基于MCS-51的嵌入式Internet接入技术
近年来以单片机(Micro Computer Unit,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
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