嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器原理及其應(yīng)用

摘 要：本文在研究以太網(wǎng)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種把PC機(jī)和網(wǎng)絡(luò)終端連接起來并能給網(wǎng)絡(luò)終端持續(xù)供電的嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器，并給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案及其具體工作過程，最后還給出了嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器在“家校通”的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng);以太網(wǎng)通信服務(wù)器

1、引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展和IA（信息電器）的出現(xiàn)，以8位微控制器為核心的嵌入式通過ISP（Internet服務(wù)供應(yīng)商），在不使用PC機(jī)或高檔單片機(jī)的情況下直接接入互聯(lián)網(wǎng)，將成為未來Internet應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展中的主要趨勢之一，它將廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)、儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動化、家庭自動化的實(shí)時(shí)應(yīng)用等各個(gè)方面，其中的技術(shù)難點(diǎn)是以MCU為核心的電子設(shè)備需要解決接入因特網(wǎng)的問題。

電子設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)改變傳統(tǒng)電子設(shè)備靠控制臺操作的方式，使之進(jìn)入一種開放、互連的依靠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作的一種新型的方式和領(lǐng)域，通過網(wǎng)絡(luò)還可以把原來單獨(dú)的不同設(shè)備互連起來，可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間數(shù)據(jù)的共享。它促進(jìn)了家庭電器、儀器設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)相連的技術(shù)發(fā)展，對推動家庭的信息化、儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化起到了重要的作用。嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器作為這些終端設(shè)備的一個(gè)接口，在里面發(fā)揮了積極的作用，減少了以太網(wǎng)布線的線路，幾個(gè)終端可以通過嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器管理功能以上位機(jī)進(jìn)行通信，節(jié)約了線路的成本和數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上的傳輸量，提高了工作效率。

2、系統(tǒng)原理

嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器通常作為一個(gè)上位機(jī)和終端設(shè)備的一個(gè)接口，它相當(dāng)于一個(gè)小型的代理服務(wù)器，具備以下功能：

· 可以通過以太網(wǎng)給終端設(shè)備供電，而不另外接電源線;

· 可以傳送、接收 UDP和 TCP數(shù)據(jù)報(bào)以及串口數(shù)據(jù);

· 可以響應(yīng)PING命令，檢測當(dāng)前主機(jī)是否可到達(dá)或IP是否存在;

· 能與上位機(jī)通信也能和終端設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)段的傳輸;

· IP地址尋址;

· PC機(jī)可以通過串口和網(wǎng)口對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;

· 通過嵌入式Web服務(wù)器，可通過瀏覽器瀏覽和設(shè)置參數(shù)。

3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過分析設(shè)計(jì)目標(biāo)及嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器特有的功能，嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器采取圖1所示的架構(gòu)。各個(gè)部分的主要功能如下：

圖1 嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器總體結(jié)構(gòu)圖

· MCU主控芯片主要完成程序控制和數(shù)據(jù)通信;

· 電源模塊負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)所需要的各種電源;

· EEPROM完成參數(shù)和數(shù)據(jù)的保存;

· 網(wǎng)卡芯片1負(fù)責(zé)與上位機(jī)通訊，作為系統(tǒng)上聯(lián)接口;

· 網(wǎng)卡芯片2負(fù)責(zé)與下位機(jī)通訊，作為系統(tǒng)下聯(lián)接口;

· HUB+PoE是集線器和以太網(wǎng)供電設(shè)備組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交換和給下位機(jī)供電;

· SRAM是用來擴(kuò)展MCU數(shù)據(jù)存儲區(qū)。

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

在芯片的選擇上，針對目前最常用的8位單片機(jī)，系統(tǒng)MCU采用了飛利浦公司的P89C669單片機(jī)，這種芯片自帶96K的Flash， 指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的2倍。網(wǎng)卡芯片選用RTL8019AS，RTL8019AS芯片是Realtek公司生產(chǎn)的一種局域網(wǎng)處理芯片，也是目前的10M網(wǎng)卡上最常見的一種芯片。EEPROM選用了常用的24C256，可以滿足數(shù)據(jù)量的存儲。HUB芯片系統(tǒng)也采用了Realtek的RTL8305S，它是單芯片5端口10/100 M交換集線器控制器。PoE芯片系統(tǒng)采用凌特公司LTC4259A，它是一款具有AC斷接功能四路IEEE802.3af以太網(wǎng)供電控制器。SRAM芯片采用512K字節(jié)的IS61LV5128作為數(shù)據(jù)存儲區(qū)，大大提高M(jìn)CU處理能力，保證 MCU有足夠的數(shù)據(jù)堆棧運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)程序。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)包括C語言和匯編語言兩種。在本系統(tǒng)中，采用C51作為程序設(shè)計(jì)語言。它的優(yōu)勢是明顯的，C語言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語言，它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言有豐富的庫函數(shù)、運(yùn)算速度快，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制，較匯編語言有更好的可讀性。

