基于MCS-51的嵌入式Internet接入技術(shù)

近年來(lái)以單片機(jī)(Micro Computer Unit，MCU)為代表的嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)探測(cè)系統(tǒng)、智能儀器、安防系統(tǒng)、智能家電和信息家電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet 上，則用戶(hù)可以方便、快捷、低廉地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)和信息傳送。Internet 技術(shù)和嵌入式技術(shù)的相互融合，不僅為嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇，也使得 Internet 應(yīng)用進(jìn)入了嵌入式Internet 時(shí)代。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)在 Internet 上的新增業(yè)務(wù)和應(yīng)用中，將有 45%的增長(zhǎng)來(lái)自于小型嵌入式系統(tǒng)。因此，嵌入式系統(tǒng)的 Internet 接入技術(shù)，將會(huì)有極其廣闊的應(yīng)用前景。如何利用單片機(jī)接入Internet 網(wǎng)絡(luò)成為未來(lái)最熱門(mén)的技術(shù)之一。

1 單片機(jī)嵌入式Internet接入技術(shù)

Internet 網(wǎng)絡(luò)通信中，TCP/IP 協(xié)議簇非常龐大，需要占用大量的系統(tǒng)資源。單片機(jī)的缺點(diǎn)是資源有限，無(wú)法容納下Internet 的TCP/IP 協(xié)議簇。因此單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式接入Internet 技術(shù)的關(guān)鍵是如何在單片機(jī)等嵌入式設(shè)備的有限資源上實(shí)現(xiàn)Internet 的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。其難點(diǎn)在于：如何利用單片機(jī)自身有限的資源對(duì)信息進(jìn)行TCP/IP 協(xié)議處理，使之變成可以在Internet 上傳輸?shù)腎P 數(shù)據(jù)包。目前許多研究機(jī)構(gòu)都在積極探討利用MCU 實(shí)現(xiàn)接入Internet 技術(shù)，出現(xiàn)了多種單片機(jī)嵌入式Internet 技術(shù)方案，這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案可以歸為以下幾類(lèi)。

(1) 使用專(zhuān)用的嵌入式芯片。專(zhuān)用嵌入式芯片是一種內(nèi)置了通信和控制功能的單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作。比傳統(tǒng)的單片機(jī)硬件提供更強(qiáng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性。這樣的芯片有Ubicom 公司的IP2022 芯片，MOXA 公司的Nport Express 芯片等。這類(lèi)芯片功能強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一般提供有相應(yīng)的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。但是這種芯片價(jià)格偏高，用戶(hù)需要支付軟硬件費(fèi)用，不易于實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。

(2) 嵌入式系統(tǒng)組成專(zhuān)用網(wǎng)通過(guò)PC 網(wǎng)關(guān)接入Internet.小型嵌入式系統(tǒng)通過(guò)總線技術(shù)組成專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，采用一個(gè)PC 機(jī)作為網(wǎng)關(guān)，該 PC 將專(zhuān)用網(wǎng)發(fā)送來(lái)的信息通過(guò)專(zhuān)用軟件轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包，然后發(fā)到 Internet 上以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。該方案是早期采用得較多的技術(shù)。但是這種方案的缺點(diǎn)是要使用一臺(tái)專(zhuān)用的PC 機(jī)，顯然它只適用于某些工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不易于向信息家電和網(wǎng)絡(luò)化智能儀器儀表等領(lǐng)域推廣。

(3) 使用普通單片機(jī)和網(wǎng)絡(luò)控制芯片。這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而且可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，但是需要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，軟件編程的工作量比較大。由于采用普通單片機(jī)，所以其優(yōu)點(diǎn)是成本低，單片機(jī)體積小，易于以極高的性?xún)r(jià)比向諸多需要實(shí)現(xiàn)嵌入式接入Internet 的場(chǎng)合推廣。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是采用這種技術(shù)方案，下面將重點(diǎn)分析其硬件和軟件設(shè)計(jì)。

2 單片機(jī)與網(wǎng)卡的接口電路

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)選用最常用的MCS 8051 系列單片機(jī)，此類(lèi)型單片機(jī)價(jià)格低廉且應(yīng)用廣泛。網(wǎng)卡選用臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的ATL8019AS 以太網(wǎng)控制器芯片。由于Internet 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的程序代碼量較大，所以系統(tǒng)除了單片機(jī)和網(wǎng)卡外，還增加了一些外圍電路。包括用作數(shù)據(jù)緩存的RAM 存儲(chǔ)器和RS232 接口，前者用作數(shù)據(jù)緩存器，后者作為單片機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口。系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)如圖1 所示。

