基于單片機(jī)的Internet連接技術(shù)與方法

0引言

目前，Internet已成為當(dāng)今信息社會的重要組成部分，Internet技術(shù)將日益深入到生活和各種智能設(shè)備中。單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，以往那種由一塊單片機(jī)組成的系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代工業(yè)、生活等各方面的需求，人們開始利用各種局部總線，如CAN、RS232、RS485等，將多塊單片機(jī)連接起來形成局域網(wǎng)，這種方案在一定程度上解決了信息交換的問題。為了獲得更大程度的信息交換，如果能將單片機(jī)系統(tǒng)連上Internet網(wǎng)，則可以真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)維護(hù)人員可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)直接讀取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)，了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可及時采取正確的補(bǔ)救措施。現(xiàn)在，各種工業(yè)智能電器、智能儀表和智能家電內(nèi)部都嵌有微處理器，但是由于各種微處理器的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)各不相同，因此無法通過標(biāo)準(zhǔn)的軟件、硬件接口來直接連入Internet網(wǎng)絡(luò)，如何充分利用現(xiàn)有的Internet技術(shù)和資源，以較低的成本將各類工業(yè)智能電器、智能儀表和智能家電與Internet連接，已成為當(dāng)今IT界關(guān)注的熱點(diǎn)。特別是隨著ISP和IAP概念的出臺，實(shí)現(xiàn)這種設(shè)想就更有實(shí)際意義。

1單片機(jī)接入Internet網(wǎng)的幾種方法

單片機(jī)接入Internet網(wǎng)絡(luò)方法很多，但歸結(jié)為以下幾種：① 給單片機(jī)系統(tǒng)配上一個DTE／DCE接口設(shè)備，并且能支持TCP／IP和PPP協(xié)議，就可通過Modem上網(wǎng)［1，2］；②給單片機(jī)系統(tǒng)配上一個網(wǎng)絡(luò)控制器或NIC以太網(wǎng)卡等外圍設(shè)備，并提供TCP／IP和IEEE802.3協(xié)議，通過這種具有協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的芯片或網(wǎng)卡就可以接入Internet網(wǎng)絡(luò)；③開發(fā)出能直接連入Internet網(wǎng)絡(luò)的新型嵌入式微處理器。

1.1單片機(jī)通過Modem連上Internet網(wǎng)

這種方式(如圖1)主要是利用串口連接Modem，通過電信的服務(wù)器進(jìn)入Internet網(wǎng)。大量外置Modem提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口，所以和PC機(jī)相連的Modem可以通過串口直接連接。由于RS232接口規(guī)定了雙極性電平，而MCS－51單片機(jī)串口為TTL電平，所以Modem不能直接和單片機(jī)相連，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。如采用MAX232接口芯片，可很方便的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和Modem的連接，連接原理如圖2所示。MCS－51雖然有串行輸入、輸出接口，但不具有RTS、CTS、 DTR、TXC、RXC等標(biāo)準(zhǔn)接口握手信號線，考慮到單片機(jī)與PC機(jī)的通信量并不大，在連接時采用了簡單的“三線式”(如圖2)，即只通過TXD、RXD 和地線GND進(jìn)行連接，其他信號需在軟件上做一些處理。

1.2單片機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)控制器或NIC以太網(wǎng)卡等外圍設(shè)備連上Int ernet網(wǎng)

這種方式主要通過單片機(jī)的外圍芯片如Ichip、webchip，而這些芯片中擴(kuò)展有TCP／IP協(xié)議，最后通過網(wǎng)關(guān)接入Internet網(wǎng)。目前國內(nèi)外許多公司正致力于研究和推出這種嵌入式技術(shù)，如由Seiko公司推出的ichip S7600A芯片、Cirrus Logic公司的CS8900A以及武漢力源公司研制的webchip PS2000芯片，這些芯片都是基于EMIT(Embedded Micro Internet working Technology)技術(shù)研制的［7］。

