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MCS-51单片机实现与Internet交互的设计

出处:电子发烧友 发布于:2019-04-23 14:29:18 | 224 次阅读

  实现MCS-51单片机嵌入式接入Internet 技术。单片机通过ATL8019AS 以太网控制器实现与Internet 的交互。利用开源代码的TCP/IP 协议栈uIP 实现对底层设备的驱动,同时通过uIP 协议的应用程序接口实现各种应用服务。给出了硬件设计图,编写了单片机主程序。应用此技术实现了一个城市中心停车监测系统。
  近年来以单片机(MICroComputerUnit,MCU)为代表的嵌入式系统在工业探测系统、智能仪器、安防系统、智能家电和信息家电领域得到了广泛应用。
  如果嵌入式系统能够连接到Internet 上,则用户可以方便、快捷、低廉地通过网络进行远程控制、监测和信息传送。Internet 技术和嵌入式技术的相互融合,不仅为嵌入式系统的设计和开发带来了前所未有的发展空间和机遇,也使得 Internet 应用进入了嵌入式Internet 时代。据专家预测,未来在 Internet 上的新增业务和应用中,将有 45%的增长来自于小型嵌入式系统。因此,嵌入式系统的 Internet 接入技术,将会有极其广阔的应用前景。如何利用单片机接入Internet 网络成为未来最热门的技术之一。
  1 单片机嵌入式Internet接入技术
  Internet 网络通信中,TCP/IP 协议簇非常庞大,需要占用大量的系统资源。单片机的缺点是资源有限,无法容纳下Internet 的TCP/IP 协议簇。因此单片机实现嵌入式接入Internet 技术的关键是如何在单片机等嵌入式设备的有限资源上实现Internet 的网络通信协议栈。其难点在于:如何利用单片机自身有限的资源对信息进行TCP/IP 协议处理,使之变成可以在Internet 上传输的IP 数据包。目前许多研究机构都在积极探讨利用MCU 实现接入Internet 技术,出现了多种单片机嵌入式Internet 技术方案,这些技术实现方案可以归为以下几类。
  (1) 使用专用的嵌入式芯片。专用嵌入式芯片是一种内置了通信和控制功能的单片机,可以实现实时多任务操作。比传统的单片机硬件提供更强的系统设计灵活性。这样的芯片有Ubicom 公司的IP2022芯片,MOXA 公司的Nport Express 芯片等。这类芯片功能强,能够实现多种网络协议,一般提供有相应的TCP/IP 网络协议栈。但是这种芯片价格偏高,用户需要支付软硬件费用,不易于实现市场的广泛应用。
  (2) 嵌入式系统组成专用网通过PC 网关接入Internet.小型嵌入式系统通过总线技术组成专用网络,采用一个PC 机作为网关,该 PC 将专用网发送来的信息通过专用软件转换为TCP/IP 协议数据包,然后发到 Internet 上以实现远程通信。该方案是早期采用得较多的技术。但是这种方案的缺点是要使用一台专用的PC 机,显然它只适用于某些工业数据采集系统,不易于向信息家电和网络化智能仪器仪表等领域推广。
  (3) 使用普通单片机和网络控制芯片。这种方法实现起来比较简单,而且可根据实际需要进行功能扩展,但是需要在单片机上实现嵌入式TCP/IP 网络协议,软件编程的工作量比较大。由于采用普通单片机,所以其优点是成本低,单片机体积小,易于以极高的性价比向诸多需要实现嵌入式接入Internet 的场合推广。本文设计的系统就是采用这种技术方案,下面将重点分析其硬件和软件设计。
  2 单片机与网卡的接口电路
  2.1 系统总体设计
  

  图1 系统总体设计。
  系统选用最常用的MCS 8051 系列单片机,此类型单片机价格低廉且应用广泛。网卡选用台湾ReaLTEk公司生产的ATL8019AS 以太网控制器芯片。由于Internet 网络协议的程序代码量较大,所以系统除了单片机和网卡外,还增加了一些外围电路。包括用作数据缓存的RAM存储器和RS232 接口,前者用作数据缓存器,后者作为单片机与现场设备进行数据交互的接口。系统总体功能设计如图1 所示。
  在上述系统设计中,单片机主要完成Internet数据的解包和串口RS232 数据的封包。远程PC 机传输来数据包经过Internet 物理媒介到达以太网控制芯片 RTL8019AS 内,RTL8019AS 执行地址解析协议,然后交给 C8051 单片机,单片机执行TCP/IP 协议模块,去掉 TCP/IP 报头后将数据通过RS232 串行口交给数据采集系统的现场设备。反之,如果是现场设备发送数据到单片机,那么单片机将数据按照TCP/IP 协议格式封包后送入RTL8019AS,由网卡芯片传输到Internet 中。通过上述方式,单片机完成与Internet 的交互,从而实现数据采集系统的互联网远程控制。
  2.2 标单片机与网卡的接口电路
  单片机是本系统的核心,因此单片机与网卡的接口电路非常关键。本系统选用8051 系列单片机,是因为8051 单片机是最常用的单片机,其价格低廉且应用广泛,在工业设备应用中易于降低系统成本。同时8051 编写程序简练,程序调试方便。8051 单片机与以太网控制器芯片的连接电路如图2 所示。
  

