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1.引言
在Internet的日益普及，信息共享程度的不斷提高的今天，人們的工作和生活方式已經(jīng)有了革命性的改變。家庭電器和工業(yè)設備中無處不在的充滿了單片機或微控制器（MCU）。但目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨應用的階段，而工業(yè)上也只是利用孤立于Internet以外的的控制通信網(wǎng)絡（如CAN，I2C，PROFIBUS等現(xiàn)場總線）實現(xiàn)MCU組網(wǎng)。如果能將嵌入式系統(tǒng)連接到應用廣泛的Internet上面，或者在現(xiàn)有網(wǎng)絡的基礎上利用Internet為介質，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，從而進行遠程監(jiān)控。因此，嵌入式Internet技術就應運而生，并成為業(yè)內(nèi)的一大熱點。
2嵌入式Internet技術原理及方案
嵌入式Internet技術，也就是將嵌入式系統(tǒng)與Internet結合起來實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡化，涉及的兩個關鍵問題即傳送信息的媒質和采用的協(xié)議。與Internet相聯(lián)接的途徑可以是以太網(wǎng)或者電話線等媒介。而在大多數(shù)工作場地都配有以太網(wǎng)，電子裝置通過集線器（HUB）可以隨時插接。在家庭中，也有電力線和電話線等載體可以利用。如果是與局域網(wǎng)連接，只需要為該裝置設置硬的或軟的IP地址就可。如果是利用電話線路，可以使用電話用戶的ID?，F(xiàn)在實現(xiàn)嵌入式電子裝置的訪問連通，幾乎不成問題。所以嵌入式Internet技術的關鍵問題在于如何在MCU中實現(xiàn)Internet上被廣泛使用的TCP/IP通信協(xié)議。但是TCP/IP通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，普通單片機無法達到其要求。根據(jù)各種MCU自身的特性，實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的方法可分以下幾種：
1）高檔MCU芯片
采用ARM內(nèi)核的系列處理器或者386EX等高檔MCU，其運算速度快，性能高，在芯片上可以運行實時操作系統(tǒng)（RTOS），同時也可以嵌入完整的TCP/IP協(xié)議。
2）32位MCU芯片
32位機也有足夠的資源和能力運行TCP/IP協(xié)議和一些嵌入式操作系統(tǒng)。所以原則上講，實現(xiàn)思路和高檔機一樣。
3）8/16位MCU芯片
由于8位和16位MCU的處理能力和存儲問題，要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議是比較困難的。因此要根據(jù)其特點，對TCP/IP協(xié)議進行簡化，保留其最基本的東西。同時，上層協(xié)議可不用或者簡單實現(xiàn)。即將原來的TCP/IP協(xié)議轉變成嵌入式TCP/IP協(xié)議，我們隨后會具體介紹。
由TCP/IP協(xié)議在MCU中的實現(xiàn)方法和嵌入式系統(tǒng)的要求，一般實現(xiàn)嵌入式Internet的方案有以下幾種：
1.把標準網(wǎng)絡協(xié)議（TCP/IP）一直擴展到嵌入式設備當中，由嵌入式系統(tǒng)自身實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，每個設備都可與Internet相連。這是解決問題的最佳方案及未來電器、設備的發(fā)展方向。例如Netscillon公司的ARM+NET系列芯片，將其嵌入到任何設備中既可實現(xiàn)上網(wǎng)。此方案對微處理器性能的要求較高。
2.通過專用的WEB服務器實現(xiàn)。在現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)中大量使用的是8位和16位MCU，并不要求每個設備都直接連到Internet上，用戶可以通過Internet接近設備，然后再用輕量級網(wǎng)絡擴展到多個設備上。如電力線、RS-485、RS-232、I2C等。專用WEB服務器可作為子網(wǎng)設備路由器來轉換和實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與外部網(wǎng)的通信。emWare公司專門為嵌入式微控制器設備設計的網(wǎng)絡服務器。
3.RS232/485，CAN，I2C
通過嵌入式網(wǎng)關（emGateway）聯(lián)接。嵌入式網(wǎng)關運行TCP/IP協(xié)議，與嵌入式設備輕量級網(wǎng)絡（如RS-232，RS-485，現(xiàn)場總線等）相連接，提供與Internet或局域網(wǎng)的協(xié)議轉換及路由功能。結構如圖一所示。
圖一8/16位MCU嵌入式網(wǎng)關結構圖
2.1嵌入式TCP/IP協(xié)議概述
傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議（TCP/IP）是構建Internet的標準協(xié)議，它最早是在PC機上實現(xiàn)的。由于嵌入式系統(tǒng)與PC機的差別很大，因此在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與PC機操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)有很大的不同。圖二顯示了嵌入式TCP/IP協(xié)議與TCP/IP協(xié)議各層詳細的內(nèi)容和協(xié)議和相對應的OSI模型關系。
