嵌入式Internet技術(shù)及其實現(xiàn)方案

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(shè)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(yīng)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(luò)（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(yīng)用廣泛的Internet上面，或者在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用 Internet為介質(zhì)，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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控 。因此，嵌入式Internet技術(shù)就應(yīng)運而生，并成為業(yè)內(nèi)的一大熱點。

2 嵌入式Internet技術(shù)原理及方案

嵌入式Internet技術(shù)，也就是將嵌入式系統(tǒng)與Internet結(jié)合起來實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，涉及的兩個關(guān)鍵問題即傳送信息的媒質(zhì)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(shè)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。現(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(shù)的關(guān)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(dá)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(jìn)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）一直擴展到嵌入式設(shè)備當(dāng)中，由嵌入式系統(tǒng)自身實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，每個設(shè)備都可與Internet相連。這是解決問題的最佳方案及未來電器、設(shè)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(shè)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(wù)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(shè)備都直接連到Internet上，用戶可以通過Internet接近設(shè)備，然后再用輕量級網(wǎng)絡(luò)擴展到多個設(shè)備上。如電力線、RS-485、RS-232、I2C等 。專用WEB服務(wù)器可作為子網(wǎng)設(shè)備路由器來轉(zhuǎn)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(shè)備設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

3. RS232/485,CAN, I2C

通過嵌入式網(wǎng)關(guān)（emGateway）聯(lián)接。嵌入式網(wǎng)關(guān)運行TCP/IP協(xié)議，與嵌入式設(shè)備輕量級網(wǎng)絡(luò)（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(zhuǎn)換及路由功能。結(jié)構(gòu)如圖一所示。

圖一 8/16位MCU嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)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(gòu)建Internet的標(biāo)準(zhǔn)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(xì)的內(nèi)容和協(xié)議和相對應(yīng)的OSI模型關(guān)系。

圖二 三種協(xié)議層的結(jié)構(gòu)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(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)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(luò)控制芯片實現(xiàn)的。

由于嵌入式系統(tǒng)沒有一個多任務(wù)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(yīng)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(yīng)用層協(xié)議要求不同，而且應(yīng)用層的協(xié)議還要和鏈路層實現(xiàn)的協(xié)議相對應(yīng)。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(yīng)用層的協(xié)議。

傳輸層主要為兩臺主機上的應(yīng)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(yīng)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(fù)雜性為代價的，需要復(fù)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(wù)，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的丟失，重復(fù)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(shè)備的速度。UDP適合用在通信介質(zhì)十分可靠的情況，例如以太網(wǎng)等。

網(wǎng)絡(luò)層處理分組在網(wǎng)絡(luò)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(luò)進(jìn)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(yīng)用程序PING就是采用ICMP協(xié)議來測試網(wǎng)絡(luò)的連通情況。對于普通的嵌入式Internet的應(yīng)用而言，在 ICMP協(xié)議中能夠測試網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(luò)接口芯片完成。

3 設(shè)計實例

應(yīng)用普通8/16位MCU形成嵌入式網(wǎng)關(guān)是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊淮鬅狳c。而應(yīng)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(shù)，整個網(wǎng)絡(luò)只有一種底層通訊協(xié)議，同時也具有開放的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它可滿足控制系統(tǒng)各個層次的要求 。工業(yè)控制領(lǐng)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(guān)與以太網(wǎng)相連，從而方便的實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與Internet連接，目前基于以太網(wǎng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢。所以本設(shè)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(qū)動程序，并通過以太網(wǎng)接入Internet網(wǎng)絡(luò)。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(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)答協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)層上要實現(xiàn)IP協(xié)議，為了能夠測試系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的連接，系統(tǒng)需要實現(xiàn)ICMP 協(xié)議中的ping應(yīng)答協(xié)議。在傳輸層上我們選擇UDP協(xié)議。應(yīng)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(yīng)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Ethernet II 、IEEE802.3（10Base5、 10Base2、10BaseT）標(biāo)準(zhǔn);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(jìn)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(fù)信息?；貜?fù)信息到局域網(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(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3數(shù)據(jù)幀由七部分組成，圖四說明了標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3數(shù)據(jù)包與TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)的關(guān)系。

圖四 IEEE 802.3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(dǎo)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。 IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計。軟件設(shè)計主要包括：芯片初始化程序、以太網(wǎng)控制器驅(qū)動程序、TCP/IP協(xié)議棧程序、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置程序。芯片初始化程序用于設(shè)置MCU工作模式及外圍芯片選擇;以太網(wǎng)控制器驅(qū)動程序用于設(shè)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(luò)配置程序用于給監(jiān)測系統(tǒng)分配IP地址及域名。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行分析，如果是ARP（物理地址解析）數(shù)據(jù)包，則程序轉(zhuǎn)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(zhuǎn)存在PSD4135中或者通過串口輸出。反之，當(dāng)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(jié)束語

基于嵌入式Internet的工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)是未來新一代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。本文闡述了嵌入式Internet的各種技術(shù)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(guān)的功能。相信隨著嵌入式Internet技術(shù)的日益完善，這種可與現(xiàn)場總線等已有網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方便簡單連接的方案，會得到更加廣泛的應(yīng)用。

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