若此时按键仍为按下状态，则视为按键被按下。

按键检测电路及应用

1. 独立式按键

独立式键盘相互独立，每个按键占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他按键的工作状态，CPU可直接读取该I/O线的高/低电平状态。这种按键硬件、软件结构简单，判键速度快，使用方便，但占用I/O口线较多，适用于按键数量较少的系统中。

独立连接式键盘连接如图8-2所示。当没有键被按下时，所有的数据输入线均为高电平;当任意一个按键被按下时，与之相连的数据输入线将变为低电平;通过相应指令，可以判断是否有键被按下。

图8-2　独立式键盘接口设计

【例8-1】 利用单片机的P1.0～P1.34个I/O口检测4个按键的触发信息，以实现不同功能的控制。

硬件电路参见图8-2所示，C51参考程序如下：

2. 矩阵式按键

在单片机系统中，当按键数量较多时，为了减少IO口的使用，通常将按键排列成矩阵型式。例如下例中的16个按键，被排列成了如图8-3所示的4X4矩阵方式。该矩阵式键盘由4根行线和4根列线组成，每个行线和列线的交叉点是一个按键。

【例8-2】 将矩阵式键盘的按键值通过数码管显示出来。

电路连接如图8-3所示(电源和震荡电路未标出)。

图8-3　矩阵式键盘按键显示电路图

如何判断被按下的键值呢?

分析如下：

根据下面的电路图，如果已知P1.0端口被置为低电平“0”，那么当按键K0被按下时，可以肯定P1.4端口的电平也变为了低电平“0”。基于这个原理，总结矩阵键盘识别按键的步骤如下：

a)首先判断是否有按键被按下

本例中矩阵键盘中P1端口低4位连接的是列线，高4位连接的是行线。将全部行线置为低电平“0”，全部列线置为高电平“1”。然后检测列线的状态。只要有一根列线的电平为低，则表示有按键被按下。否则没有按键按下。

b)按键消抖

当判断到有按键被按下后，还要进行消抖处理，以确认真正有按键被按下。

c)按键识别

当确认有键被按下后，采用逐行扫描的方法来确定是哪一个按键被按下。先扫描第一行，即将第一行输出低电平“0”，然后读取列值，那一列出现低电平“0”，则说明该列与第一行交叉处的按键被按下。如果读入的列值全部为"1"，说明与第一行连接的按键均没有被按下。那么接下来开始扫描第二行，以此类推。直到完成全部行线的扫描。

C51程序如下：

矩阵式键盘与I/O接口应用

【例8-3】 四位数字密码锁

四位数字密码锁功能：通过键盘输入密码，当输入密码与内置密码相同时，继电器动作，表示密码锁解开。为了简化功能，该密码锁只使用12个键(即4x3键盘)，其中S1~S9为1~9数字键，S10为0数字键，S11为“*”键作为确认键使用，而S12为“#”键作为复位键，键盘接口电路如图8-4所示，键值布局如表8-1所示。

图8-4　行列式键盘电路连接图

表8-1　键盘布局表

单片机上电时，数码管显示“0000”，此时输入数字，数码管将显示按键值，数字逐个向左递增，四次输入完毕，四个数码管显示输入的数，此时按“*”号按键将启动比较，若输入数字与内设密码相同，继电器动作。如不同，则系统复位等待重新输入密码。当按“#”号键，系统复位，数码管显示“0000”。

在上面键扫描程序基础上增加的源程序如下：

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