MCS-51單片機嵌入式Internet技術的工作原理簡述

　　實現(xiàn)MCS-51 單片機嵌入式接入Internet 技術。單片機通過ATL8019AS 以太網控制器實現(xiàn)與Internet 的交互。利用開源代碼的TCP/IP 協(xié)議棧uIP 實現(xiàn)對底層設備的驅動，同時通過uIP 協(xié)議的應用程序接口實現(xiàn)各種應用服務。給出了硬件設計圖，編寫了單片機主程序。應用此技術實現(xiàn)了一個城市中心停車監(jiān)測系統(tǒng)。

　　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、低廉地通過網絡進行遠程控制、監(jiān)測和信息傳送。Internet 技術和嵌入式技術的相互融合，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，將會有極其廣闊的應用前景。如何利用單片機接入Internet 網絡成為未來最熱門的技術之一。

　　1 單片機嵌入式Internet接入技術

　　Internet 網絡通信中，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 上傳輸的IP 數據包。目前許多研究機構都在積極探討利用MCU 實現(xiàn)接入Internet 技術，出現(xiàn)了多種單片機嵌入式Internet 技術方案，這些技術實現(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，能夠實現(xiàn)多種網絡協(xié)議，一般提供有相應的TCP/IP 網絡協(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)組成專用網通過PC 網關接入Internet.小型嵌入式系統(tǒng)通過總線技術組成專用網絡，采用一個PC 機作為網關，該 PC 將專用網發(fā)送來的信息通過專用軟件轉換為TCP/IP 協(xié)議數據包，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。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)數據采集系統(tǒng)，不易于向信息家電和網絡化智能儀器儀表等領域推廣。

　　(3) 使用普通單片機和網絡控制芯片。這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，而且可根據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)就是采用這種技術方案，下面將重點分析其硬件和軟件設計。

　　2 單片機與網卡的接口電路

　　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。網卡選用臺灣Realtek公司生產的ATL8019AS 以太網控制器芯片。由于Internet 網絡協(xié)議的程序代碼量較大，所以系統(tǒng)除了單片機和網卡外，還增加了一些外圍電路。包括用作數據緩存的RAM 存儲器和RS232 接口，前者用作數據緩存器，后者作為單片機與現(xiàn)場設備進行數據交互的接口。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數據的解包和串口RS232 數據的封包。遠程PC 機傳輸來數據包經過Internet 物理媒介到達以太網控制芯片 RTL8019AS 內，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 報頭后將數據通過RS232 串行口交給數據采集系統(tǒng)的現(xiàn)場設備。反之，如果是現(xiàn)場設備發(fā)送數據到單片機，那么單片機將數據按照TCP/IP 協(xié)議格式封包后送入RTL8019AS,由網卡芯片傳輸到Internet 中。通過上述方式，單片機完成與Internet 的交互，從而實現(xiàn)數據采集系統(tǒng)的互聯(lián)網遠程控制。

　　2.2 標單片機與網卡的接口電路

　　單片機是本系統(tǒng)的核心，因此單片機與網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，程序調試方便。8051 單片機與以太網控制器芯片的連接電路如圖2 所示。

　　圖2 單片機與以太網控制芯片連接圖。