基于C8051F020的遠(yuǎn)程多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)

引言

隨著Internet的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的嵌入式系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)。然而，大部分嵌入式系統(tǒng)都是作為B/S模式中的應(yīng)用服務(wù)器，必須隨時(shí)對客戶機(jī)的請求做出回應(yīng)，要求具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。mC/OS-II是近年來發(fā)展迅速的一個(gè)開放源碼實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有移植性好、可裁剪、可固化的優(yōu)點(diǎn)。將mC/OS-II引入網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的可靠性，易于調(diào)試程序。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議部分程序流程圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用美國Cygnal公司生產(chǎn)的集成混合信號(hào)SoC芯片C8051F020，其內(nèi)核與8051兼容。當(dāng)它工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 25MHz 時(shí)，峰值速度可以達(dá)到 25MIPS。C8051F020除了256B的內(nèi)部 RAM，還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間的 4KB的 XRAM，以及64KB可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器。因此，它有足夠的RAM空間用于存放1500B的以太幀，以及μC/OS-II中再入函數(shù)的模擬棧。C8051F020除了有標(biāo)準(zhǔn)8051的端口（ P0、P1、P2和P3）外，還附加4個(gè)端口（P4、P5、P6和P7），內(nèi)部還有很多的功能器件。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。網(wǎng)卡芯片使用臺(tái)灣 Realtek 公司生產(chǎn)的RTL8019AS。在系統(tǒng)中用到的網(wǎng)卡地址為十六進(jìn)制的0300H~0310H，因此，C8051F020的P7口采用復(fù)用方式與RTL8019AS的數(shù)據(jù)/地址線相接，網(wǎng)卡的SA8腳則直接與高電平相接。C8051F020的 P5.2與RTL8019AS的復(fù)位端相連，用來復(fù)位網(wǎng)卡。RTL8019AS則外接一個(gè)隔離LPF濾波器，通過RJ45接口接入以太網(wǎng)。多個(gè)單總線溫度傳感器DS18B20共享一條總線，由 P3.0口進(jìn)行控制。

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)

介質(zhì)訪問層主要由以太網(wǎng)控制器 RTL8019AS來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)，只處理接收地址與本機(jī)物理地址相符或?yàn)閺V播地址的以太幀，并只對ARP、IP數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行處理。

網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)IP、ARP和ICMP 協(xié)議：IP 數(shù)據(jù)報(bào)的首部保留 20 字節(jié)的基本控制信息，每個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)包含一個(gè)分片；實(shí)現(xiàn)完整的ARP 協(xié)議；對于ICMP協(xié)議, 只實(shí)現(xiàn) ICMP 中類型號(hào)為 0 ,代碼為 0 的 Ping 應(yīng)答協(xié)議。

傳輸層實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議。在系統(tǒng)中，TCP 協(xié)議只用于支持 HTTP 協(xié)議，由于在連接時(shí)一直處于被動(dòng)服務(wù)的狀態(tài)，因此在設(shè)計(jì)中省去了SYN - SENT 狀態(tài)和CLOSED狀態(tài)，讓它一開始就處于 LISTEN 狀態(tài)，來監(jiān)聽客戶端的連接請求，避免了主動(dòng)打開的操作，可更高效地服務(wù)于客戶機(jī)。而當(dāng)服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，系統(tǒng)并不存儲(chǔ)，只是記錄下該數(shù)據(jù)報(bào)的狀態(tài)信息。由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸量少，滑動(dòng)窗口可設(shè)置為一個(gè)固定值（1 500 字節(jié) ）。

