基于51單片機的嵌入式SNMP代理器設計與實(shí)現

1 SNMP體系結構

SNMP的體系結構（見(jiàn)圖1）以簡(jiǎn)單的查詢(xún)/回答模型為基礎，發(fā)送查詢(xún)的用戶(hù)為管理者，SNMP的服務(wù)器（代理器）回答查詢(xún)。

SNMP在TCP/IP體系中屬于應用層協(xié)議。為了實(shí)現SNMP體系，就必須實(shí)現從應用層到物理層的所有要用到的協(xié)議，管理器在PC機上，代理器處于監測現場(chǎng)，代理器駐留在被管理系統的MIB，我們以單片機為核心來(lái)實(shí)現嵌入式代理器，嵌入式代理器要對現場(chǎng)采集到的數據進(jìn)行分析，如果有異常情況發(fā)生，通過(guò)發(fā)送Trap報文給管理器，告知網(wǎng)管有異常情況發(fā)生，在報文中還帶有異常情況的相關(guān)信息，網(wǎng)管可以根據這一信息進(jìn)行相應的處理，在一些情況下，代理器將數據保存起來(lái)，以備管理器的查詢(xún)。

2 嵌入式代理器的硬件實(shí)現

我們設計的基于SNMP的控制系統原理見(jiàn)圖2。

控制現場(chǎng)的信號采集由A/D轉換模塊輸入單片機。單片機對信號進(jìn)行處理，并且執行SNMP代理器的任務(wù)，硬件部分主要包括A/D、串口、以太網(wǎng)、小邏輯、單片機、監控信號采集、電源及監控等模塊，本文著(zhù)重介紹與嵌入式SNMP代理器密切相關(guān)的部分。

2.1 串口模塊

單片機使用的是TTL電平，而RS-23協(xié)議所使用的電平不同，所以需要進(jìn)行電平轉換，通過(guò)MAX232實(shí)現電平轉換。

2.2 A/D模塊

A/D模塊主要負責采集外部監控信號，采用AD0809可以采集8個(gè)通道的數據，信號變化的動(dòng)態(tài)范圍并不大，利用這一特點(diǎn)，合理設置參考電壓，可以提高分辨率，從而用低廉的器件實(shí)現很好的性能，ADC0809的兩個(gè)參考電壓都可以通過(guò)電位器調節，為了保證系統的精度，參考電壓必須穩定，為此采用MAXIM的MAX875作為參考電壓源。另外需要注意的是：輸入到A/D轉換器的參考電壓經(jīng)過(guò)電位器的分壓，為了使參考電壓穩定，必須選用高精度、高穩定性的電位器。

2.3 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)模塊實(shí)現與以太網(wǎng)的通信，采用RealTek的RTL8019芯片實(shí)現。

RTL8919A（見(jiàn)圖3）有3種工作方式：跳線(xiàn)方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由跳線(xiàn)決定；即插即用方式，由軟件進(jìn)行自動(dòng)配置plug and play；免跳線(xiàn)方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由外接的93C46中的內容決定。

RTL8019AS的引腳65（JP）決定了網(wǎng)卡的工作方式，引腳65腳（JP）是輸入引腳，當引腳65為低電平時(shí)，8019工作在即插即用方式或免跳線(xiàn)方式，具體由93C46中的內容決定，在嵌入式應用中如果可以不使用93C46，則可以降低成本，同時(shí)減少連線(xiàn)，我們把引腳65接高電平（VCC），使用跳線(xiàn)方式。那么，網(wǎng)卡的I/O和中斷就不是由93C46的內容決定，這是不需要使用93C46。

引腳64（AUI）決定使用AUI還是BNC接口。BNC接口方式支持8線(xiàn)雙絞線(xiàn)或同軸電纜。高電平時(shí)使用AUI接口；懸空為低電平，使用BNC接口。我們一般使用BNC，將該引腳懸空。
網(wǎng)絡(luò )接口類(lèi)型由引腳74（PL0）、引腳77（PL1）決定。將PL0、PL1懸空，選擇自動(dòng)檢測模式，芯片自動(dòng)檢測接口類(lèi)型是用同軸電纜或雙絞線(xiàn)，然后進(jìn)行工作。

