嵌入式微控制器Internet技術的設計方案介紹

單片機或微控制器（MCU ）已經在家庭和工業(yè)的各個領域得到了應用，通稱嵌入式系統(tǒng)，因為計算機芯片 是嵌入在有關的設備中的，沒有自己獨立的外殼。 目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨應用的階段，以MCU為 核心，與一些監(jiān)測、伺服、指示設備配合實現(xiàn)一定的功能。在一些工業(yè)和汽車應用中，為了實現(xiàn)多個MCU之間的信息交流，利用CAN、RS-232、RS-485等總線將MCU組網(wǎng)，但這種網(wǎng)絡的有效半徑比較有限，有關的通 信協(xié)議也比較少，并且一般是孤立于Internet以外的。Internet現(xiàn)已成為社會重要的基礎信息設施之一，是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方。

將嵌入式系統(tǒng)與Internet結合起來的想法其實很早以前就有了，主要的困難在于Internet 上面的各 種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而嵌入 式系統(tǒng)中除部分32位處理器以外，大量存在的是8位和16位MCU,支持TCP/IP等Internet 協(xié)議將占用大量系統(tǒng)資源，或根本不可能。本文將以嵌入式微控制器Internet技術（EMIT） 及其在中國的技術開發(fā)中心BOL/TASKING 公司的解決方案為基礎，描述如何實現(xiàn)嵌入式 設備的Internet網(wǎng)絡化。

1 PSM2000ACD網(wǎng)絡模塊

PSM2000ACD是由力源公司開發(fā)的網(wǎng)絡接口模塊，可以實現(xiàn)MCU系統(tǒng)與基于PC平臺的網(wǎng)關（Gateway）接口。這個模塊電路內部包含網(wǎng)絡通信（Gateway）接口。這個模塊電路內部包含網(wǎng)絡式調制解調器模塊，及1個外接標準調制解調器接口，如圖1所示。其中PS2000是Webchip接口電路，它與MCU系統(tǒng)交換信息通過17條指令完成，與MCU系統(tǒng)的軟件接口比較方便；同時，它的內部駐留網(wǎng)絡協(xié)議解釋和編譯程序，與基于PC機網(wǎng)關通信時負責對于網(wǎng)絡協(xié)議進行必要的規(guī)范和解釋，而PC機網(wǎng)關能夠提供HTTP服務，可以與計算機瀏覽器接口。PS2000這種Webchip接口電路的結構和原理已有詳細介紹，見參考文獻[4],這里不再重復。

PSM2000ACD主要用于智能設備的網(wǎng)絡接口，一方面用1個標準串行外圍接口與用戶單片機應用系統(tǒng)連接；另一方面與PC平臺連接有多種選擇，即可用RS-232、RS-485接口，或者采用調制解調器。MCU應用系統(tǒng)通過PSM2000ACD模塊連接上網(wǎng)十分方便。圖2為其典型連接方法。其中DS2401集成電路為專用電子標簽接口，作為設備的唯一標識。MCU應用系統(tǒng)與PSM2000ACD的連接，既可以滿足點-點通信或者點-多點通信的要求，也能實現(xiàn)遠/近程通信的要求，結構比較簡單，另外，由于它的內部駐留網(wǎng)絡協(xié)議解釋和編譯程序，系統(tǒng)設計人員不必熟悉網(wǎng)絡協(xié)議，將這個模塊作為一個"灰匣子"處理即可，使得開發(fā)和應用工作周期縮短，成本也比較低。

使用Webchip進行網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的步驟是：

（1）建立MCU系統(tǒng)中需要控制的對象，并確定其中需要通過Internet進行遠程控制的對象；

（2）建立MCU系統(tǒng)變量表（VAR-TABLE）；

（3）建立MCU系統(tǒng)狀態(tài)性能表（CAP-TABLE）；

（4）MCU解釋并執(zhí)行Webchip傳送來的命令。

當建立了系統(tǒng)變量表（VAR-TABLE）和系統(tǒng)狀態(tài)性能表（CAP-TABLE）后，通過Webchip的連接，在網(wǎng)關（Gateway）和MCU系統(tǒng)之間建立起面向對象的控制，即Gateway與MCU的通信是通過變量表和狀態(tài)性能表進行的。MCU是通過Webchip與Gateway建立聯(lián)系，實現(xiàn)MCU與Internet的連接。一旦建立起連接后通過Internet進行遠程監(jiān)測或控制都成為可能。在這種連接中，必須遵守一種"主-從"關系，保證它們之間可靠的工作，即按照下述原則：