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)HTTP 協(xié)議?，F(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備與用戶的交互式數(shù)據(jù)交換通過 HTTP 協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，HTTP在端口80上使用TCP的服務(wù)。系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議部分程序的流程圖如圖2所示。

mC/OS-II對TCP/IP協(xié)議及溫度監(jiān)測的實(shí)時(shí)管理

mC/OS-II在C8051F020單片機(jī)上的移植

mC/OS-II的移植，要求所用的C編譯器支持混合編程，在這里選用 KEIL C51集成開發(fā)環(huán)境。由于mC/OS-II是可剝奪的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，任務(wù)隨時(shí)會(huì)被另一任務(wù)中斷，一段時(shí)間后再可以運(yùn)行。為了防止在任務(wù)切換過程中相應(yīng)數(shù)據(jù)被破壞，mC/OS-II中使用了大量的可重入函數(shù)。在KEIL C51中，Cx51編譯器為再入函數(shù)生成模擬棧，通過這個(gè)模擬棧完成參數(shù)傳遞和存放局部變量。根據(jù)再入函數(shù)所采用的編譯模式（SMALL、COMPACT、LARGE），模擬棧可以位于片內(nèi)或片外存儲(chǔ)空間。對于本系統(tǒng)，模擬棧對RAM空間的要求較大，故選用LARGE模式。可直接利用芯片上集成的XRAM（4K），無須另外擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。通過配置STARTUP.A51文件進(jìn)行設(shè)置：

XBPSTACK EQU 1 ; //選用LARGE模式

XBPSTACKTOP EQU 1000H ; //設(shè)置再入棧棧頂指針

在移植過程中主要完成對以下五個(gè)文件的修改：與CPU相關(guān)的文件OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C、OS_CPU.H和與應(yīng)用相關(guān)的文件OS_CFG.H、INCLUDES.H。

其移植過程在這里不是重點(diǎn)，下面簡要介紹與應(yīng)用相關(guān)較緊密的部分設(shè)置。

0S-CPU.H：

#define OS_CRITICAL_ METHOD 1 //中斷方式1

#if OS_CRITICAL_METHOD == 1

#define OS_ENTER_ CRITICAL() EA=0

//關(guān)中斷

#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 //開中斷

#endif

OS_CFG.H：

OSTimeDlyHMSM()函數(shù)使應(yīng)用程序無需知道延時(shí)時(shí)間對應(yīng)的時(shí)鐘節(jié)拍數(shù)，直接按小時(shí)、分、秒、毫秒來定義時(shí)間，方便對任務(wù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行管理。

#define OS_TIME_DLY_ HMSM_EN 1

//允許使用函數(shù)OSTimeDly HMSM()。

由于每個(gè)嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)可以同時(shí)與多個(gè)PC機(jī)連接，向不同用戶提供信息，因此可在OS_CFG.H頭文件中定義一個(gè)包含各種連接信息的結(jié)構(gòu)變量。當(dāng)TCP報(bào)文到時(shí)，使用連接狀態(tài)信息檢查是否與已存在的連接相符，如果不存在則建立新的連接。這種處理可以使嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)同時(shí)處理來自同一或不同PC機(jī)的連接。

typedef struct

{

　　 INT32U ipaddr;

　　 INT16U port;

　　 INT8U timer;

　　 INT8U inactivity;

　　 INT8U state;

　　 char query[20];

} CONNECTION;

在ARP協(xié)議部分，嵌入式系統(tǒng)將收到的IP數(shù)據(jù)報(bào)的物理地址存放在一結(jié)構(gòu)變量中。如果是向同一PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)，不需要再次發(fā)送ARP請求就可得到目的主機(jī)的物理地址，減少了建立連接的時(shí)間。

typedef struct

{

INT32U ipaddr;

INT8U hwaddr[6];

} ARP_CACHE;

在其中設(shè)置每個(gè)嵌入式系統(tǒng)的MAC地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)地址。