在上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)主要完成Internet數(shù)據(jù)的解包和串口RS232 數(shù)據(jù)的封包。遠(yuǎn)程PC 機(jī)傳輸來(lái)數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)Internet 物理媒介到達(dá)以太網(wǎng)控制芯片 RTL8019AS 內(nèi)，RTL8019AS 執(zhí)行地址解析協(xié)議，然后交給 C8051 單片機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行TCP/IP 協(xié)議模塊，去掉 TCP/IP 報(bào)頭后將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232 串行口交給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。反之，如果是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)，那么單片機(jī)將數(shù)據(jù)按照TCP/IP 協(xié)議格式封包后送入RTL8019AS，由網(wǎng)卡芯片傳輸?shù)絀nternet 中。通過(guò)上述方式，單片機(jī)完成與Internet 的交互，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制。

2.2 標(biāo)單片機(jī)與網(wǎng)卡的接口電路

單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心，因此單片機(jī)與網(wǎng)卡的接口電路非常關(guān)鍵。本系統(tǒng)選用8051 系列單片機(jī)，是因?yàn)?051 單片機(jī)是最常用的單片機(jī)，其價(jià)格低廉且應(yīng)用廣泛，在工業(yè)設(shè)備應(yīng)用中易于降低系統(tǒng)成本。同時(shí)8051 編寫(xiě)程序簡(jiǎn)練，程序調(diào)試方便。8051 單片機(jī)與以太網(wǎng)控制器芯片的連接電路如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)與以太網(wǎng)控制芯片連接圖。

8051 單片機(jī)P0 口的8 位數(shù)據(jù)總線D0-D7、P2口的5 根地址線A8-A12、讀信號(hào)線RD、寫(xiě)信號(hào)線WR、2 個(gè)定時(shí)器控制端T0、T1 分別與Realtek8019AS 的各信號(hào)線對(duì)應(yīng)連接。Realtek8019AS 芯片工作在8 位總線方式。8051 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制芯片RTL8019AS，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隔離濾波器HR901170A 后實(shí)現(xiàn)Internet 接入。

3 TCP/IP協(xié)議棧在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn)

3.1 嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧

TCP/IP 協(xié)議是Internet 的核心協(xié)議。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式接入 Internet 必須要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議。由于TCP/IP 協(xié)議簇異常龐大，而單片機(jī)片內(nèi)資源有限，所以要在單片機(jī)上完整實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議是不可能的。目前許多公司根據(jù)不同的嵌入式設(shè)備開(kāi)發(fā)了面向商用的嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧，這些協(xié)議棧缺點(diǎn)是面向特定公司生產(chǎn)的芯片，且需支付昂貴的軟件使用費(fèi)。如果采用這類(lèi)協(xié)議棧則使得設(shè)計(jì)的單片機(jī)嵌入式Internet 系統(tǒng)不具有性?xún)r(jià)比上的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，最后在本系統(tǒng)中選用開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧uIP0.9 作為設(shè)計(jì)核心。uIP0.9 是一個(gè)適用于8/16 位單片機(jī)上的小型嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧，感興趣的用戶(hù)可以免費(fèi)在網(wǎng)絡(luò)上下載其源代碼并對(duì)其進(jìn)行修改，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。uIP0.9 協(xié)議棧采用模塊化設(shè)計(jì)，保留網(wǎng)絡(luò)通信所必要的協(xié)議機(jī)制，大大減少了協(xié)議代碼量(代碼量在幾千字節(jié)左右)，只需要幾百字節(jié)的內(nèi)存就可以順利運(yùn)行，降低了協(xié)議對(duì)系統(tǒng)資源的要求。uIP0.9 完全適應(yīng)當(dāng)前的單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

3.2 uIP 的體系結(jié)構(gòu)

uIP 協(xié)議根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的需要，去掉了TCP/IP協(xié)議中許多不常用的功能，保留網(wǎng)絡(luò)通信中所需要的ARP(可選)、IP、ICMP、TCP、UDP(可選)等最核心的部分。協(xié)議全部用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，其代碼占用量極少，對(duì)RAM 資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP 核心模塊代碼大小為3304 字節(jié)，使用的RAM 只需要360字節(jié)。其應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層接口非常簡(jiǎn)單。

uIP 協(xié)議將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在IP、ICMP 和TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上，而將UDP 和ARP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)作為可選模塊。uIP協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 uIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖。

