基于單片機的Internet連接技術(shù)與方法

0引言

目前，Internet已成為當今信息社會的重要組成部分，Internet技術(shù)將日益深入到生活和各種智能設(shè)備中。單片機應(yīng)用領(lǐng)域，以往那種由一塊單片機組成的系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)、生活等各方面的需求，人們開始利用各種局部總線，如CAN、RS232、RS485等，將多塊單片機連接起來形成局域網(wǎng)，這種方案在一定程度上解決了信息交換的問題。為了獲得更大程度的信息交換，如果能將單片機系統(tǒng)連上Internet網(wǎng)，則可以真正實現(xiàn)遠程監(jiān)控，系統(tǒng)維護人員可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)直接讀取系統(tǒng)當前狀態(tài)參數(shù)，了解系統(tǒng)運行狀況。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可及時采取正確的補救措施。現(xiàn)在，各種工業(yè)智能電器、智能儀表和智能家電內(nèi)部都嵌有微處理器，但是由于各種微處理器的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)各不相同，因此無法通過標準的軟件、硬件接口來直接連入Internet網(wǎng)絡(luò)，如何充分利用現(xiàn)有的Internet技術(shù)和資源，以較低的成本將各類工業(yè)智能電器、智能儀表和智能家電與Internet連接，已成為當今IT界關(guān)注的熱點。特別是隨著ISP和IAP概念的出臺，實現(xiàn)這種設(shè)想就更有實際意義。

1單片機接入Internet網(wǎng)的幾種方法

單片機接入Internet網(wǎng)絡(luò)方法很多，但歸結(jié)為以下幾種：① 給單片機系統(tǒng)配上一個DTE／DCE接口設(shè)備，并且能支持TCP／IP和PPP協(xié)議，就可通過Modem上網(wǎng)［1，2］；②給單片機系統(tǒng)配上一個網(wǎng)絡(luò)控制器或NIC以太網(wǎng)卡等外圍設(shè)備，并提供TCP／IP和IEEE802.3協(xié)議，通過這種具有協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的芯片或網(wǎng)卡就可以接入Internet網(wǎng)絡(luò)；③開發(fā)出能直接連入Internet網(wǎng)絡(luò)的新型嵌入式微處理器。

1.1單片機通過Modem連上Internet網(wǎng)

這種方式(如圖1)主要是利用串口連接Modem，通過電信的服務(wù)器進入Internet網(wǎng)。大量外置Modem提供標準的RS232串口，所以和PC機相連的Modem可以通過串口直接連接。由于RS232接口規(guī)定了雙極性電平，而MCS－51單片機串口為TTL電平，所以Modem不能直接和單片機相連，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。如采用MAX232接口芯片，可很方便的實現(xiàn)單片機和Modem的連接，連接原理如圖2所示。MCS－51雖然有串行輸入、輸出接口，但不具有RTS、CTS、 DTR、TXC、RXC等標準接口握手信號線，考慮到單片機與PC機的通信量并不大，在連接時采用了簡單的“三線式”(如圖2)，即只通過TXD、RXD 和地線GND進行連接，其他信號需在軟件上做一些處理。

1.2單片機通過網(wǎng)絡(luò)控制器或NIC以太網(wǎng)卡等外圍設(shè)備連上Int ernet網(wǎng)

這種方式主要通過單片機的外圍芯片如Ichip、webchip，而這些芯片中擴展有TCP／IP協(xié)議，最后通過網(wǎng)關(guān)接入Internet網(wǎng)。目前國內(nèi)外許多公司正致力于研究和推出這種嵌入式技術(shù)，如由Seiko公司推出的ichip S7600A芯片、Cirrus Logic公司的CS8900A以及武漢力源公司研制的webchip PS2000芯片，這些芯片都是基于EMIT(Embedded Micro Internet working Technology)技術(shù)研制的［7］。

1.2.1EMIT技術(shù)

mware公司創(chuàng)立了 ETI(擴展Internet聯(lián)盟)，并提出了EMIT嵌入式微型Internet網(wǎng)互連技術(shù)，它是一種能夠?qū)?位或16位單片機等嵌入式設(shè)備接入 Internet網(wǎng)的技術(shù)，實現(xiàn)基于Internet的遠程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳、下載等功能。EMIT技術(shù)包括以下核心技術(shù)：
　　·EmMicro是駐留在嵌入式系統(tǒng)中的微型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，將EmMicro集成到嵌入式系統(tǒng)中，使得網(wǎng)絡(luò)上的客戶機能夠控制和監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)。 EmMicro針對微控制器有限的資源進行了優(yōu)化，只占用系統(tǒng)很小內(nèi)存(約1K字節(jié))資源和處理器資源。這個1 KB服務(wù)器軟件即EmMicro。EmMicro有兩部分：EmTag對應(yīng)于HTML標記；EmNet對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。輕型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持在本端構(gòu)筑小型網(wǎng)絡(luò)，如單片機常用的RS232、RS485網(wǎng)等。如果不接入Internet網(wǎng)，它們便是孤立的網(wǎng)，要和Internet進行連接，則須增加網(wǎng)關(guān) EmGateWay［3］。
　　·EmNet是使嵌入式系統(tǒng)和輕量級網(wǎng)絡(luò)(如RS485、IR、RF等)進行連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。同時，EmNet使得集成EmNet的嵌入式系統(tǒng)能夠和嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)進行有效的通訊。
　　·EmGateWay 是輕型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和大型高性能網(wǎng)絡(luò)如Intranet和Internet等之間連接的橋梁。它是一個功能強大的客戶機，用于管理多個嵌入式系統(tǒng)以及支持網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。EmGateWay的Internet端還留有與另一端Web設(shè)備可對話的接口，可在用戶的應(yīng)用程序中使用，接口的典型方法還是Web網(wǎng)頁。