RTL89的IOCS16是16位I/O的選擇引腳。當網(wǎng)卡上電復位時(shí)，該引腳為網(wǎng)卡的輸入，如果該引腳為高電平，網(wǎng)卡將選擇16位的模式，如果該引腳為低電平，網(wǎng)卡將選擇8位模式，51單片機是8位數據，所以用電阻R10下拉，因此在復位時(shí)該引腳為低電平，網(wǎng)卡選擇8位模式。

AD0-AD7是網(wǎng)卡的8位數據總線(xiàn)，接單片機的P0口，RESDRV（引腳33（RESET））接單片機的T0（P3.4），單片機用P3.4來(lái)復位網(wǎng)卡。IRQ9接單片機的INT0（P3.2），IRQ9是網(wǎng)卡的中斷9，接到單片機的中斷0上，IOR，IOW接到單片機的P3.6，P3.7（/WR，/R）。

2.4 小邏輯模塊

小邏輯模塊主要實(shí)現一些邏輯功能，A/D的時(shí)鐘由單片機的ALE信號8分頻，各個(gè)外部器件的片選功能都由小邏輯模塊實(shí)現，雖然功能不復雜，如果用小邏輯器件實(shí)現，就需要較多的器件，器件利用率低，在電路板上占據較大的空間，與要求體積小的嵌入式應用相矛盾。采用可編程邏輯器件可以解決這些問(wèn)題。

2.5 單片機模塊

單片機模塊由單片機以及復位和看門(mén)狗電路、外部擴展RAM、時(shí)鐘電路等外圍電路構成，看門(mén)狗電路可以提高現場(chǎng)惡劣條件的干擾，當系統受到外界干擾使得單片記的程序跑飛，看門(mén)狗沒(méi)有喂狗信號，看門(mén)狗電路將單片機和RTL8019復位，重新開(kāi)始運行。

3 軟件設計與實(shí)現

由于SNMP的編解碼需要占用很多CPU時(shí)間，并且在單片機上還要實(shí)現A/D數據采集轉換、以太網(wǎng)通信、串口通信等功能，這就使得協(xié)調各個(gè)功能非常困難，因此，我們選用Micro-C/OS51作為單片機的操作系統，Micro-C/OS51是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統Micro-C/ OS在51單片機上的移植代碼，實(shí)時(shí)系統能夠很好地提高CPU的效率，并且是多任務(wù)系統，能夠協(xié)調多個(gè)任務(wù)，我們將單片機要實(shí)現的功能分為人機交互任務(wù)、A/D處理任務(wù)和SNMP處理任務(wù)。

3.1 人機交互任務(wù)

人機交互任務(wù)是通過(guò)單片機的串口來(lái)實(shí)現與用戶(hù)的交互，用戶(hù)通過(guò)串口電纜將PC機與單片機的串口連接，通過(guò)PC機的超級終端可以使用命令行的方式對代理器的有關(guān)參數（網(wǎng)關(guān)地址、主機地址等）進(jìn)行配置，還可以察看相關(guān)的運行信息，主要的命令行有：

Host 配置本機IP地址

Gateway 配置網(wǎng)關(guān)地址

Mask 配置子網(wǎng)掩碼

Snmphost 配置SNMP管理器IP地址

Macadr 配置本機物理地址

ping 可以用這個(gè)命令來(lái)檢測網(wǎng)絡(luò )鏈路

clear 清除電話(huà)顯示屏的內容

人機交互任務(wù)實(shí)現的主要思路就是單片機接收用戶(hù)鍵盤(pán)輸入的字符存入命令緩沖區，并回顯到屏幕，當用戶(hù)按下回車(chē)鍵，觸發(fā)軟件狀態(tài)機狀態(tài)變遷，從輸入態(tài)轉移到命令解釋?xiě)B，然后根據用戶(hù)命令調用相關(guān)子程序執行相關(guān)操作，執行完畢后重新回到輸入態(tài)。

