嵌入式Internet技術(shù)應用

摘要：主要從嵌入式Internet技術(shù)的應用出發(fā)，說(shuō)明這種技術(shù)成本低廉，極具推廣價(jià)值；介紹幾種實(shí)用電路模塊的結構特點(diǎn)及使用情況。

關(guān)鍵詞：Internet 網(wǎng)關(guān)（Gateway） TCP/IP協(xié)議 Webchip PSM2000ACD網(wǎng)絡(luò )模塊 IP2022網(wǎng)絡(luò )連通處理器

當今社會(huì )逐漸步入網(wǎng)絡(luò )時(shí)代，Internet已成功重要的基礎信息設施。這方面的技術(shù)進(jìn)步對于社會(huì )的各個(gè)方面產(chǎn)生了積極影響，很多領(lǐng)域都在不斷探索開(kāi)發(fā)和利用網(wǎng)絡(luò )的潛力。目前，大部分網(wǎng)絡(luò )終端仍以PC的形式出現，但是從計算機應用普及情況看，嵌入式系統也是一個(gè)不可忽視的方面。近20年來(lái)，PC機CPU的產(chǎn)品僅是MCU的1%，并且由于MCU的成本低廉，應用非常普及。在工業(yè)測探系統、智能儀器、安防系統、智能家電和信息家電等領(lǐng)域，MCU應用系統已經(jīng)無(wú)處不在。在這些場(chǎng)合中，以MCU為核心的設備同樣也需要解決接入Internet網(wǎng)的問(wèn)題。如果MCU應用系統能夠連接到Internet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到世界的任何一個(gè)地方。我們將嵌入式設備與Internet的結合稱(chēng)為嵌入式Internet技術(shù)，它代表著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的未來(lái)。

目前一些生產(chǎn)廠(chǎng)家，也在積極探討利用MCU實(shí)現嵌入式上網(wǎng)的途徑；而實(shí)現這一技術(shù)的關(guān)鍵在于如何利用現有資源實(shí)現TCP/IP等協(xié)議處理。各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而嵌入式系統中，除部分32位處理器以外，大量存在的是8位和16位MCU，TCP/IP等Internet協(xié)議將占用大量系統資源，因此實(shí)現嵌入式上網(wǎng)存在比較大的困難。面對這些處理速度、機器位數、容量等指標稍差的MCU，如何解決它們接入Internet網(wǎng)問(wèn)題正成為當前的重要課題。本文將介紹目前幾種新型的嵌入式上網(wǎng)電路、模塊的結構和特點(diǎn)。

1 PSM2000ACD網(wǎng)絡(luò )模塊

PSM2000ACD是由力源公司開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò )接口模塊，可以實(shí)現MCU系統與基于PC平臺的網(wǎng)關(guān)（Gateway）接口。這個(gè)模塊電路內部包含網(wǎng)絡(luò )通信（Gateway）接口。這個(gè)模塊電路內部包含網(wǎng)絡(luò )式調制解調器模塊，及1個(gè)外接標準調制解調器接口，如圖1所示。其中PS2000是Webchip接口電路，它與MCU系統交換信息通過(guò)17條指令完成，與MCU系統的軟件接口比較方便；同時(shí)，它的內部駐留網(wǎng)絡(luò )協(xié)議解釋和編譯程序，與基于PC機網(wǎng)關(guān)通信時(shí)負責對于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行必要的規范和解釋?zhuān)鳳C機網(wǎng)關(guān)能夠提供HTTP服務(wù)，可以與計算機瀏覽器接口。PS2000這種Webchip接口電路的結構和原理已有詳細介紹，見(jiàn)參考文獻[4]，這里不再重復。

PSM2000ACD主要用于智能設備的網(wǎng)絡(luò )接口，一方面用1個(gè)標準串行外圍接口與用戶(hù)單片機應用系統連接；另一方面與PC平臺連接有多種選擇，即可用RS-232、RS-485接口，或者采用調制解調器。MCU應用系統通過(guò)PSM2000ACD模塊連接上網(wǎng)十分方便。圖2為其典型連接方法。其中DS2401集成電路為專(zhuān)用電子標簽接口，作為設備的唯一標識。MCU應用系統與PSM2000ACD的連接，既可以滿(mǎn)足點(diǎn)-點(diǎn)通信或者點(diǎn)-多點(diǎn)通信的要求，也能實(shí)現遠/近程通信的要求，結構比較簡(jiǎn)單，另外，由于它的內部駐留網(wǎng)絡(luò )協(xié)議解釋和編譯程序，系統設計人員不必熟悉網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，將這個(gè)模塊作為一個(gè)“灰匣子”處理即可，使得開(kāi)發(fā)和應用工作周期縮短，成本也比較低。

