MCS-51單片機實現(xiàn)與Internet交互的設計-設計應用

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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（MICroComputerUnit，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?shù)腎P數(shù)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NportExpress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(shù)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(shù)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)選用常用的MCS8051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(shù)據緩存的RAM存儲器和RS232接口，前者用作數(shù)據緩存器，后者作為單片機與現(xiàn)場設備進行數(shù)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(shù)據的解包和串口RS232數(shù)據的封包。遠程PC機傳輸來數(shù)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(shù)據通過RS232串行口交給數(shù)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(shù)據到單片機，那么單片機將數(shù)據按照TCP/IP協(xié)議格式封包后送入RTL8019AS，由網卡芯片傳輸?shù)絀nternet中。通過上述方式，單片機完成與Internet的交互，從而實現(xiàn)數(shù)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，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。

8051單片機P0口的8位數(shù)據總線D0-D7、P2口的5根地址線A8-A12、讀信號線RD、寫信號線WR、2個定時器控制端T0、T1分別與Realtek8019AS的各信號線對應連接。

Realtek8019AS芯片工作在8位總線方式。8051單片機驅動網絡控制芯片RTL8019AS，經網絡隔離濾波器HR901170A后實現(xiàn)Internet接入。

3TCP/IP協(xié)議棧在單片機上的實現(xiàn)

3.1嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

TCP/IP協(xié)議是Internet的協(xié)議。單片機實現(xiàn)嵌入式接入Internet必須要在單片機上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。由于TCP/IP協(xié)議簇異常龐大，而單片機片內資源有限，所以要在單片機上完整實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議是不可能的。目前許多公司根據不同的嵌入式設備開發(fā)了面向商用的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，這些協(xié)議棧缺點是面向特定公司生產的芯片，且需支付昂貴的軟件使用費。如果采用這類協(xié)議棧則使得設計的單片機嵌入式Internet系統(tǒng)不具有性價比上的優(yōu)勢。經過對比，在本系統(tǒng)中選用開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧uIP0.9作為設計。uIP0.9是一個適用于8/16位單片機上的小型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，感興趣的用戶可以在網絡上其源代碼并對其進行修改，以適應不同的應用需要。uIP0.9協(xié)議棧采用模塊化設計，保留網絡通信所必要的協(xié)議機制，大大減少了協(xié)議代碼量（代碼量在幾千字節(jié)左右），只需要幾百字節(jié)的內存就可以順利運行，降低了協(xié)議對系統(tǒng)資源的要求。uIP0.9完全適應當前的單片機嵌入式系統(tǒng)。

3.2uIP的體系結構

uIP協(xié)議根據嵌入式系統(tǒng)的需要，去掉了TCP/IP協(xié)議中許多不常用的功能，保留網絡通信中所需要的ARP（可選）、IP、ICMP、TCP、UDP（可選）等的部分。協(xié)議全部用C語言編寫，其代碼占用量極少，對RAM資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP模塊代碼大小為3304字節(jié)，使用的RAM只需要360字節(jié)。其應用層接口和設備驅動層接口非常簡單。

uIP協(xié)議將設計重點放在IP、ICMP和TCP協(xié)議的實現(xiàn)上，而將UDP和ARP協(xié)議實現(xiàn)作為可選模塊。uIP協(xié)議的體系結構如圖3所示。

圖3uIP協(xié)議棧結構圖。

3.3uIP的底層設備驅動接口和應用程序接口

uIP是一個僅包含三層網絡層協(xié)議的協(xié)議棧，uIP自身不包含任何類型的底層網絡驅動和上層應用程序，它只提供接口函數(shù)供用戶開發(fā)使用。因此為了完成與網絡設備的交互，用戶必須根據網絡設備的類型，在uIP中自行實現(xiàn)對底層網絡設備的驅動。對本例來說，網絡設備是RTL8019AS網卡，因此需要在uIP中實現(xiàn)對RTL8019AS網卡的驅動。如果用戶需要在Internet上通過http協(xié)議瀏覽和獲取現(xiàn)場數(shù)據，還必須在uIP上實現(xiàn)基于HTTP協(xié)議的WEB應用服務。

RTL8019AS網卡驅動首先是對網卡芯片的上電初始化，通過函數(shù)init_8019as（）進行，用于設定網卡物理地址，設定收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小等。其次是發(fā)送數(shù)據函數(shù)eth_send（）和接收數(shù)據函數(shù)eth_rcve（）。

而uIP協(xié)議棧則通過內核中的uip_input（）函數(shù)實現(xiàn)對底層網絡設備的驅動，該函數(shù)是uIP協(xié)議的底層設備入口。它包含兩個全局變量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的數(shù)據包，后者表示接收發(fā)送緩沖區(qū)里的數(shù)據長度。uip_input（）函數(shù)處理從網絡設備驅動發(fā)送來的IP包。處理結束后返回變量uip_len，如果uip_len是0，則沒有數(shù)據要發(fā)送。不為0則調用網絡設備驅動程序eth_send（）函數(shù)來將uip_buf里的uip_len長度的數(shù)據發(fā)送到以太網上。eth_rcve（）函數(shù)將接收到的數(shù)據存儲到緩存uip_buf指定的緩沖區(qū)中，系統(tǒng)調用uip_input（）函數(shù)，并在需要時調用應用程序。

uip_perioDIC（）可以理解為是一個周期時鐘函數(shù)，通常每一秒執(zhí)行，單片機用它周期性地輪詢各連接。因為uIP協(xié)議要處理許多定時事件，例如包重發(fā)、ARP表項更新。當周期計時激發(fā)，每一個TCP連接調用uip_periodIC（），其TCP連接編號作為參數(shù)傳遞給uip_periodic（）函數(shù)。