人機交互程序由詞表、取詞子程序、狀態(tài)機框架程序（輸入回顯和命令解釋執行）命令相關(guān)子程序組成，詞表就是命令語(yǔ)句的集合，取詞子程序從命令行語(yǔ)句中提取單詞并存入詞表，同時(shí)進(jìn)行匹配檢查和詞法分析，輸入回顯程序循環(huán)檢查用戶(hù)鍵盤(pán)輸入，命令解釋程序調用取詞子程序分析用戶(hù)命令行輸入，根據詞表第1個(gè)單詞在散轉表中的位置調用相應執行子程序處理命令，命令解釋程序向相應的命令相關(guān)子程序傳入詞表指針，具體執行由用戶(hù)自行決定，由命令相關(guān)資程序返回后重新回到命令輸入態(tài)，完成一次輸入執行全過(guò)程，此過(guò)程周而復始地循環(huán)執行。

3.2 A/D處理任務(wù)

A/D轉換需要一定的時(shí)間，讀取A/D轉換的結果有3種方式：

a）采用中斷方式，讀取數據及時(shí)，同時(shí)頻繁的中斷處理增加了CPU的負擔。

b）查詢(xún)方式，造成CPU時(shí)間的浪費，大大地降低了CPU效率；

c）等待方式，看起來(lái)沒(méi)有優(yōu)點(diǎn)，但是在UC/OS51操作系統中，到任務(wù)調度的一個(gè)很重要的思想就是延時(shí)，高優(yōu)先級的任務(wù)執行一段時(shí)間后，再延時(shí)一段時(shí)間，以便低優(yōu)先級的任務(wù)執行，這樣將等待的時(shí)刻放到A/D處理任務(wù)的延時(shí)時(shí)刻，可以起到一舉多得的作用，我們正是采用這種方式。

3.3 SNMP處理任務(wù)

當接收到UDP數據包、處理UDP報頭后，由函數udp_recv（）處理SNMP數據包。其基本思想是：解碼SNMP消息，如果解碼正確，判斷該Community（共同體）是否具有進(jìn)行所請求操作的權限，如果沒(méi)有權限，則拋棄該報文，并且給管理器發(fā)送Trap報文。如果權限正確，則從代理器上的MIB表中查找所請求的對象。找到后，執行相應操作，同時(shí)生成響應報文。然后進(jìn)行SNMP編碼，如果編碼無(wú)誤，則將這個(gè)SNMP報文交給上一層協(xié)議處理，SNMP處理流程見(jiàn)圖4。

在SNMP處理過(guò)程中，SNMP的編碼和解碼非常關(guān)鍵，以解碼為例來(lái)說(shuō)明，解碼出SNMP報文使用SNMP的版本號，報文所使用的共同體號，版本號，表明了報文使用SNMP的版本，如果管理器與代理器使用協(xié)議的版本不同，將不能正常通信，共同體相當于密鑰，只有有了密鑰的管理器才能夠訪(fǎng)問(wèn)代理器，否則，代理器不予響應，PDU解碼出管器所要訪(fǎng)問(wèn)的對象，SNMP解碼的流程圖見(jiàn)圖5。

流程圖中的snmpDec（）函數解碼SNMP函數報文，將有用的信息提取出來(lái)，MibRequest（）函數的作用是將駐留在嵌入式SNMP代理器中的MIB中查找解碼出來(lái)的OID（對象標識符），查找到OID后，同時(shí)獲得了這個(gè)對象的信息，編碼同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行，MibCmpObjId（）函數的作用是采用比較的方式查找表項。SnmpEnc（）函數將得到的響應報文按SNMP的編碼規則編碼成SNMP報文。make_udp（）函數將SNMP報文封裝在UDP報文中。再經(jīng)過(guò)IP協(xié)議封裝，以太網(wǎng)協(xié)議封裝后，就可以通過(guò)以太網(wǎng)傳輸。

4 結束語(yǔ)

我們將該系統用于光無(wú)線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò )管理與監控系統。經(jīng)過(guò)使用后發(fā)現：該系統能夠實(shí)時(shí)監控光無(wú)線(xiàn)通信系統的運行，由于采用Internet傳送數據，所以傳輸距離不受限制，SNMP是應用最廣泛的網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議及實(shí)現嵌入式SNMP代理器，可以使光無(wú)線(xiàn)通信系統的管理很方便地加入到現有的網(wǎng)絡(luò )管理系統，由于采用廉價(jià)的單片機來(lái)實(shí)現嵌入式SNMP代理器，主要的協(xié)議處理由軟件實(shí)現，成本很低。