軟件部分主要是完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)、轉(zhuǎn)換、串口數(shù)據(jù)的收發(fā)、在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP，UDP，IP，ARP，ICMP和HTTP等協(xié)議。協(xié)議嵌入后，系統(tǒng)可以和PC機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)的WINSOCK函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。

4、在“家校通”中的具體應(yīng)用

“家校通” 是利用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭與學(xué)?？旖荨?shí)時(shí)溝通的教育網(wǎng)絡(luò)平臺，是一套可以有效解決老師和家長之間溝通，幫助孩子健康成長的、集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的信息交流系統(tǒng)。它可以讓家長每天都能了解到自己孩子在學(xué)校的情況，也可以讓家長隨時(shí)隨地的向老師提出建議或反映孩子在家里的表現(xiàn)。這里講述是以太網(wǎng)通信服務(wù)器在其中的一種典型的應(yīng)用。

圖2 “家校通”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.1 “家校通”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

典型的“家校通”由嵌入式通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)型讀卡機(jī)和移動信息管理服務(wù)器組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器在“家校通”系統(tǒng)中的主要作用是：

· 給它下屬的網(wǎng)絡(luò)型讀卡機(jī)用以太網(wǎng)供電，使終端不再另外布置電源線，減少了布線成本，使整體更美觀和安全;

· 它負(fù)責(zé)接收下屬的網(wǎng)絡(luò)型讀卡機(jī)數(shù)據(jù)，當(dāng)它接收到數(shù)據(jù)后，先給網(wǎng)絡(luò)型讀卡機(jī)送時(shí)間顯示，但數(shù)據(jù)并沒有馬上轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)，而是把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾,把有用數(shù)據(jù)打包，打包到一定量后或等到一定時(shí)間后再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這樣做的目的是減少上位機(jī)的壓力，減少數(shù)據(jù)來回應(yīng)答次數(shù)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

· 它負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交網(wǎng)絡(luò)型讀卡機(jī);

· 不管它下屬的網(wǎng)絡(luò)型讀卡機(jī)有多少個(gè), 往上的端口只有一個(gè), 以太網(wǎng)主干線上布線跟簡潔;

· 減少了管理服務(wù)器的通信壓力，管理服務(wù)器只用管理網(wǎng)絡(luò)型讀卡器的機(jī)號，而不用管理它的IP地址。

4.2嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器在“家校通”中工作原理

網(wǎng)絡(luò)型讀卡器是由網(wǎng)絡(luò)通和讀卡器組成，網(wǎng)絡(luò)通有自己的IP地址，讀卡器有自己的機(jī)號，嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器也有自己的IP地址和機(jī)號。

當(dāng)讀卡器有數(shù)據(jù)時(shí)，會通過網(wǎng)絡(luò)通送到嵌入通信服務(wù)器，嵌入通信服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，提取網(wǎng)絡(luò)通的地址和讀卡器的機(jī)號，做成一個(gè)動態(tài)的IP地址和機(jī)號對應(yīng)表。當(dāng)PC機(jī)有數(shù)據(jù)給通信服務(wù)器時(shí)，提取數(shù)據(jù)中的機(jī)號，查找IP地址和機(jī)號對應(yīng)表，然后按照查到IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)給讀卡器，這樣完成了讀卡器和PC機(jī)之間的通信。

5、結(jié)論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)提出了嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器并對其進(jìn)行研究實(shí)現(xiàn)，事實(shí)表明嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器作為終端設(shè)備的一個(gè)接口，作用顯著，減少了線路的成本，增加了數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)上的傳輸量，提高了工作效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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