（1）高級別的設備可以主動向低級別的設備發(fā)送命令、數(shù)據(jù)和請求，拒絕低級別的設備一切主運信號。

（2）低級別的設備只能被動接受高級別的設備發(fā)送命令、數(shù)據(jù)和回答請求，不能主動向高級別的設備發(fā)送信號。

由前面介紹中可以看到，這種形式是將多個MCU通過PSM2000ACD模塊與1臺PC Gateway相連后再與Internet連接，需要利用PC機網(wǎng)關提供的HTTP服務，不能直接將MCU與Internet連接。這是這種形式的一個弊端。

2 IP2022網(wǎng)絡連通處理器

IP2022是美國UBICOM推出的一顆功能強大的網(wǎng)絡通信處理器，處理器速度可達120~160MIPS,片上有64K Flash、16K SRAM（program）、4K SRAM（data）、10位ADC.它采用軟件模塊的方式在芯片上實現(xiàn)多種通信接口，是業(yè)界領先的單芯片網(wǎng)絡通信處理器，可以實現(xiàn)802.11b、802.11g、802.11a、Bluetooth、HomePlug、Ethernet、 USB、 MII、 I2C、 SPI、GPSI、 UART等協(xié)議，適用于無線通信和embedded Internet的應用。IP2022內含全雙工硬件串/并（SerDes）模塊，能直接與各種常用網(wǎng)絡接口連接?？蓪崿F(xiàn)片內10Base-T 以太網(wǎng)（ MAC 和PHY）USB,以及其他各種快速串行協(xié)議。由于其內含兩個SerDes部件，能方便地從一種格式轉換為另一種格式，所以也能作協(xié)議轉換器。IP2022的工作頻率為100MHz,大多數(shù)指令均為單周期執(zhí)行，其吞吐量能滿足各種新型網(wǎng)絡連通應用的要求。IP2022以軟件模塊（ipModules） 形式實現(xiàn)外設通信和控制功能，比傳統(tǒng)硬件具有更大的系統(tǒng)設計靈活性，還提供了傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議、網(wǎng)絡協(xié)議棧，并具有一系列完整的端到端連通方案所必須的附加軟件。

圖3為IP2022組成框圖。根據(jù)圖3的內部結構說明如下：

（1）CPU特性

IP2022是基于RISC結構的，指令速率可達到100MIPS,大多數(shù)指令為單周期指令，因此它能夠執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅動普通I/O口實現(xiàn)硬件外設功能，如UART、I2C、SPI、FSK等。它的內部有16級硬件椎棧，提供高性能的子程序連接。

（2）片內存儲器情況

IP2022的內部有64KB（32K×16）的Flash程序存儲器，還有16KB（8K×16）的（程序/數(shù)據(jù)）RAM.由于程序存儲器為閃速Flash存儲器，所以這還具有自我編程的能力，即自身讀、寫和擦除指令。存儲器內軟件實現(xiàn)的協(xié)議處理可以在不改變硬件的情況下，通過改變內置程序使整個系統(tǒng)能升級。

（3）其他硬件資源

包含8/16位并行接口、8個通道的10位A/D、PLL時鐘乘法器、定時器等等。

此外介紹Ubicom有關軟件的情況。Ubicom的軟件開發(fā)環(huán)境包括編輯器、匯編程序、調試程序、仿真器和編程工具?，F(xiàn)在的ipModules庫（預創(chuàng)建軟件模塊）有：

ipOS-操作系統(tǒng)；

ipStack-TCP/IP椎棧；

ipWeb-Web Server;

ipFile-文件系統(tǒng)；

ipIO-MII,I2C,SPI,UART.

由于IP2022屬于速度比較高的一類單片機，可以實現(xiàn)多任務的操作，即MCU在完成數(shù)據(jù)采集或控制的同時把數(shù)據(jù)打包發(fā)送到Internet,這是它的顯著優(yōu)點。此外，這個系統(tǒng)所需要的外圍器件少，系統(tǒng)成本不高，加上片內還包含存儲器、A/D、串行I/O口等硬件資源供用戶使用，這些配置可以應用到很多場合中。由于這個系統(tǒng)還能提供用于Internet處理的軟件模塊，開發(fā)周期也可以大大縮短。

（4）IP2022應用情況

目前，IP2022通信系統(tǒng)產品還是采用評估套件的形式提供給用戶使用。同時也有相應軟件模塊提供給用戶使用，這些軟件模塊主要存儲在內速存儲器，它可以進行加載和調整，使用的靈活性比較好。由于應用在不同的場合，產品有兩種基本形式：一種是以太網(wǎng)協(xié)議堆棧評估套件，另一種是Internet協(xié)議堆棧評估套件。