圖二三種協(xié)議層的結構比較
如圖所示，TCP/IP通常采用一種簡化的四層模型，分別為：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、網(wǎng)絡接口層。在嵌入式TCP/IP中，前三層協(xié)議是由嵌入式處理器實現(xiàn)的。接口層是由網(wǎng)絡控制芯片實現(xiàn)的。
由于嵌入式系統(tǒng)沒有一個多任務的操作系統(tǒng)，而且又是直接面對硬件，所以嵌入式TCP/IP協(xié)議在應用層上要求簡單。同時，不同嵌入式系統(tǒng)對嵌入式Internet所采用的應用層協(xié)議要求不同，而且應用層的協(xié)議還要和鏈路層實現(xiàn)的協(xié)議相對應。因此，系統(tǒng)要根據(jù)自己的需要和鏈路層協(xié)議的實現(xiàn)來選擇和簡化應用層的協(xié)議。
傳輸層主要為兩臺主機上的應用程序提供端到端的通信。傳輸層有兩種不同的傳輸協(xié)議：面向連接的TCP（傳輸控制協(xié)議）和無連接的UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。TCP是面向接入即傳輸前必須先通過“三重握手”在主機間建立TCP接入，它所傳數(shù)據(jù)流采用了順序號和應答措施，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失、段的失序和對傳輸錯誤的排除，所以TCP協(xié)議提供的是數(shù)據(jù)流的可靠傳輸。但相對于UDP，它的可靠性是以復雜性為代價的，需要復雜龐大的程序來實現(xiàn)。UDP提供的是無連接的不可靠的服務，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失，重復和連接失敗等錯誤。但是正因沒有接入機制，它可以實現(xiàn)高速發(fā)送，充分發(fā)揮物理傳輸設備的速度。UDP適合用在通信介質十分可靠的情況，例如以太網(wǎng)等。
網(wǎng)絡層處理分組在網(wǎng)絡中的活動。其協(xié)議包括IP協(xié)議（網(wǎng)際協(xié)議）、ARP協(xié)議（地址解析協(xié)議）、ICMP協(xié)議（Internet互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議）以及IGMP協(xié)議（Internet組管理協(xié)議）。IP協(xié)議是TCP/IP族的核心協(xié)議，它使異構網(wǎng)絡之間的通信成為可能。因此如果嵌入式Internet，需要跨越不同的網(wǎng)絡進行通信就必須要實現(xiàn)IP協(xié)議。ARP協(xié)議實現(xiàn)將邏輯IP地址映射為物理地址。ICMP協(xié)議主要用來傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息。我們通常使用的應用程序PING就是采用ICMP協(xié)議來測試網(wǎng)絡的連通情況。對于普通的嵌入式Internet的應用而言，在ICMP協(xié)議中能夠測試網(wǎng)絡的連通情況即可，因此只需實現(xiàn)ICMP中類型號為0、代碼為0的PING應答協(xié)議即可。通常嵌入式Internet不考慮IGMP。
鏈路層主要作用是為其上層協(xié)議發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，根據(jù)物理層的不同，主要協(xié)議有以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）及RS232串行線路協(xié)議等?？捎蛇x擇的網(wǎng)絡接口芯片完成。
3設計實例
應用普通8/16位MCU形成嵌入式網(wǎng)關是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊淮鬅狳c。而應用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)已經(jīng)成為最流行的分組交換局域網(wǎng)技術，整個網(wǎng)絡只有一種底層通訊協(xié)議，同時也具有開放的TCP/IP網(wǎng)絡技術。它可滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求。工業(yè)控制領域中常用的現(xiàn)場總線和串行通信可以通過嵌入式網(wǎng)關與以太網(wǎng)相連，從而方便的實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與Internet連接，目前基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢。所以本設計采用在16位MCU中嵌入“裁剪”后的TCP/IP協(xié)議棧及以太網(wǎng)控制芯片驅動程序，并通過以太網(wǎng)接入Internet網(wǎng)絡。其硬件框圖如圖三所示。
圖三16位單片機實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)卡的硬件框圖
這種方案首先要求在鏈路層上，由于采用以太網(wǎng)的接人方式，系統(tǒng)必須要實現(xiàn)IEEE802.3標準，這可采用通用的以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS來完成。其次，為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)的通信，系統(tǒng)還需實現(xiàn)ARP應答協(xié)議。在網(wǎng)絡層上要實現(xiàn)IP協(xié)議，為了能夠測試系統(tǒng)與網(wǎng)絡的連接，系統(tǒng)需要實現(xiàn)ICMP協(xié)議中的ping應答協(xié)議。在傳輸層上我們選擇UDP協(xié)議。應用層上單片機系統(tǒng)傳遞來自Ethernet和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)，應用層只對大的數(shù)據(jù)報作打包拆報處理。