使用Webchip進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )系統設計的步驟是：

（1）建立MCU系統中需要控制的對象，并確定其中需要通過(guò)Internet進(jìn)行遠程控制的對象；

（2）建立MCU系統變量表（VAR-TABLE）；

（3）建立MCU系統狀態(tài)性能表（CAP-TABLE）；

（4）MCU解釋并執行Webchip傳送來(lái)的命令。

當建立了系統變量表（VAR-TABLE）和系統狀態(tài)性能表（CAP-TABLE）后，通過(guò)Webchip的連接，在網(wǎng)關(guān)（Gateway）和MCU系統之間建立起面向對象的控制，即Gateway與MCU的通信是通過(guò)變量表和狀態(tài)性能表進(jìn)行的。MCU是通過(guò)Webchip與Gateway建立聯(lián)系，實(shí)現MCU與Internet的連接。一旦建立起連接后通過(guò)Internet進(jìn)行遠程監測或控制都成為可能。在這種連接中，必須遵守一種“主-從”關(guān)系，保證它們之間可靠的工作，即按照下述原則：

（1）高級別的設備可以主動(dòng)向低級別的設備發(fā)送命令、數據和請求，拒絕低級別的設備一切主運信號。

（2）低級別的設備只能被動(dòng)接受高級別的設備發(fā)送命令、數據和回答請求，不能主動(dòng)向高級別的設備發(fā)送信號。

由前面介紹中可以看到，這種形式是將多個(gè)MCU通過(guò)PSM2000ACD模塊與1臺PC Gateway相連后再與Internet連接，需要利用PC機網(wǎng)關(guān)提供的HTTP服務(wù)，不能直接將MCU與Internet連接。這是這種形式的一個(gè)弊端。

2 IP2022網(wǎng)絡(luò )連通處理器

IP2022是Ubicom公司的產(chǎn)品。它是一種處理速度很快的單片機，可以實(shí)現實(shí)時(shí)多任務(wù)操作，不依賴(lài)PC機可直接接入Internet的應用方案。它能實(shí)現軟件模塊形式的外設、通信和控制功能，這種形式比傳統硬件提供更大的系統設計靈活性。它還提供TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議堆棧，并開(kāi)發(fā)一系列端到端連接方案所必需的軟件。

圖3為IP2022組成框圖。根據圖3的內部結構說(shuō)明如下：

（1）CPU特性

IP2022是基于RISC結構的，指令速率可達到100MIPS，大多數指令為單周期指令，因此它能夠執行虛擬軟件模塊直接驅動(dòng)普通I/O口實(shí)現硬件外設功能，如UART、I2C、SPI、FSK等。它的內部有16級硬件椎棧，提供高性能的子程序連接。

（2）片內存儲器情況

IP2022的內部有64KB（32K×16）的Flash程序存儲器，還有16KB（8K×16）的（程序/數據）RAM。由于程序存儲器為閃速Flash存儲器，所以這還具有自我編程的能力，即自身讀、寫(xiě)和擦除指令。存儲器內軟件實(shí)現的協(xié)議處理可以在不改變硬件的情況下，通過(guò)改變內置程序使整個(gè)系統能升級。

（3）其他硬件資源

包含8/16位并行接口、8個(gè)通道的10位A/D、PLL時(shí)鐘乘法器、定時(shí)器等等。

此外介紹Ubicom有關(guān)軟件的情況。Ubicom的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境包括編輯器、匯編程序、調試程序、仿真器和編程工具?，F在的ipModules庫（預創(chuàng )建軟件模塊）有：

ipOS-操作系統；

ipStack-TCP/IP椎棧；

ipWeb-Web Server；

ipFile-文件系統；

ipIO-MII，I2C，SPI，UART。

由于IP2022屬于速度比較高的一類(lèi)單片機，可以實(shí)現多任務(wù)的操作，即MCU在完成數據采集或控制的同時(shí)把數據打包發(fā)送到Internet，這是它的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。此外，這個(gè)系統所需要的外圍器件少，系統成本不高，加上片內還包含存儲器、A/D、串行I/O口等硬件資源供用戶(hù)使用，這些配置可以應用到很多場(chǎng)合中。由于這個(gè)系統還能提供用于Internet處理的軟件模塊，開(kāi)發(fā)周期也可以大大縮短。

（4）IP2022應用情況

目前，IP2022通信系統產(chǎn)品還是采用評估套件的形式提供給用戶(hù)使用。同時(shí)也有相應軟件模塊提供給用戶(hù)使用，這些軟件模塊主要存儲在內速存儲器，它可以進(jìn)行加載和調整，使用的靈活性比較好。由于應用在不同的場(chǎng)合，產(chǎn)品有兩種基本形式：一種是以太網(wǎng)協(xié)議堆棧評估套件，另一種是Internet協(xié)議堆棧評估套件。