mC/OS-II中任務(wù)創(chuàng)建及優(yōu)先級(jí)設(shè)置

C8051F020的XRAM做輸入/輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)部緩沖區(qū)，RTL8019AS內(nèi)部的16K SRAM做單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，存儲(chǔ)輸入/輸出以太幀隊(duì)列。這樣C8051020就可以采用查詢方式讀取以太幀，并有充足的時(shí)間處理數(shù)據(jù)。由于輸入幀的大小不定，同時(shí)在ARP數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送或接收時(shí)，輸出幀必須存在輸出緩沖區(qū)中，因此，輸入/輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在C8051F020的XRAM中使用動(dòng)態(tài)分配，由KEIL C51 提供的malloc()和free()函數(shù)完成。網(wǎng)頁存儲(chǔ)于單片機(jī)的FLASH存儲(chǔ)器中。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)向PC機(jī)發(fā)送網(wǎng)頁時(shí)，先將網(wǎng)頁從FLASH存儲(chǔ)器中取出放入XRAM，再根據(jù)用戶請求進(jìn)行整理后放入RTL8019AS的SRAM，并發(fā)送到以太網(wǎng)上。

作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，C8051F020需要注意以下幾點(diǎn)：

1) 服務(wù)器向一客戶機(jī)發(fā)送ARP查詢分組后，如果在0.5秒內(nèi)未收到ARP響應(yīng)分組，則重發(fā)。

2) 如果TCP連接在0.5秒內(nèi)未被激活，則調(diào)用初始化斷開連接程序，防止兩個(gè)TCP之間的連接處理長時(shí)期空閑。

3) 為了控制丟失數(shù)據(jù)報(bào)，TCP在規(guī)定時(shí)間（0.5秒）內(nèi)如果沒有收到確認(rèn)包 ,就重組這個(gè)包并發(fā)送 ,這樣不需要占用存儲(chǔ)區(qū)來存儲(chǔ)包。當(dāng)收到客戶機(jī)接收到信息包的確認(rèn)報(bào)后 ,就斷開連接。

mC/OS-II對系統(tǒng)的管理是通過對任務(wù)的管理來實(shí)現(xiàn)的。它把整個(gè)程序分成許多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)相對獨(dú)立。然后在每個(gè)任務(wù)中設(shè)置超時(shí)函數(shù)，一旦任務(wù)的延時(shí)時(shí)間到，任務(wù)必須交出 CPU 的使用權(quán)。根據(jù)需要，系統(tǒng)中創(chuàng)建了5個(gè)任務(wù)，設(shè)置如下：

任務(wù)1：OSTaskCreate(eth_ arive,0,mystack1[0],4);// 查詢RTL8019AS，是否有以太幀到達(dá)。

OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);// 延時(shí)0.5秒

任務(wù)2：OSTaskCreate(arp_ retran,0,mystack2[0],5);//重發(fā)ARP分組

OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0); // 延時(shí)1秒

任務(wù)3：OSTaskCreate(tcp_ inact,0,mystack3[0],6);// 初始化斷開連接

OSTimeDlyHMSM(0,0,1,500);// 延時(shí)1.5秒

任務(wù)4：OSTaskCreate(read _temp,0,mystack3[0],7);// 讀溫度值

OSTimeDlyHMSM(0,0,2,0); // 延時(shí)7秒

任務(wù)5：OSTaskCreate(tcp_ retran,0,mystack3[0],8);//TCP數(shù)據(jù)報(bào)重發(fā)

OSTimeDlyHMSM(0,0,2,500);// 延時(shí)2.5秒

結(jié)語

將網(wǎng)絡(luò)功能嵌入到溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，可在網(wǎng)絡(luò)中接入多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接多個(gè)單總線傳感器，以此實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)溫度監(jiān)測，以滿足用戶的需要。由于DS18B20是單總線溫度傳感器，本身的溫度測量有些延時(shí)，因此在傳輸溫度數(shù)據(jù)時(shí)需要幾秒鐘的等待時(shí)間，但對整個(gè)系統(tǒng)的影響不大。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)mC/OS-II，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，有利于用戶的管理和對溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

用戶可以利用廣泛存在的以太網(wǎng)資源，通過瀏覽器直接訪問節(jié)點(diǎn)，提高系統(tǒng)的開放性和互操作性，降低監(jiān)控運(yùn)行維護(hù)成本、提高監(jiān)控運(yùn)行維護(hù)效率。因此，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)有著廣闊的發(fā)展前景。