基于以太網(wǎng)協(xié)議的堆棧套件是按照通信控制器要求配置的。它支持包括TCP、UDP、IP、ICMP、DHCP、ARP、HTTP和STMP在內的協(xié)議，主要是供給有一定應用經驗的用戶接入以太網(wǎng)。這種套件包括完整的網(wǎng)絡服務器（web server）和電子郵件（email）應用，使之能夠實現(xiàn)HTTP（超文本傳送協(xié)議）和SMTP（簡單郵政協(xié)議）應用協(xié)議。ARP協(xié)議（地址確定協(xié)議）和DHCP協(xié)議（動態(tài)主機控制協(xié)議）則是用于處理地址以適應特定的以太網(wǎng)環(huán)境的。這種通信控制器具有系統(tǒng)自身修改程序的能力，當能這還需要另外購置專用的設計工具進行加載和程序重調。

另一種是適應Internet協(xié)議的堆棧評估套件。它也是按照通信控制器要求配置的標準Internet協(xié)議層組合物，支持包括PPP、TCP/IP、HTTP、STMP和POP3在內的Internet協(xié)議，供給有一定應用經驗的用戶接入Internet.套件也包括了網(wǎng)絡服務器和電子郵件應用這種具體應用形式，前者是實現(xiàn)超文本傳送協(xié)議（HTTP）和實現(xiàn)與網(wǎng)絡瀏覽器通信；后者提供在應用層的SMTP和POP3協(xié)議的電子郵件應用。這兩種具體應用形式可以在不改變電路結構的情況下進行軟件重新裝配。

在實際的（Internet協(xié)議堆棧）應用板上包括以下的基本部件：

通信控制器-P2022;

擴展存儲器-用于存儲網(wǎng)頁內容的存儲器；

2個DB-的串行連接器，1個接MODEM、1個作為調試接口；

另外還有時鐘電路、LED顯示器、復位按鈕和直流電源插頭。

在應用板上裝有相應的Internet協(xié)議，它通過DB-9串行連接器接一個MODEM就可以與遠程的PC通信。一旦建立了撥號上網(wǎng)連接之后，在遠程的PC瀏覽器就能夠觀察到應用板上存儲器內保存的網(wǎng)頁內容。

3 其他同類型器件模塊

除上述電話外，目前也出現(xiàn)了一部分比較新的電路和軟件，限于篇幅只能簡要介紹它們的主要特性。

（1）EM2000系列以太網(wǎng)模型路由器

由單片機實現(xiàn)的微型路由器，支持RS-232、RS-485、CAN Bus設備和以太網(wǎng)的連接并實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議到用戶網(wǎng)絡協(xié)議的轉換?？梢允褂脩衄F(xiàn)有的設備非常容易連接到以太網(wǎng)，從而縮短用戶的產品開發(fā)時間；可以快速將用戶原有的設備連入到因特網(wǎng)（見參考文獻[5]）。

（2）Nport Express

具備1個RS-232/422/485三合一串口和1個10/100Mbps的TCP/IP網(wǎng)絡連接，可讓串口設備立即連接網(wǎng)絡。Express體積只有香煙盒大小，模塊只有信用卡大小，容易集成在系統(tǒng)或設備內。它還提供完整的Windows2000/NT/95/98/ME、Linux、UNIX的程序和TCP/IP Socket工具，使系統(tǒng)開發(fā)者無須更改現(xiàn)有的應用軟件或程序，即可如同使用COM口一樣，透過網(wǎng)絡直接控管RS-232/422/485設備，保障現(xiàn)有的軟件投資。此外，串口通信應用開發(fā)工具軟件及函數(shù)庫和完整的監(jiān)控程序，使串口通信應用程序的開發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控更為簡單（見參考文獻[6]）。

（3）RABBIT2000微處理器、TCP/IP開發(fā)工具包

提供1個帶有8位高性能微處理器的工具平臺和動態(tài)C語言軟件開發(fā)包。該工具是開發(fā)加強型10 M-BASE以太網(wǎng)應用中必不可少的。RABBIT2000微處理器可以進行直接軟件開發(fā)，用戶程序由動態(tài)C語言創(chuàng)建，軟件開發(fā)環(huán)境包括編輯程序、編譯程序和調試程序。程序的編譯和執(zhí)行可通過動態(tài)C語言和編程電纜來實現(xiàn)，而無需電路仿真程序。使用RABBIT2000微處理器工具包內的開發(fā)板，可以直接評估開發(fā)TCP/IP應用，執(zhí)行碼可下載到內存或SRAM中。該工具包還提供TCP/IP協(xié)議的全部源代碼（見參數(shù)文獻[7]）。

嵌入式Internet與MCU技術密切相關，需要多方面的協(xié)作，因此包括Siemens/Infineon Philips和Motorola在內的數(shù)十個公司聯(lián)合成立了"嵌入式Internet聯(lián)盟（ETI）",共同 推動這一市場?？梢灶A言，嵌入式設備與Internet的結合代表著嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術 的真正未來。