1.2.1EMIT技術(shù)

mware公司創(chuàng)立了 ETI(擴(kuò)展Internet聯(lián)盟)，并提出了EMIT嵌入式微型Internet網(wǎng)互連技術(shù)，它是一種能夠?qū)?位或16位單片機(jī)等嵌入式設(shè)備接入 Internet網(wǎng)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于Internet的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、智能控制、上傳、下載等功能。EMIT技術(shù)包括以下核心技術(shù)：
　　·EmMicro是駐留在嵌入式系統(tǒng)中的微型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，將EmMicro集成到嵌入式系統(tǒng)中，使得網(wǎng)絡(luò)上的客戶機(jī)能夠控制和監(jiān)視嵌入式系統(tǒng)。 EmMicro針對微控制器有限的資源進(jìn)行了優(yōu)化，只占用系統(tǒng)很小內(nèi)存(約1K字節(jié))資源和處理器資源。這個1 KB服務(wù)器軟件即EmMicro。EmMicro有兩部分：EmTag對應(yīng)于HTML標(biāo)記；EmNet對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。輕型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持在本端構(gòu)筑小型網(wǎng)絡(luò)，如單片機(jī)常用的RS232、RS485網(wǎng)等。如果不接入Internet網(wǎng)，它們便是孤立的網(wǎng)，要和Internet進(jìn)行連接，則須增加網(wǎng)關(guān) EmGateWay［3］。
　　·EmNet是使嵌入式系統(tǒng)和輕量級網(wǎng)絡(luò)(如RS485、IR、RF等)進(jìn)行連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。同時，EmNet使得集成EmNet的嵌入式系統(tǒng)能夠和嵌入式微控制器網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有效的通訊。
　　·EmGateWay 是輕型設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和大型高性能網(wǎng)絡(luò)如Intranet和Internet等之間連接的橋梁。它是一個功能強(qiáng)大的客戶機(jī)，用于管理多個嵌入式系統(tǒng)以及支持網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。EmGateWay的Internet端還留有與另一端Web設(shè)備可對話的接口，可在用戶的應(yīng)用程序中使用，接口的典型方法還是Web網(wǎng)頁。

1.2.2webchip芯片的應(yīng)用

以武漢力源推出的webchip PS2000芯片為例，webchip是一種獨(dú)立于各種微控制器的通用產(chǎn)品，開發(fā)者不需要了解復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及更改原來成熟的設(shè)計(jì)，只須增加1小段 webchip通信接口程序即可。PS2000［4～6］主要由核心控制單元、UART、嵌入式Modem接口、標(biāo)準(zhǔn)Modem接口、RS485收發(fā)控制單元、SPI串行接口等組成。片內(nèi)駐留有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析與編譯程序，其內(nèi)部固化了MCU Net協(xié)議，該協(xié)議能讓MCU設(shè)備與計(jì)算機(jī)平臺上的Gateway建立聯(lián)系，與PC機(jī)通信時，可與PC機(jī)瀏覽器直接接口，因此通過PS2000上網(wǎng)十分方便。圖3是51單片機(jī)與PS2000連接時對應(yīng)的接線原理圖。

如圖4，Intranet內(nèi)的PC機(jī)或設(shè)備通過單片機(jī)和PS2000網(wǎng)絡(luò)芯片的標(biāo)準(zhǔn)SPI串口與Gateway網(wǎng)關(guān)連接，一方面Gateway支持復(fù)雜的Internet TCP／IP協(xié)議并能提供HTTP服務(wù)，允許客戶通過現(xiàn)在普遍使用的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器來遠(yuǎn)程訪問它，其作用類似服務(wù)器；另一方面Gateway通過RS232、 RS485、CAN總線以及Modem、RF、IrDA等方式，將多個嵌入式設(shè)備或智能家電連接在一起，并擔(dān)當(dāng)TCP／IP和其他協(xié)議的轉(zhuǎn)換任務(wù)，其作用又類似Internet上的網(wǎng)關(guān)。

1.3單片機(jī)通過Internet嵌入式微處理器(MCU)芯片直接連入I nternet網(wǎng)

這種方式的單片機(jī)一般都采用新型的Internet嵌入式微處理器，所需外圍配置電路很少。如：Philips公司推出的XA－G49是具有多任務(wù)性能的16位擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的微處理器，它支持ISP、IPA編程，可以通過Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程固件升級和系統(tǒng)重構(gòu)。類似的芯片還有CS8900A、 Rabbit3000、DS80系列、MPC860系列、BUICOM公司的SX系列以及IP2022等都是這種新型的Internet嵌入式微處理器。以UBICOM公司的IP2022網(wǎng)絡(luò)微處理器為例，IP2022是一種高速的嵌入式微處理器［3］，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時多任務(wù)操作，非常適合于工業(yè)過程控制。它不依賴PC機(jī)能直接連入Internet網(wǎng)，并能實(shí)現(xiàn)軟件模式形式的外設(shè)、通信和控制功能，這種形式比傳統(tǒng)硬件提供了更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性。同時，用戶可使用預(yù)創(chuàng)建軟件模塊和配置工具來對其進(jìn)行編程和重編程，從而可為各種設(shè)備間和人機(jī)間的通信創(chuàng)建真正的單片式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案。