基于IPV6 的嵌入式数据采集系统设计

出处：lhlsw 发布于：2010-01-11 14:34:45

　　摘要：本文以工业生产中的“网络化数据采集系统”这一实际应用为讨论研究对象,借此来说明基于IPv6协议的嵌入式Internet系统的硬件与软件设计。在本设计中,系统研制过程中设计的技术主要有:1.系统的硬件方面使用了价格低廉的8位MCU+以太网控制芯片的方式,通过以太网控制芯片来完成Internet上数据的收发;2.在软件方面采用了IPV6协议,IPV6协议是新一代互联网的标准,它保留了目前广泛使用的IPV4协议的主要设计思想,同时又针对现代互联网应用技术的需求,对其进行的修改、扩充和完善。

　　引言

　　目前，世界各地广泛在使用的还是 IPv4 网络，IPv6 网络还只是停留在一些地方局部的试用;同时IPv6 强大的网络功能，对嵌入式系统、智能芯片等软硬件的要求也相对较高。所以基于IPv6 协议的嵌入式Internet 系统的研究与应用并没有为大多数人所关注。但是，随着的IPv4 协议渐渐被IPv6 协议所取代;随着嵌入式Internet 系统的不断自我完善;随着微控制芯片的迅猛发展。基于IPv6 协议的嵌入式Internet 系统将会成为互联网时代的新的发展和研究方向。

　　1．嵌入式 Internet 系统

　　嵌入式微处理器作为一种智能器件已经给工业领域带来了巨大变化，随着控制、智能化程度等要求的提高，嵌入式微处理器完成任务也越来越多，其软件实现的功能也越来越复杂，单一任务的软件结构也随之变为多任务的。所谓嵌入式Internet 系统，就是普通的嵌入式系统具备了Internet 互联功能，它能够方便地连接到Internet 上，实现信息在互联网上的传递。早在1999 年6 月，中国计算机学会(China Computer Federation)举行的“嵌入式系统及产业化在中国的发展前景”研讨会中，们曾探讨了嵌入式系统在当今计算机工业中的地位及其网络化问题，并一致认为Internet 正由传统的PC 为中心的应用转向以嵌入式设备为中心的应用。同时网络也预测，将来Internet 上传输的信息将有70%来自于小型嵌入式系统。

　　今天，越来越多的消费型产品具有了Internet 特性。我们身边己经有了可以自动拨号进入Internet 获取音像资料的DVD 播放机、有了可以查看股票信息的网络冰箱、还有GPS(定位系统)等各种各样的嵌入式Internet 系统。

　　2．系统的硬件设计

　　网络化数据采集系统，是利用嵌入式Internet 系统的透明接入技术来实现数据采集的网络化，它是由单片机系统、LED 显示控制器、A/D 和D/A 转换器、以太网络控制器等几部分组成，其硬件结构框图如图1 所示。

　　2.1 主控制器的扩展

　　系统的设计中，主控制器采用了 ATMEL 公司生产的AT89C55 微处理器。设计中把P0口用作数据16 位地址的低位地址复用口，P2 口用作16 位地址的高位地址，P1 口的P1. 0

　　用作以太网控制芯片RTL8019AS 的复位信号输入端，P1. 1, P1. 2 分别模拟IZC 总线用作EEPROM 数据存储器的时钟信号和数据输入输出线。引脚12(INTO)用来对以太网控制器RTL8019AS 的中断请求作响应。

　　74LS373 用作P0 口分时复用的16 位低位地址锁存器。外部数据存储器62256 内含32K的8 位存储单元，其片选引脚CS (20)接单片机的A15。62256 内部存储器寻址通过单片机的低15 位地址线AO^}A14。所以外部数据存储器62256 的单片机寻址范围为0000~7FFF。

　　AT89C55 没有I2C 总线接口，所以只能用单片机虚拟I2C 总线方式工作，由于总线上只有一个单片机作为主节点，因此系统设计为单主方式下的虚拟I2C 总线。在这种方式下，虚拟I2C 总线只有主发送和主接收两种操作， AT24C02 的写读程序如下：

　　① 写 AT24C02 子程序AT24C02_ W

　　NUMBYT:被传送字节数N 的存放单元、NUM:被传送字节数N, SUBADR:AT24C02 中要存放的数据首地址、VSDA:虚拟总线的数据线、VSCL:虚拟总线的时钟线、SLAW:写寻址

　　字节、MTD:发送数据缓冲区首地址。

　　AT24C02_W: NUMBYT. #NUM ;将被传送的字节数N 写入NUMBYT 中MOV SLA. #SLAW ;写地址送到SLA 中LCALL WRNBYT ;调用N 字节的写入子程序RET

　　② 读 AT24C02 子程序AT24C02_ R。

　　AT24C02 的指点地址的读和它的写有些不同，指点地址的读是要求在指定的字地址读出一个字节数据的操作，由于是要在指定的资地址，所以要先写一个字地址，然后重复起始状态，读入一个数据字节。