RTL8019AS是RealTek公司生產(chǎn)的一種全雙工以太網(wǎng)控制器，符合EthernetII、IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）標準;與NE2000兼容;支持8位、16位數(shù)據(jù)總線;內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，可降低對主處理器的速度要求。外部RAM使用PSD4135（512KB），從而為數(shù)據(jù)處理提供了很大的緩存，同時它也有地址鎖存和地址譯碼功能。使用E2PROM—93C46，可以將網(wǎng)卡物理地址和其他參數(shù)保存在里面。
這里的RTL8019AS就是處理以太網(wǎng)協(xié)議（IEEE802.3）的。數(shù)據(jù)的流向為：請求信息從局域網(wǎng)中來，通過RJ45送到RTL8019AS，處理后的數(shù)據(jù)包送入80C196協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包進行解析，得到原始請求信息。請求信息再經(jīng)過80C196的處理，產(chǎn)生回復信息?；貜托畔⒌骄钟蚓W(wǎng)的過程與上面正好相反。RJ45為此系統(tǒng)與局域網(wǎng)的接口。
一個標準的IEEE802.3數(shù)據(jù)幀由七部分組成，圖四說明了標準的IEEE802.3數(shù)據(jù)包與TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)的關系。
圖四IEEE802.3幀的組成
數(shù)據(jù)段的個數(shù)可從46Byte～1500Byte，不足46Byte時用零補足;超過1500Byte時，需要拆成多個幀傳送。前導位、幀起始位和幀校驗序列僅供控制器本身用，主處理器收到的數(shù)據(jù)幀的組成依次包括：接收狀態(tài)、下一幀的頁地址指針、目的地址、源地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)段。IEEE802.3標準中的數(shù)據(jù)長度值小于或等于0x0600時，表示數(shù)據(jù)段的長度;反之，表示數(shù)據(jù)幀的類型。例如值為0x0800，表示數(shù)據(jù)段為IP包;值為0x0806，表示數(shù)據(jù)段為ARP包。
3.1系統(tǒng)軟件
在選定硬件，完成各芯片間地址線、數(shù)據(jù)線及狀態(tài)線連接后，開始軟件設計。軟件設計主要包括：芯片初始化程序、以太網(wǎng)控制器驅動程序、TCP/IP協(xié)議棧程序、系統(tǒng)網(wǎng)絡配置程序。芯片初始化程序用于設置MCU工作模式及外圍芯片選擇;以太網(wǎng)控制器驅動程序用于設置以太網(wǎng)控制芯片的工作狀態(tài)及工作方式，分配收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū);系統(tǒng)網(wǎng)絡配置程序用于給監(jiān)測系統(tǒng)分配IP地址及域名。
當網(wǎng)絡有數(shù)據(jù)時，RTL8019AS在接收和處理完以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后傳送給單片機，80C196對數(shù)據(jù)包進行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉入ARP處理程序。如果是IP數(shù)據(jù)包且IP地址正確，則繼續(xù)分析若是ICMP包，則調(diào)用ICMP處理程序。若是UDP數(shù)據(jù)包，則80C196對數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分轉存在PSD4135中或者通過串口輸出。反之，當有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，80C196將調(diào)用UDP打包程序來封裝數(shù)據(jù)并送入RTL8019的緩存中去。具體流程為：數(shù)據(jù)放到UDP的數(shù)據(jù)段-》生成UDP校驗-》建立IP頭-》（ARP地址解析）-》生成Ethernet頭-》放到網(wǎng)卡發(fā)送緩沖區(qū)-》發(fā)送。
4結束語
基于嵌入式Internet的工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡是未來新一代工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。本文闡述了嵌入式Internet的各種技術原理，并通過了以太網(wǎng)接口控制芯片和嵌入式TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)關的功能。相信隨著嵌入式Internet技術的日益完善，這種可與現(xiàn)場總線等已有網(wǎng)絡實現(xiàn)方便簡單連接的方案，會得到更加廣泛的應用。
工商網(wǎng)監(jiān)
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