  图2 单片机与以太网控制芯片连接图。
  8051 单片机P0 口的8 位数据总线D0-D7、P2口的5 根地址线A8-A12、读信号线RD、写信号线WR、2 个定时器控制端T0、T1 分别与Realtek8019AS 的各信号线对应连接。
  Realtek8019AS 芯片工作在8 位总线方式。8051 单片机驱动网络控制芯片RTL8019AS,经网络隔离滤波器HR901170A 后实现Internet 接入。
  3 TCP/IP协议栈在单片机上的实现
  3.1 嵌入式TCP/IP 协议栈
  TCP/IP 协议是Internet 的核心协议。单片机实现嵌入式接入 Internet 必须要在单片机上实现TCP/IP 协议。由于TCP/IP 协议簇异常庞大,而单片机片内资源有限,所以要在单片机上完整实现TCP/IP协议是不可能的。目前许多公司根据不同的嵌入式设备开发了面向商用的嵌入式TCP/IP 协议栈,这些协议栈缺点是面向特定公司生产的芯片,且需支付昂贵的软件使用费。如果采用这类协议栈则使得设计的单片机嵌入式Internet 系统不具有性价比上的优势。经过对比,最后在本系统中选用开放源代码的TCP/IP协议栈uIP0.9 作为设计核心。uIP0.9 是一个适用于8/16 位单片机上的小型嵌入式TCP/IP 协议栈,感兴趣的用户可以免费在网络上下载其源代码并对其进行修改,以适应不同的应用需要。uIP0.9 协议栈采用模块化设计,保留网络通信所必要的协议机制,大大减少了协议代码量(代码量在几千字节左右),只需要几百字节的内存就可以顺利运行,降低了协议对系统资源的要求。uIP0.9 完全适应当前的单片机嵌入式系统。
  3.2 uIP 的体系结构
  uIP 协议根据嵌入式系统的需要,去掉了TCP/IP协议中许多不常用的功能,保留网络通信中所需要的ARP(可选)、IP、ICMP、TCP、UDP(可选)等最核心的部分。协议全部用C语言编写,其代码占用量极少,对RAM 资源要求也极低。例如IP/ICMP/TCP 核心模块代码大小为3304 字节,使用的RAM 只需要360字节。其应用层接口和设备驱动层接口非常简单。
  uIP 协议将设计重点放在IP、ICMP 和TCP 协议的实现上,而将UDP 和ARP 协议实现作为可选模块。uIP协议的体系结构如图3 所示。
  

  图3 uIP 协议栈结构图。
  3.3 uIP 的底层设备驱动接口和应用程序接口
  uIP 是一个仅包含三层网络层核心协议的协议栈,uIP 自身不包含任何类型的底层网络驱动和上层应用程序,它只提供接口函数供用户开发使用。因此为了完成与网络设备的交互,用户必须根据网络设备的类型,在uIP 中自行实现对底层网络设备的驱动。对本例来说,网络设备是RTL8019AS 网卡,因此需要在uIP 中实现对RTL8019AS 网卡的驱动。如果用户需要在Internet 上通过http 协议浏览和获取现场数据,还必须在uIP 上实现基于HTTP 协议的WEB 应用服务。
  RTL8019AS 网卡驱动首先是对网卡芯片的上电初始化,通过函数init_8019as()进行,用于设定网卡物理地址,设定收发缓冲区位置和大小等。其次是发送数据函数eth_send()和接收数据函数eth_rcve()。
  而uIP 协议栈则通过内核中的uip_input()函数实现对底层网络设备的驱动,该函数是uIP 协议的底层设备入口。它包含两个全局变量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的数据包,后者表示接收发送缓冲区里的数据长度。uip_input()函数处理从网络设备驱动发送来的IP 包。处理结束后返回变量uip_len,如果uip_len 是0,则没有数据要发送。不为0 则调用网络设备驱动程序eth_send()函数来将uip_buf 里的uip_len 长度的数据发送到以太网上。eth_rcve()函数将接收到的数据存储到缓存uip_buf 指定的缓冲区中,系统调用uip_input()函数,并在需要时调用应用程序。
  uip_perioDIC()可以理解为是一个周期时钟函数,通常每一秒执行一次,单片机用它周期性地轮询各连接。因为uIP 协议要处理许多定时事件,例如包重发、ARP 表项更新。当周期计时激发,每一个TCP 连接调用uip_periodIC(),其TCP 连接编号作为参数传递给uip_periodic()函数。uip_periodic()函数检查参数指定的连接的状态。当uip_periodic()函数返回后,会检查uip_len 的值,若不为0 则将uip_buf 缓冲区中的数据包发送到网络上。
  uIP 协议的应用程序接口用于实现web 之类的应用服务。uIP 定义了一个宏UIP_APPCALL()作为该接口,供用户使用。当用户要编程实现某应用服务时,只需要将宏UIP_APPCALL()定义成实际的应用程序函数名

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