1.2.2webchip芯片的應(yīng)用

以武漢力源推出的webchip PS2000芯片為例，webchip是一種獨立于各種微控制器的通用產(chǎn)品，開發(fā)者不需要了解復雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及更改原來成熟的設(shè)計，只須增加1小段 webchip通信接口程序即可。PS2000［4～6］主要由核心控制單元、UART、嵌入式Modem接口、標準Modem接口、RS485收發(fā)控制單元、SPI串行接口等組成。片內(nèi)駐留有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析與編譯程序，其內(nèi)部固化了MCU Net協(xié)議，該協(xié)議能讓MCU設(shè)備與計算機平臺上的Gateway建立聯(lián)系，與PC機通信時，可與PC機瀏覽器直接接口，因此通過PS2000上網(wǎng)十分方便。圖3是51單片機與PS2000連接時對應(yīng)的接線原理圖。

如圖4，Intranet內(nèi)的PC機或設(shè)備通過單片機和PS2000網(wǎng)絡(luò)芯片的標準SPI串口與Gateway網(wǎng)關(guān)連接，一方面Gateway支持復雜的Internet TCP／IP協(xié)議并能提供HTTP服務(wù)，允許客戶通過現(xiàn)在普遍使用的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器來遠程訪問它，其作用類似服務(wù)器；另一方面Gateway通過RS232、 RS485、CAN總線以及Modem、RF、IrDA等方式，將多個嵌入式設(shè)備或智能家電連接在一起，并擔當TCP／IP和其他協(xié)議的轉(zhuǎn)換任務(wù)，其作用又類似Internet上的網(wǎng)關(guān)。

1.3單片機通過Internet嵌入式微處理器(MCU)芯片直接連入I nternet網(wǎng)

這種方式的單片機一般都采用新型的Internet嵌入式微處理器，所需外圍配置電路很少。如：Philips公司推出的XA－G49是具有多任務(wù)性能的16位擴展結(jié)構(gòu)的微處理器，它支持ISP、IPA編程，可以通過Internet實現(xiàn)遠程固件升級和系統(tǒng)重構(gòu)。類似的芯片還有CS8900A、 Rabbit3000、DS80系列、MPC860系列、BUICOM公司的SX系列以及IP2022等都是這種新型的Internet嵌入式微處理器。以UBICOM公司的IP2022網(wǎng)絡(luò)微處理器為例，IP2022是一種高速的嵌入式微處理器［3］，可以實現(xiàn)實時多任務(wù)操作，非常適合于工業(yè)過程控制。它不依賴PC機能直接連入Internet網(wǎng)，并能實現(xiàn)軟件模式形式的外設(shè)、通信和控制功能，這種形式比傳統(tǒng)硬件提供了更大的系統(tǒng)設(shè)計靈活性。同時，用戶可使用預創(chuàng)建軟件模塊和配置工具來對其進行編程和重編程，從而可為各種設(shè)備間和人機間的通信創(chuàng)建真正的單片式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。

1.3.1IP2022的功能

IP2022為16位的高性能RISC處理器，速度可達120～160 MIPS，這種網(wǎng)絡(luò)微處理器采用軟件模塊在一個芯片上實現(xiàn)多種通信接口，特別適合于無線通信和基于網(wǎng)絡(luò)的控制應(yīng)用。IP2022是業(yè)界領(lǐng)先的單片網(wǎng)絡(luò)通信處理器，可以實現(xiàn)802.11a(11b、11g)、USB、I2C等協(xié)議接口。可在一個芯片上支持通信物理層Internet協(xié)議堆棧和特定設(shè)備的外設(shè)軟件模塊，并可在Internet上重構(gòu)。

1.3.2IP2022的結(jié)構(gòu)

IP2022片上有64K flash、16K SRAM(program)、4K SRAM(data)及10位ADC。其片內(nèi)的雙工通信模塊可以采用圖形化集成開發(fā)軟件來實現(xiàn)各種常見的通信接口，支持Windows98／2000操作系統(tǒng)，并配置了Red Hat的GNUPRO集成開發(fā)環(huán)境。IP2022由于其內(nèi)部含有全雙工串行控制器Ser／Des，能方便地從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式，所以能作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，它能直接與各種常用網(wǎng)絡(luò)接口連接，實現(xiàn)片內(nèi)10BaseT以太網(wǎng)、USB以及其他各種串行協(xié)議。IP2022的工作頻率為100 MHz，大多數(shù)指令均為單周期執(zhí)行，其吞吐量能滿足各種新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求。

