基于MCS-51的嵌入式Internet接入技術(shù)

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

如果嵌入式系統能夠連接到Internet 上，則用戶(hù)可以方便、快捷、低廉地通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程控制、監測和信息傳送。Internet 技術(shù)和嵌入式技術(shù)的相互融合，不僅為嵌入式系統的設計和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展空間和機遇，也使得 Internet 應用進(jìn)入了嵌入式Internet 時(shí)代。據專(zhuān)家預測，未來(lái)在 Internet 上的新增業(yè)務(wù)和應用中，將有 45%的增長(cháng)來(lái)自于小型嵌入式系統。因此，嵌入式系統的 Internet 接入技術(shù)，將會(huì )有極其廣闊的應用前景。如何利用單片機接入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資源。單片機的缺點(diǎn)是資源有限，無(wú)法容納下Internet 的TCP/IP 協(xié)議簇。因此單片機實(shí)現嵌入式接入Internet 技術(shù)的關(guān)鍵是如何在單片機等嵌入式設備的有限資源上實(shí)現Internet 的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議棧。其難點(diǎn)在于：如何利用單片機自身有限的資源對信息進(jìn)行TCP/IP 協(xié)議處理，使之變成可以在Internet 上傳輸的IP 數據包。目前許多研究機構都在積極探討利用MCU 實(shí)現接入Internet 技術(shù)，出現了多種單片機嵌入式Internet 技術(shù)方案，這些技術(shù)實(shí)現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置了通信和控制功能的單片機，可以實(shí)現實(shí)時(shí)多任務(wù)操作。比傳統的單片機硬件提供更強的系統設計靈活性。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，能夠實(shí)現多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，一般提供有相應的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧。但是這種芯片價(jià)格偏高，用戶(hù)需要支付軟硬件費用，不易于實(shí)現市場(chǎng)的廣泛應用。

(2) 嵌入式系統組成專(zhuān)用網(wǎng)通過(guò)PC 網(wǎng)關(guān)接入Internet.小型嵌入式系統通過(guò)總線(xiàn)技術(shù)組成專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，采用一個(gè)PC 機作為網(wǎng)關(guān)，該 PC 將專(zhuān)用網(wǎng)發(fā)送來(lái)的信息通過(guò)專(zhuān)用軟件轉換為T(mén)CP/IP 協(xié)議數據包，然后發(fā)到 Internet 上以實(shí)現遠程通信。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)是要使用一臺專(zhuān)用的PC 機，顯然它只適用于某些工業(yè)數據采集系統，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) 使用普通單片機和網(wǎng)絡(luò )控制芯片。這種方法實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而且可根據實(shí)際需要進(jìn)行功能擴展，但是需要在單片機上實(shí)現嵌入式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，所以其優(yōu)點(diǎn)是成本低，單片機體積小，易于以極高的性?xún)r(jià)比向諸多需要實(shí)現嵌入式接入Internet 的場(chǎng)合推廣。本文設計的系統就是采用這種技術(shù)方案，下面將重點(diǎn)分析其硬件和軟件設計。

2 單片機與網(wǎng)卡的接口電路

2.1 系統總體設計

圖1 系統總體設計。

系統選用最常用的MCS 8051 系列單片機，此類(lèi)型單片機價(jià)格低廉且應用廣泛。網(wǎng)卡選用臺灣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，所以系統除了單片機和網(wǎng)卡外，還增加了一些外圍電路。包括用作數據緩存的RAM 存儲器和RS232 接口，前者用作數據緩存器，后者作為單片機與現場(chǎng)設備進(jìn)行數據交互的接口。系統總體功能設計如圖1 所示。

在上述系統設計中，單片機主要完成Internet數據的解包和串口RS232 數據的封包。遠程PC 機傳輸來(lái)數據包經(jīng)過(guò)Internet 物理媒介到達以太網(wǎng)控制芯片 RTL8019AS 內，RTL8019AS 執行地址解析協(xié)議，然后交給 C8051 單片機，單片機執行TCP/IP 協(xié)議模塊，去掉 TCP/IP 報頭后將數據通過(guò)RS232 串行口交給數據采集系統的現場(chǎng)設備。反之，如果是現場(chǎng)設備發(fā)送數據到單片機，那么單片機將數據按照TCP/IP 協(xié)議格式封包后送入RTL8019AS，由網(wǎng)卡芯片傳輸到Internet 中。通過(guò)上述方式，單片機完成與Internet 的交互，從而實(shí)現數據采集系統的互聯(lián)網(wǎng)遠程控制。

2.2 標單片機與網(wǎng)卡的接口電路

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

圖2 單片機與以太網(wǎng)控制芯片連接圖。

8051 單片機P0 口的8 位數據總線(xiàn)D0-D7、P2口的5 根地址線(xiàn)A8-A12、讀信號線(xiàn)RD、寫(xiě)信號線(xiàn)WR、2 個(gè)定時(shí)器控制端T0、T1 分別與Realtek8019AS 的各信號線(xiàn)對應連接。Realtek8019AS 芯片工作在8 位總線(xiàn)方式。8051 單片機驅動(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Internet 接入。

3 TCP/IP協(xié)議棧在單片機上的實(shí)現

3.1 嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧

TCP/IP 協(xié)議是Internet 的核心協(xié)議。單片機實(shí)現嵌入式接入 Internet 必須要在單片機上實(shí)現TCP/IP 協(xié)議。由于TCP/IP 協(xié)議簇異常龐大，而單片機片內資源有限，所以要在單片機上完整實(shí)現TCP/IP協(xié)議是不可能的。目前許多公司根據不同的嵌入式設備開(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。如果采用這類(lèi)協(xié)議棧則使得設計的單片機嵌入式Internet 系統不具有性?xún)r(jià)比上的優(yōu)勢。經(jīng)過(guò)對比，最后在本系統中選用開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧uIP0.9 作為設計核心。uIP0.9 是一個(gè)適用于8/16 位單片機上的小型嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧，感興趣的用戶(hù)可以免費在網(wǎng)絡(luò )上下載其源代碼并對其進(jìn)行修改，以適應不同的應用需要。uIP0.9 協(xié)議棧采用模塊化設計，保留網(wǎng)絡(luò )通信所必要的協(xié)議機制，大大減少了協(xié)議代碼量(代碼量在幾千字節左右)，只需要幾百字節的內存就可以順利運行，降低了協(xié)議對系統資源的要求。uIP0.9 完全適應當前的單片機嵌入式系統。