基于以太網(wǎng)協(xié)議的堆棧套件是按照通信控制器要求配置的。它支持包括TCP、UDP、IP、ICMP、DHCP、ARP、HTTP和STMP在內的協(xié)議，主要是供給有一定應用經(jīng)驗的用戶(hù)接入以太網(wǎng)。這種套件包括完整的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器（web server）和電子郵件（email）應用，使之能夠實(shí)現HTTP（超文本傳送協(xié)議）和SMTP（簡(jiǎn)單郵政協(xié)議）應用協(xié)議。ARP協(xié)議（地址確定協(xié)議）和DHCP協(xié)議（動(dòng)態(tài)主機控制協(xié)議）則是用于處理地址以適應特定的以太網(wǎng)環(huán)境的。這種通信控制器具有系統自身修改程序的能力，當能這還需要另外購置專(zhuān)用的設計工具進(jìn)行加載和程序重調。

另一種是適應Internet協(xié)議的堆棧評估套件。它也是按照通信控制器要求配置的標準Internet協(xié)議層組合物，支持包括PPP、TCP/IP、HTTP、STMP和POP3在內的Internet協(xié)議，供給有一定應用經(jīng)驗的用戶(hù)接入Internet。套件也包括了網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器和電子郵件應用這種具體應用形式，前者是實(shí)現超文本傳送協(xié)議（HTTP）和實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )瀏覽器通信；后者提供在應用層的SMTP和POP3協(xié)議的電子郵件應用。這兩種具體應用形式可以在不改變電路結構的情況下進(jìn)行軟件重新裝配。

在實(shí)際的（Internet協(xié)議堆棧）應用板上包括以下的基本部件：

通信控制器-P2022；

擴展存儲器-用于存儲網(wǎng)頁(yè)內容的存儲器；

2個(gè)DB-的串行連接器，1個(gè)接MODEM、1個(gè)作為調試接口；

另外還有時(shí)鐘電路、LED顯示器、復位按鈕和直流電源插頭。

在應用板上裝有相應的Internet協(xié)議，它通過(guò)DB-9串行連接器接一個(gè)MODEM就可以與遠程的PC通信。一旦建立了撥號上網(wǎng)連接之后，在遠程的PC瀏覽器就能夠觀(guān)察到應用板上存儲器內保存的網(wǎng)頁(yè)內容。

3 其他同類(lèi)型器件模塊

除上述電話(huà)外，目前也出現了一部分比較新的電路和軟件，限于篇幅只能簡(jiǎn)要介紹它們的主要特性。

（1）EM2000系列以太網(wǎng)模型路由器

由單片機實(shí)現的微型路由器，支持RS-232、RS-485、CAN Bus設備和以太網(wǎng)的連接并實(shí)現TCP/IP協(xié)議到用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的轉換?？梢允褂脩?hù)現有的設備非常容易連接到以太網(wǎng)，從而縮短用戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間；可以快速將用戶(hù)原有的設備連入到因特網(wǎng)（見(jiàn)參考文獻[5]）。

（2）Nport Express

具備1個(gè)RS-232/422/485三合一串口和1個(gè)10/100Mbps的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )連接，可讓串口設備立即連接網(wǎng)絡(luò )。Express體積只有香煙盒大小，模塊只有信用卡大小，容易集成在系統或設備內。它還提供完整的Windows2000/NT/95/98/ME、Linux、UNIX的程序和TCP/IP Socket工具，使系統開(kāi)發(fā)者無(wú)須更改現有的應用軟件或程序，即可如同使用COM口一樣，透過(guò)網(wǎng)絡(luò )直接控管RS-232/422/485設備，保障現有的軟件投資。此外，串口通信應用開(kāi)發(fā)工具軟件及函數庫和完整的監控程序，使串口通信應用程序的開(kāi)發(fā)和數據傳輸監控更為簡(jiǎn)單（見(jiàn)參考文獻[6]）。

（3）RABBIT2000微處理器、TCP/IP開(kāi)發(fā)工具包

提供1個(gè)帶有8位高性能微處理器的工具平臺和動(dòng)態(tài)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)包。該工具是開(kāi)發(fā)加強型10 M-BASE以太網(wǎng)應用中必不可少的。RABBIT2000微處理器可以進(jìn)行直接軟件開(kāi)發(fā)，用戶(hù)程序由動(dòng)態(tài)C語(yǔ)言創(chuàng )建，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境包括編輯程序、編譯程序和調試程序。程序的編譯和執行可通過(guò)動(dòng)態(tài)C語(yǔ)言和編程電纜來(lái)實(shí)現，而無(wú)需電路仿真程序。使用RABBIT2000微處理器工具包內的開(kāi)發(fā)板，可以直接評估開(kāi)發(fā)TCP/IP應用，執行碼可下載到內存或SRAM中。該工具包還提供TCP/IP協(xié)議的全部源代碼（見(jiàn)參數文獻[7]）。

目前嵌入式Internet應用還屬于起步階段，有很多工作需要我們不斷開(kāi)拓，包括電路研究和應用開(kāi)發(fā)都需要投入大量工作。但可以肯定的是，不久的將來(lái)在這方面是一定會(huì )有比較大的變化的。