MCS-51單片機(jī)嵌入式Internet技術(shù)研究-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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摘要：實(shí)現(xiàn)MCS-51單片機(jī)嵌入式接入Internet技術(shù)。單片機(jī)通過ATL8019AS以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)與Internet的交互。利用開源代碼的TCP/IP協(xié)議棧uIP實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)通過uIP協(xié)議的應(yīng)用程序接口實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用服務(wù)。給出了硬件設(shè)計(jì)圖，編寫了單片機(jī)主程序。應(yīng)用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)城市中心停車監(jiān)測系統(tǒng)。

近年來以單片機(jī)（MicroComputerUnit,MCU）為代表的嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)探測系統(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，則用戶可以方便、快捷、低廉地通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測和信息傳送。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)和開發(fā)帶來了前所未有的發(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)預(yù)測，未來在Internet上的新增業(yè)務(wù)和應(yīng)用中，將有45%的增長來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)成為未來熱門的技術(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。

（1）使用專用的嵌入式芯片。專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NportExpress芯片等。這類芯片功能強(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，用戶需要支付軟硬件費(fèi)用，不易于實(shí)現(xiàn)市場的廣泛應(yīng)用。

（2）嵌入式系統(tǒng)組成專用網(wǎng)通過PC網(wǎng)關(guān)接入Internet.小型嵌入式系統(tǒng)通過總線技術(shù)組成專用網(wǎng)絡(luò)，采用一個(gè)PC機(jī)作為網(wǎng)關(guān)，該P(yáng)C將專用網(wǎng)發(fā)送來的信息通過專用軟件轉(zhuǎn)換為TCP/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)起來比較簡單，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，易于以極高的性價(jià)比向諸多需要實(shí)現(xiàn)嵌入式接入Internet的場合推廣。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)選用常用的MCS8051系列單片機(jī)，此類型單片機(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)傳輸來數(shù)據(jù)包經(jīng)過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RS232串行口交給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備。反之，如果是現(xiàn)場設(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，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編寫程序簡練，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。

3TCP/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)不具有性價(jià)比上的優(yōu)勢。經(jīng)過對(duì)比，在本系統(tǒng)中選用開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧uIP0.9作為設(shè)計(jì)。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，感興趣的用戶可以在網(wǎng)絡(luò)上其源代碼并對(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)。

3.2uIP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）等的部分。協(xié)議全部用C語言編寫，其代碼占用量極少，對(duì)RAM資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP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3uIP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖。

3.3uIP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)層協(xié)議的協(xié)議棧，uIP自身不包含任何類型的底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序，它只提供接口函數(shù)供用戶開發(fā)使用。因此為了完成與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交互，用戶必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類型，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)本例來說，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)。如果用戶需要在Internet上通過http協(xié)議瀏覽和獲取現(xiàn)場數(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)長度。uip_input（）函數(shù)處理從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送來的IP包。處理結(jié)束后返回變量uip_len,如果uip_len是0,則沒有數(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)來將uip_buf里的uip_len長度的數(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，單片機(jī)用它周期性地輪詢各連接。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，供用戶使用。當(dāng)用戶要編程實(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（）。不同的連接則通過判斷當(dāng)前連接的端口號(hào)來確定。同時(shí)uIP還提供一些應(yīng)用程序接口函數(shù)供用戶編程時(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（）；輪詢接口函數(shù)uip_poll（）；打開連接接口函數(shù)uip_connect（）等。通過調(diào)用不同的應(yīng)用程序接口函數(shù)，用戶可以實(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，軟件編寫的主體部分是單片機(jī)主程序函數(shù)。主程序視用戶需要達(dá)到何種功能而定。對(duì)于本例通過以太網(wǎng)卡接入到Internet實(shí)現(xiàn)WEB應(yīng)用服務(wù)來說，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，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語言編寫，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語言作為開發(fā)語言。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)需要編寫相應(yīng)的代碼。

5系統(tǒng)測試

在完成上述工作的基礎(chǔ)上，我們?yōu)槭袇^(qū)中心停車場設(shè)計(jì)了一個(gè)停車監(jiān)測管理系統(tǒng)。由于市區(qū)中心停車場業(yè)務(wù)量非常繁忙，車位經(jīng)常飽和，不僅管理人員而且客戶經(jīng)常需要實(shí)時(shí)掌握該停車場的停車位空閑信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端通過傳感器監(jiān)測各停車位的空閑狀態(tài)。并及時(shí)將信息反饋到單片機(jī)，反饋的信息包括停車位空閑狀態(tài)，停車起始時(shí)間和時(shí)長等。據(jù)此監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算整個(gè)停車場空閑停車位的個(gè)數(shù)，并將信息返回到客戶端，同時(shí)以公告信息形式顯示在停車場出入口的LED顯示屏上。方便客戶作出決策。根據(jù)停車時(shí)長計(jì)算的計(jì)費(fèi)信息也可以顯示在客戶端上。結(jié)合上述要求，我們在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器。Http網(wǎng)頁能夠完成接收數(shù)據(jù)、發(fā)送網(wǎng)頁數(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?？蛻舳耸褂贸Ｓ玫腤indows操作系統(tǒng)和InternetExplorer瀏覽器，客戶端不需要安裝其它特殊的服務(wù)程序。系統(tǒng)僅設(shè)置為多4個(gè)并發(fā)客戶端訪問單片機(jī)Web服務(wù)器。圖4是訪問單片機(jī)Web服務(wù)器的結(jié)果。

圖4客戶端