　　AT24C02 R:MOV MTD. SUBADR :将数据首地址送到发送数据缓冲区

　　MOV SLA. #SLAW :将写地址送到SLA 中

　　MOV NUMBYT，#1

　　LCALL WRNBYT ；调用N 字节的写入程序

　　MOV SLA，#SLAR ；将读地址送到SLA 中

　　MOV NUMBYT， #NUM ；从AT24C02 中读出子程序

　　RET

　　2.2 SAA1064 LED 驱动控制器

　　SAA1064 是PHILIPS 公司生产的I2C 总线接口的LED 驱动控制器件，它为双极型集成电路，有2X8 位输出驱动接口，可静态驱动2 位8 段LED 显示器或动态4 位8 段LED 显示器。AT89C55 的P1 口的P1. 1 和P1. 2 引脚模拟I2C 总线与SAA1064 的SCL 和SDA 连接，P1~P8, P9~P16 分别各自连接两个数码管的abcdefgh 端，CEXT 外接2. 7nF 电容，模拟引脚地址端ADR 引脚接地，器件可读地址为SLAR=71H，可写地址为SLAW=70H。

　　SAA1064 除了具有LED 驱动控制的写操作外，还有可以反映系统上电标志的读操作，但是，由于在本论文中只需用到SAA1064 的显示驱动控制功能，所以这里只讨论其写入操作。SAA1064 的写入数据操作格式为：

　　SLAW +SUBADR +COM +data 1+data2+data3+data4

　　其中SUBADR 为SAA1064 片内地址单元首地址，COM 为SAA1064 的控制命令，datal~data4 为动态显示方式的4 个LED 的共阴极段选码。

　　2.3 系统A/D 和D/A 转换

　　PCF8591 是PHILIPS 公司生产的具有I2c 总线接口的8 位A/D 和D/A 转换器。器件由单一的电源供电，COMS 工艺;有4 路A/D 转换模拟输入、1 路D/A 转换输出;A/D 转换为逐次比较型;输入输出部分有采样/保持电路;的转换速率与I2c 总线传输率有关;A/D 和D/A转换的基准电源由外部供给。PCF8591 也是采用典型的I2c 总线接口器件寻址方式。器件的地址为1001f 引脚地址为A2AlA0，方向位为R/W，因此它的器件地址及寻址字节为1001A2A1A0R/W。

　　AT89C55 的P1 口的P1. 1 和P1. 2 引脚模拟I2c 总线与PCF8591 的SCL 和SDA 连接，PCF8591 使用内部时钟电路，所以EXT 引脚接地，OSC 作为内部时钟输出端悬空，将A2, A1和AO 三个引脚接地，所以器件可读地址为SLAR=91H，可写地址为SLAW=90H。

　　PCF8951 的DAC 数据操作程序代码如下：

　　DAC 数据操作程序

　　PCF8951_ DAC: MOV MTD, #COM ;PCF8951 控制命令COM 入MTD

　　MOV R0, #MTD

　　INC RO

　　MOV @R0, A;D/A 转换数据入MTD + 1

　　MOV SLA, #SLAW;指向PCF8951 节点写地址

　　MOV NUMBYT, #2;写入两个字节COM 和A

　　LCALL WRNBYT

　　RET

　　2.4 以太网芯片的扩展

　　本系统网络芯片使用的是RTL8019AS芯片，RTL8019AS是台湾REALTEK公司生产ISA接口的通用以太网控制器。RTL8019AS 的硬件连接主要涉及三部分:部分是RTL8019AS工作模式及相关配置，其配置包括:RTL8019AS 的工作方式选择、总线方式、I/0 基址设置、中断线选择、传输介质选择、BROM(自举程序存储器)的容量和基址设置。第二部分是与MCU 的连接。第三部分是传输介质的连接，其电路图如图2 所示。

　　3．系统软件设计

　　网络化数据采集系统的软件部分设计，大体可分为三个部分:底层以太网数据的收发、TCP/IPv6 协议功能的实现，以及用户应用软件的实现。其中，在用户应用软件部分的设计中主要是采用的是汇编语言来描述的，它主要完成数据采集系统的采集参数设置、数据的采集、数据的保存，以及数据的显示等，系统软件部分三个模块之间的关系结构图如图3 所示。

　　在网络化数据采集系统的设计中，底层网络数据的收发采用的是以太网为物理媒介，在Internet 的通明传输中采用的是TCP/IPv6 为通信协议来搭建的。系统在测控的局域网中，通过使用一台路由器来实现与外部Internet 的连接。这样做，一来保证了内部测量仪器、传感器等电子设备的安全性，对外部的访问可以进行过滤，防止了来自因特网的恶意破坏;二来，在网络通讯中的许多繁杂的工作不需要在现场设备端实现，现场设备的TCP/IPv6 协议栈设计的工作量可大大降低。一般只要实现基本的IPv6, ICMPv6 和UDP 就可以工作了。

　　此外，数据采集系统与远方控制站之间的通讯采用了客户/服务器模型，即数据采集系统为服务器，控制站为客户机。客户机向服务器发送数据传送请求、采集系统的参数设置等;服务器根据客户机的请求提供一些特定的服务，比如返回数据、某端口状态等，网络数据采集流程如图4 所示。

　　4．总结

　　本文创新点：在 8 位嵌入式系统中实现IPv6 协议的网络互联。Internet 的IPv6 网络层协议目前还是一个比较新鲜的事物，并不为多数人所知，嵌入式系统在这几年的快速成长后，已成为时代的新宠，虽然它实现的方式和采用的方法各有千秋，但相对而言它已具备了比较完善的设计思想。论文将IPv6 协议引入到目前流行的嵌入式Internet 系统的研究热潮中，大胆使用性能优良但价格低廉的8 位MCU 作为网络协议实现的载体。