1.3.3IP2022可提供的網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)IP模塊

①IP OS：運行于IP2022的實時操作系統(tǒng)；②IP Ethernet：實現(xiàn)10 BaseT MAC/PHY；③IP Stack：實現(xiàn)TCP／IP stack,包括TCP，UDP，IP，ICMP，ARP，DHCP，Client SLIP;④IP File：文件系統(tǒng)；⑤IP Web:HTTP embedded Web server

1.3.4IP2022的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用

IP2022有兩種評估套件給用戶使用，即基于以太網(wǎng)協(xié)議和基于Internet網(wǎng)協(xié)議的堆棧評估套件，它們支持 TCP，UDP，IP，ICMP，ARP，DHCP，PPP，HTTP，STMP，DHCP，STMP和POP3等協(xié)議，同時也有相應(yīng)的軟件模塊供用戶使用，用戶可根據(jù)需要對這些軟件模塊進行加載和調(diào)整。用戶可以用C語言編寫并完成自己的程序，還可對自己的系統(tǒng)直接進行在線仿真、調(diào)試。IP2022單片機的程序存儲器采用FLASH結(jié)構(gòu)，用戶通過一個SPI接口將程序?qū)懭胄酒?。IP2022單片機提供了在程序運行當中進行再編程的能力，即可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程修改節(jié)點的程序，最終組成一個基于Internet的具有很強可塑性的在線測控網(wǎng)絡(luò)。

圖5是由網(wǎng)絡(luò)處理器IP2022組成的控制器框圖［8］。圖中IP2022一方面通過以太網(wǎng)接口接收二進制文件，將它存儲到數(shù)據(jù)存儲器中；另一方面作為控制器，從數(shù)據(jù)存儲器中讀取二進制文件，并解釋該文件，產(chǎn)生TCK、TMS、 TDI和TDO信號，對CPLD進行在系統(tǒng)編程。目前可編程芯片廠商的配套軟件都可以產(chǎn)生SVF文件，把它轉(zhuǎn)換成二進制格式的文件后，通過SVF網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)存儲器中，這樣就可以利用IP2022對CPLD進行在系統(tǒng)編程。

23種接入Internet方法的比較

由于近年來Internet及通信產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，半導體制造商都試圖將各種通信協(xié)議集成在一個芯片內(nèi)。但這種方法在實現(xiàn)過程中存在很多問題，惟一的解決方案是利用軟件來完成協(xié)議處理。由于IP2022具有100 MIPS的指令處理速度，加上它的虛擬外設(shè)軟件模塊，能滿足通常的嵌入式產(chǎn)品對處理性能的要求；同時，由于該單片機采用軟件來實現(xiàn)各種協(xié)議處理，便于將來在不改變硬件的情況下，只改變內(nèi)置程序即可升級整個嵌入式系統(tǒng)的功能。而且，軟件模塊的選擇更加方便，功能也更加強大。由表1看出雖然新型的 Internet嵌入式微處理器的開發(fā)費用和價格較高，但隨著其產(chǎn)量及其使用量的增大，其價格及開發(fā)費用都會有較大的下降。

3單片機接入Internet網(wǎng)絡(luò)的前景展望

單片機通過嵌入式微處理器直接連入Internet網(wǎng)，這是單片機發(fā)展的 必然趨勢。如果把這種芯片嵌入到家電里，就可以通過網(wǎng)頁查看和控制空調(diào)、電冰箱、熱水器的運行；如果把這種芯片嵌入到比較惡劣的環(huán)境里，就可以脫離輻射、高溫對人體的危害，并能得到實時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進步和不斷拓展，以PC機和工作站為基礎(chǔ)，通過組建網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成實用的測控系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率和共享信息資源，已成為現(xiàn)代 測控系統(tǒng)發(fā)展的方向。如果在測控系統(tǒng)中有更多不同類型的由單片機組成的智能設(shè)備也像計算機和工作站一樣成為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，充分利用目前已比較成熟的Internet網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，不僅能實現(xiàn)更多資源的共享、降低組建系統(tǒng)的費用，還可提高測控系統(tǒng)的功能，并拓寬其應(yīng)用的范圍。

計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與測控技術(shù)的結(jié)合，使網(wǎng)絡(luò)化、分布式測控系統(tǒng)的組建更為方便。以Internet為代表的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的不斷完善，使得計算機網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模更大，應(yīng)用更廣。有專家預計，在不久的將來，地球?qū)⑴弦粚佑纱罅扛鞣N各樣電子設(shè)備組成的“通訊外殼”，它們將負責監(jiān)控城市、公路甚至整個環(huán)境，并會隨時將測得的數(shù)據(jù)信息直接傳入因特網(wǎng)。單片機技術(shù)也必將在網(wǎng)絡(luò)時代發(fā)生革命性的變化。

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