嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器原理及其應用

摘 要：本文在研究以太網(wǎng)和傳統網(wǎng)絡(luò )測控系統的基礎上，提出了一種把PC機和網(wǎng)絡(luò )終端連接起來(lái)并能給網(wǎng)絡(luò )終端持續供電的嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器，并給出詳細的設計方案及其具體工作過(guò)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)際應用。

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

1、引言

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

電子設備接入網(wǎng)絡(luò )改變傳統電子設備靠控制臺操作的方式，使之進(jìn)入一種開(kāi)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(guò)網(wǎng)絡(luò )還可以把原來(lái)單獨的不同設備互連起來(lái)，可以實(shí)現各設備間數據的共享。它促進(jìn)了家庭電器、儀器設備和網(wǎng)絡(luò )相連的技術(shù)發(fā)展，對推動(dòng)家庭的信息化、儀器設備網(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(xiàn)的線(xiàn)路，幾個(gè)終端可以通過(guò)嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器管理功能以上位機進(jìn)行通信，節約了線(xiàn)路的成本和數據在以太網(wǎng)上的傳輸量，提高了工作效率。

2、系統原理

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

· 可以通過(guò)以太網(wǎng)給終端設備供電，而不另外接電源線(xiàn);

· 可以傳送、接收 UDP和 TCP數據報以及串口數據;

· 可以響應PING命令，檢測當前主機是否可到達或IP是否存在;

· 能與上位機通信也能和終端設備進(jìn)行通信，實(shí)現兩者之間數據的跨網(wǎng)段的傳輸;

· IP地址尋址;

· PC機可以通過(guò)串口和網(wǎng)口對其參數進(jìn)行設置;

· 通過(guò)嵌入式Web服務(wù)器，可通過(guò)瀏覽器瀏覽和設置參數。

3、系統實(shí)現

通過(guò)分析設計目標及嵌入式以太網(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。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)器總體結構圖

· MCU主控芯片主要完成程序控制和數據通信;

· 電源模塊負責提供系統所需要的各種電源;

· EEPROM完成參數和數據的保存;

· 網(wǎng)卡芯片1負責與上位機通訊，作為系統上聯(lián)接口;

· 網(wǎng)卡芯片2負責與下位機通訊，作為系統下聯(lián)接口;

· HUB+PoE是集線(xiàn)器和以太網(wǎng)供電設備組成，負責數據交換和給下位機供電;

· SRAM是用來(lái)擴展MCU數據存儲區。

3.1系統硬件設計方案

在芯片的選擇上，針對目前最常用的8位單片機，系統MCU采用了飛利浦公司的P89C669單片機，這種芯片自帶96K的Flash， 指令執行速度是標準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(jiàn)的一種芯片。EEPROM選用了常用的24C256，可以滿(mǎn)足數據量的存儲。HUB芯片系統也采用了Realtek的RTL8305S，它是單芯片5端口10/100 M交換集線(xiàn)器控制器。PoE芯片系統采用凌特公司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字節的IS61LV5128作為數據存儲區，大大提高M(jìn)CU處理能力，保證 MCU有足夠的數據堆棧運行嵌入式系統程序。

3.2 系統軟件設計方案

單片機的程序設計包括C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言?xún)煞N。在本系統中，采用C51作為程序設計語(yǔ)言。它的優(yōu)勢是明顯的，C語(yǔ)言是一種編譯型程序設計語(yǔ)言，它兼顧了多種高級語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。C語(yǔ)言有豐富的庫函數、運算速度快，而且可以直接實(shí)現對系統硬件的控制，較匯編語(yǔ)言有更好的可讀性。

軟件部分主要是完成網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)、轉換、串口數據的收發(fā)、在單片機中實(shí)現嵌入式TCP，UDP，IP，ARP，ICMP和HTTP等協(xié)議。協(xié)議嵌入后，系統可以和PC機按照標準的WINSOCK函數進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )數據通信。

4、在“家校通”中的具體應用

“家校通” 是利用現代信息技術(shù)實(shí)現家庭與學(xué)?？旖?、實(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(cháng)之間溝通，幫助孩子健康成長(cháng)的、集先進(jìn)的計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)于一體的信息交流系統。它可以讓家長(cháng)每天都能了解到自己孩子在學(xué)校的情況，也可以讓家長(cháng)隨時(shí)隨地的向老師提出建議或反映孩子在家里的表現。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用。

圖2 “家校通”拓撲結構

4.1 “家校通”拓撲結構

典型的“家校通”由嵌入式通信服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )型讀卡機和移動(dòng)信息管理服務(wù)器組成，其拓撲結構如圖2所示，嵌入式以太網(wǎng)通信服務(wù)器在“家校通”系統中的主要作用是：

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

· 它負責接收下屬的網(wǎng)絡(luò )型讀卡機數據，當它接收到數據后，先給網(wǎng)絡(luò )型讀卡機送時(shí)間顯示，但數據并沒(méi)有馬上轉發(fā)到以太網(wǎng)，而是把這些數據進(jìn)行過(guò)濾,把有用數據打包，打包到一定量后或等到一定時(shí)間后再轉發(fā)數據。這樣做的目的是減少上位機的壓力，減少數據來(lái)回應答次數，提高了整個(gè)系統的穩定性;

· 它負責接收上位機的數據，并把數據轉交網(wǎng)絡(luò )型讀卡機;

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