图1 系统总体设计。
系统选用常用的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,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,在本系统中选用开放源代码的TCP/IP协议栈uIP0.9 作为设计。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,感兴趣的用户可以在网络上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 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,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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