基于MCS-51的嵌入式Internet接入技術(shù)

近年來以單片機(Micro Computer Unit，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域得到了廣泛應用。

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)絡進行遠程控制、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)的設計和開發(fā)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機遇，也使得 Internet 應用進入了嵌入式Internet 時代。據(jù)專家預測，未來在 Internet 上的新增業(yè)務和應用中，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)，將會有極其廣闊的應用前景。如何利用單片機接入Internet 網(wǎng)絡成為未來最熱門的技術(shù)之一。

1 單片機嵌入式Internet接入技術(shù)

Internet 網(wǎng)絡通信中，TCP/IP 協(xié)議簇非常龐大，需要占用大量的系統(tǒng)資源。單片機的缺點是資源有限，無法容納下Internet 的TCP/IP 協(xié)議簇。因此單片機實現(xiàn)嵌入式接入Internet 技術(shù)的關鍵是如何在單片機等嵌入式設備的有限資源上實現(xiàn)Internet 的網(wǎng)絡通信協(xié)議棧。其難點在于：如何利用單片機自身有限的資源對信息進行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。目前許多研究機構(gòu)都在積極探討利用MCU 實現(xiàn)接入Internet 技術(shù)，出現(xiàn)了多種單片機嵌入式Internet 技術(shù)方案，這些技術(shù)實現(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，可以實現(xiàn)實時多任務操作。比傳統(tǒng)的單片機硬件提供更強的系統(tǒng)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。這類芯片功能強，能夠?qū)崿F(xiàn)多種網(wǎng)絡協(xié)議，一般提供有相應的TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議棧。但是這種芯片價格偏高，用戶需要支付軟硬件費用，不易于實現(xiàn)市場的廣泛應用。

(2) 嵌入式系統(tǒng)組成專用網(wǎng)通過PC 網(wǎng)關接入Internet.小型嵌入式系統(tǒng)通過總線技術(shù)組成專用網(wǎng)絡，采用一個PC 機作為網(wǎng)關，該 PC 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 上以實現(xiàn)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是要使用一臺專用的PC 機，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)絡化智能儀器儀表等領域推廣。

(3) 使用普通單片機和網(wǎng)絡控制芯片。這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，而且可根據(jù)實際需要進行功能擴展，但是需要在單片機上實現(xiàn)嵌入式TCP/IP 網(wǎng)絡協(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)點是成本低，單片機體積小，易于以極高的性價比向諸多需要實現(xiàn)嵌入式接入Internet 的場合推廣。本文設計的系統(tǒng)就是采用這種技術(shù)方案，下面將重點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(tǒng)總體設計

圖1 系統(tǒng)總體設計。

系統(tǒng)選用最常用的MCS 8051 系列單片機，此類型單片機價格低廉且應用廣泛。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)絡協(xié)議的程序代碼量較大，所以系統(tǒng)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(shù)據(jù)緩存的RAM 存儲器和RS232 接口，前者用作數(shù)據(jù)緩存器，后者作為單片機與現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)交互的接口。系統(tǒng)總體功能設計如圖1 所示。

在上述系統(tǒng)設計中，單片機主要完成Internet數(shù)據(jù)的解包和串口RS232 數(shù)據(jù)的封包。遠程PC 機傳輸來數(shù)據(jù)包經(jīng)過Internet 物理媒介到達以太網(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，單片機執(zhí)行TCP/IP 協(xié)議模塊，去掉 TCP/IP 報頭后將數(shù)據(jù)通過RS232 串行口交給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)場設備。反之，如果是現(xiàn)場設備發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機，那么單片機將數(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，單片機完成與Internet 的交互，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)的核心，因此單片機與網(wǎng)卡的接口電路非常關鍵。本系統(tǒng)選用8051 系列單片機，是因為8051 單片機是最常用的單片機，其價格低廉且應用廣泛，在工業(yè)設備應用中易于降低系統(tǒng)成本。同時8051 編寫程序簡練，程序調(diào)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(shù)據(jù)總線D0-D7、P2口的5 根地址線A8-A12、讀信號線RD、寫信號線WR、2 個定時器控制端T0、T1 分別與Realtek8019AS 的各信號線對應連接。Realtek8019AS 芯片工作在8 位總線方式。8051 單片機驅(qū)動網(wǎng)絡控制芯片RTL8019AS，經(jīng)網(wǎng)絡隔離濾波器HR901170A 后實現(xiàn)Internet 接入。

3 TCP/IP協(xié)議棧在單片機上的實現(xiàn)

3.1 嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧

TCP/IP 協(xié)議是Internet 的核心協(xié)議。單片機實現(xiàn)嵌入式接入 Internet 必須要在單片機上實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議。由于TCP/IP 協(xié)議簇異常龐大，而單片機片內(nèi)資源有限，所以要在單片機上完整實現(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。如果采用這類協(xié)議棧則使得設計的單片機嵌入式Internet 系統(tǒng)不具有性價比上的優(yōu)勢。經(jīng)過對比，最后在本系統(tǒng)中選用開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧uIP0.9 作為設計核心。uIP0.9 是一個適用于8/16 位單片機上的小型嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧，感興趣的用戶可以免費在網(wǎng)絡上下載其源代碼并對其進行修改，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(jié)左右)，只需要幾百字節(jié)的內(nèi)存就可以順利運行，降低了協(xié)議對系統(tǒng)資源的要求。uIP0.9 完全適應當前的單片機嵌入式系統(tǒng)。