3.3 uIP 的底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口和應(yīng)用程序接口

uIP 是一個(gè)僅包含三層網(wǎng)絡(luò)層核心協(xié)議的協(xié)議棧，uIP 自身不包含任何類(lèi)型的底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序，它只提供接口函數(shù)供用戶(hù)開(kāi)發(fā)使用。因此為了完成與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交互，用戶(hù)必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類(lèi)型，在uIP 中自行實(shí)現(xiàn)對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。對(duì)本例來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是RTL8019AS 網(wǎng)卡，因此需要在uIP 中實(shí)現(xiàn)對(duì)RTL8019AS 網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)。如果用戶(hù)需要在Internet 上通過(guò)http 協(xié)議瀏覽和獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，還必須在uIP 上實(shí)現(xiàn)基于HTTP 協(xié)議的WEB 應(yīng)用服務(wù)。

RTL8019AS 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)首先是對(duì)網(wǎng)卡芯片的上電初始化，通過(guò)函數(shù)init_8019as()進(jìn)行，用于設(shè)定網(wǎng)卡物理地址，設(shè)定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等。其次是發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)eth_send()和接收數(shù)據(jù)函數(shù)eth_rcve()。

而uIP 協(xié)議棧則通過(guò)內(nèi)核中的uip_input()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，該函數(shù)是uIP 協(xié)議的底層設(shè)備入口。它包含兩個(gè)全局變量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的數(shù)據(jù)包，后者表示接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。uip_input()函數(shù)處理從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送來(lái)的IP 包。處理結(jié)束后返回變量uip_len，如果uip_len 是0，則沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送。不為0 則調(diào)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序eth_send()函數(shù)來(lái)將uip_buf 里的uip_len 長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上。eth_rcve()函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到緩存uip_buf 指定的緩沖區(qū)中，系統(tǒng)調(diào)用uip_input()函數(shù)，并在需要時(shí)調(diào)用應(yīng)用程序。

uip_periodic()可以理解為是一個(gè)周期時(shí)鐘函數(shù)，通常每一秒執(zhí)行一次，單片機(jī)用它周期性地輪詢(xún)各連接。因?yàn)閡IP 協(xié)議要處理許多定時(shí)事件，例如包重發(fā)、ARP 表項(xiàng)更新。當(dāng)周期計(jì)時(shí)激發(fā)，每一個(gè)TCP 連接調(diào)用uip_periodic()，其TCP 連接編號(hào)作為參數(shù)傳遞給uip_periodic()函數(shù)。uip_periodic()函數(shù)檢查參數(shù)指定的連接的狀態(tài)。當(dāng)uip_periodic()函數(shù)返回后，會(huì)檢查uip_len 的值，若不為0 則將uip_buf 緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

uIP 協(xié)議的應(yīng)用程序接口用于實(shí)現(xiàn)web 之類(lèi)的應(yīng)用服務(wù)。uIP 定義了一個(gè)宏UIP_APPCALL()作為該接口，供用戶(hù)使用。當(dāng)用戶(hù)要編程實(shí)現(xiàn)某應(yīng)用服務(wù)時(shí)，只需要將宏UIP_APPCALL()定義成實(shí)際的應(yīng)用程序函數(shù)名。uIP 在接收到底層傳來(lái)的數(shù)據(jù)包后，若需要送上層應(yīng)用程序處理，它就調(diào)用UIP_APPCALL()。不同的連接則通過(guò)判斷當(dāng)前連接的端口號(hào)來(lái)確定。同時(shí)uIP 還提供一些應(yīng)用程序接口函數(shù)供用戶(hù)編程時(shí)使用。常用的uIP 應(yīng)用程序接口函數(shù)有：關(guān)閉連接接口函數(shù)uip_close();輪詢(xún)接口函數(shù)uip_poll();打開(kāi)連接接口函數(shù)uip_connect()等。通過(guò)調(diào)用不同的應(yīng)用程序接口函數(shù)，用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

4 單片機(jī)主程序的設(shè)計(jì)

完成了底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和應(yīng)用服務(wù)程序模塊的添加以及對(duì)uIP 進(jìn)行了正確配置之后，軟件編寫(xiě)的主體部分是單片機(jī)主程序函數(shù)。主程序視用戶(hù)需要達(dá)到何種功能而定。對(duì)于本例通過(guò)以太網(wǎng)卡接入到Internet實(shí)現(xiàn)WEB 應(yīng)用服務(wù)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)主程序首先啟動(dòng)初始化工作，包括定時(shí)器初始化、網(wǎng)卡芯片初始化、UIP 協(xié)議棧初始化、用戶(hù)應(yīng)用程序初始化等等[5]。在完成初始化之后，主程序?qū)⒉煌５倪M(jìn)行查詢(xún)，如果網(wǎng)卡上有新的IP 數(shù)據(jù)包到達(dá)則送uip_input()函數(shù)處理;如果沒(méi)有新數(shù)據(jù)包到達(dá)則由uip_priodic()函數(shù)處理定時(shí)事件。由于uIP 協(xié)議棧采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，所以為了方便單片機(jī)主程序與uIP 協(xié)議交互，單片機(jī)主程序也采用C 語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。下面是單片機(jī)主程序的部分設(shè)計(jì)代碼。

TCP/IP 協(xié)議棧的鏈路層部分由網(wǎng)絡(luò)控制器RTL8019AS 完成，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由單片機(jī)來(lái)處理。

應(yīng)用層則根據(jù)需要可以在單片機(jī)內(nèi)完成，也可以由單片機(jī)轉(zhuǎn)給用戶(hù)或終端設(shè)備完成。除了WEB 服務(wù)之外，其它應(yīng)用層服務(wù)像SMTP 協(xié)議支持功能也可以根據(jù)需要編寫(xiě)相應(yīng)的代碼。

5 系統(tǒng)測(cè)試

在完成上述工作的基礎(chǔ)上，我們?yōu)槭袇^(qū)中心停車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)了一個(gè)停車(chē)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。由于市區(qū)中心停車(chē)場(chǎng)業(yè)務(wù)量非常繁忙，車(chē)位經(jīng)常飽和，不僅管理人員而且客戶(hù)經(jīng)常需要實(shí)時(shí)掌握該停車(chē)場(chǎng)的停車(chē)位空閑信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)各停車(chē)位的空閑狀態(tài)。并及時(shí)將信息反饋到單片機(jī)，反饋的信息包括停車(chē)位空閑狀態(tài)，停車(chē)起始時(shí)間和時(shí)長(zhǎng)等。據(jù)此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算整個(gè)停車(chē)場(chǎng)空閑停車(chē)位的個(gè)數(shù)，并將信息返回到客戶(hù)端，同時(shí)以公告信息形式顯示在停車(chē)場(chǎng)出入口的LED 顯示屏上。方便客戶(hù)作出決策。根據(jù)停車(chē)時(shí)長(zhǎng)計(jì)算的計(jì)費(fèi)信息也可以顯示在客戶(hù)端上。結(jié)合上述要求，我們?cè)趩纹瑱C(jī)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器。Http 網(wǎng)頁(yè)能夠完成接收數(shù)據(jù)、發(fā)送網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)、關(guān)閉連接等應(yīng)用，并且能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)更新?？蛻?hù)端使用最常用的Windows 操作系統(tǒng)和Internet Explorer 瀏覽器，客戶(hù)端不需要安裝其它特殊的服務(wù)程序。系統(tǒng)僅設(shè)置為最多4 個(gè)并發(fā)客戶(hù)端訪問(wèn)單片機(jī)Web 服務(wù)器。圖4 是訪問(wèn)單片機(jī)Web服務(wù)器的結(jié)果。

圖4 客戶(hù)端訪問(wèn)單片機(jī)Web 服務(wù)器。[!--empirenews.page--]

6 結(jié)語(yǔ)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信是近幾年來(lái)嵌入式工業(yè)的新興應(yīng)用領(lǐng)域。由于MCS-51 系列單片機(jī)具有悠久的歷史和廣泛的應(yīng)用，其低廉的價(jià)格，以及uIP 協(xié)議棧可以免費(fèi)使用，所以采用本設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)品具有成本低，附屬硬件少，使得終端價(jià)格不會(huì)因嵌入式接入Internet而增加太多。具有極高的性?xún)r(jià)比，易于推向市場(chǎng)。目前根據(jù)此技術(shù)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)已在市區(qū)繁忙的停車(chē)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到成功應(yīng)用。只須稍加改進(jìn)即可應(yīng)用于基于51內(nèi)核的其它單片機(jī)系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠有助于智能信息家電、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控等的工業(yè)應(yīng)用以較好的性?xún)r(jià)比實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet。