【正文】 武漢科技學(xué)院2006屆畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 論自18世紀(jì)的工業(yè)革命以來，人類社會(huì)在每個(gè)世紀(jì)都有它的主流技術(shù)。在經(jīng)歷了機(jī)械時(shí)代，蒸汽機(jī)時(shí)代和電氣時(shí)代后，以信息的收集，處理和發(fā)布為主要特點(diǎn)的信息技術(shù)是成為我們這個(gè)時(shí)代的主流技術(shù)。信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，對(duì)我們這個(gè)社會(huì)產(chǎn)生了極為深遠(yuǎn)的影響。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀嵌入式概念早在20世紀(jì)60年代末己被提出，在經(jīng)歷了二、三十年的緩慢發(fā)展后，截止到上世紀(jì)90年代，它獲得了全面的應(yīng)用和發(fā)展。目前，隨著IT業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，嵌入式技術(shù)的應(yīng)用全面展開。在通信領(lǐng)域中，采用嵌入式技術(shù)的交換和路由設(shè)備實(shí)現(xiàn)了智能的交換和路由。在廣播電視領(lǐng)域，嵌入式軟件技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的結(jié)合，造就了家電行業(yè)的未來發(fā)展方向－信息家電。在控制領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于ATM機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、工業(yè)控制等設(shè)備。在商業(yè)領(lǐng)域中，先進(jìn)的PDA己能在屏幕上實(shí)現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，應(yīng)用范圍也將日益廣闊。在個(gè)人領(lǐng)域中，嵌入式產(chǎn)品將主要作為個(gè)人移動(dòng)的數(shù)據(jù)處理和通信軟件。由于嵌入式設(shè)備具有人性化的人機(jī)交互界面，GUI屏幕為中心的多媒體界面給人以很大的親和力，手寫文字輸入、語音撥號(hào)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像取得初步成效，所有上述產(chǎn)品都離不開嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。中國(guó)的單片機(jī)應(yīng)用和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有15年的歷程，有超過10萬名從事單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的工程師，但絕大多數(shù)是以封閉的方式開發(fā)幾乎不可重用的軟件。今天面對(duì)的是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)化的潮流，嵌入式軟件必須以工業(yè)化的方式生產(chǎn)開發(fā)，這對(duì)加速知識(shí)創(chuàng)新和建立面向新世紀(jì)的知識(shí)經(jīng)濟(jì)具有戰(zhàn)略意義。[1]本文將講述的單片機(jī)＋TCP/IP軟件的方法就可以使嵌入式系統(tǒng)上英特網(wǎng)，使嵌入式設(shè)備之間可以相互通信。這種技術(shù)現(xiàn)今已用于工業(yè)自動(dòng)化，POS(電子收款機(jī)系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)，智能公路等方面。1. 2 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)泛指單片機(jī)和微處理器構(gòu)成的電子設(shè)備。根據(jù)IEEE的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視、或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。[2]這主要從應(yīng)用上加以定義的，從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體。不過 ，目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是:以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，硬件軟件可裁減，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)的定義可從以下幾個(gè)方面來理解:(1)嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，它必須與具體應(yīng)用相結(jié)合才會(huì)具有生命力、才更具有優(yōu)勢(shì)。(2)嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。(3)嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求可對(duì)軟硬件進(jìn)行裁減，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。 嵌入式系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分:嵌入式硬件部分和嵌入式軟件部分。嵌入式硬件部分主要由嵌入式處理器，嵌入式外圍設(shè)備等構(gòu)成。嵌入式軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式開發(fā)調(diào)試環(huán)境和嵌入式應(yīng)用軟件構(gòu)成。一、 嵌入式硬件部分嵌入式硬件主要包括嵌入式處理器、外圍設(shè)備兩方面。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的核心的部分。嵌入式處理器與通用處理器有所不同。它通常把通用計(jì)算機(jī)中許多板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，有利于嵌入式處系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，并且具有高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。嵌入式處理器可分為:（1） 低端的微控制器(MicroController Unit，MCU)。（2） DSP處理器(Digital Signal Processor, DSP)。（3） 中高端的嵌入式微處理器(Microprocessor Unit, MPU)。（4） 高度集成的片上系統(tǒng)(System On Chip, SOC)。外圍設(shè)備是指在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器以外用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助設(shè)備功能的其他部件。它包括存儲(chǔ)器(RAM/SRAM, DRAM, FLASH等)、接口(RS232/RS485, PC104總線等)、人機(jī)交互(LCD,鍵盤、觸摸屏等)。二、 嵌入式軟件嵌入式軟件又可以分為嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件兩部分。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)通常具有如下特性：（1） 完成單一或一組緊密相關(guān)的特定功能；（2） 具有高性能和實(shí)時(shí)的要求；（3） 系統(tǒng)作為設(shè)備的一部分，其運(yùn)行一般不需要人工干預(yù)；（4） 系統(tǒng)的電源要求具有較高的可靠性和安全性；（5） 處理器的選擇是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。[1]嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航天、軍事裝備、消費(fèi)類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。隨著“后PC”時(shí)代的來臨，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為無所不在的推動(dòng)力量，為人們的生活、工作帶來一個(gè)又一個(gè)的變革。嵌入式產(chǎn)品成為信息產(chǎn)業(yè)的主流。 嵌入式Web Server的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)接入Internet方案目前，國(guó)內(nèi)外嵌入式儀器接入Internet主要有以下三種方案:一是使用嵌入式操作系統(tǒng)，即由TCP/IP協(xié)議棧加嵌入式操作系統(tǒng)加高速32位處理器做成的嵌入式儀器。因?yàn)?2位處理器有足夠的資源可以擴(kuò)充利用，RAM和ROM可以做得足夠大，整個(gè)TCP/IP協(xié)議族可以做到系統(tǒng)里面去，甚至可以嵌入一個(gè)帶TCP/IP協(xié)議族的操作系統(tǒng)。所以32位微處理器除了可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能外，還能較容易的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的TCP/IP協(xié)議處理，因而可以成為直接接入Internet的網(wǎng)絡(luò)儀器。但其缺點(diǎn)也是明顯的，32位微處理器開發(fā)難度大，開發(fā)工具昂貴，并且大多用在高端產(chǎn)品里，在成本較低的嵌入式系統(tǒng)里現(xiàn)在用的還比較少。二是代理服務(wù)器方案。它由低檔8位機(jī)組成嵌入式儀器，采用專用網(wǎng)絡(luò)(RS232,RS485等)把若干嵌入式儀器連在一起，該網(wǎng)絡(luò)再與PC相連，由此組成PC網(wǎng)關(guān)專用網(wǎng)。此時(shí)把PC作為網(wǎng)關(guān)，并由PC把該網(wǎng)絡(luò)上的信息轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包，發(fā)送到Internet上實(shí)現(xiàn)信息共享。這樣雖然可以使嵌入式儀器連到Internet,但必須用一臺(tái)PC機(jī)或類似PC機(jī)的設(shè)備作為網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，即把其它協(xié)議的信息轉(zhuǎn)換成適合在Internet上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。這樣雖然也能實(shí)現(xiàn)信息共享，但其成本較高。三是直接實(shí)現(xiàn)方案，即在8位單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)Internet的接入功能。利用這種方案的好處是省去操作系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)的費(fèi)用，大大節(jié)約系統(tǒng)資源。缺點(diǎn)是增加了開發(fā)難度，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有一定困難。[2] 嵌入式Internet的研究意義及目的目前國(guó)內(nèi)單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，大多數(shù)系統(tǒng)是以51單片機(jī)為核心，與檢測(cè)、伺服、顯示設(shè)備配合起來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)的傳輸大多采用RS232, RS485以及各種現(xiàn)場(chǎng)總線，這些方式有些通信速度不夠快，有些距離不夠遠(yuǎn)，且各種總線之間難于實(shí)現(xiàn)互連和互操作。以太網(wǎng)作為目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，在工業(yè)自動(dòng)化和過程控制領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。同時(shí)，隨著Internet的普及，現(xiàn)代通信技術(shù)的進(jìn)步，基于TCP/IP和Client/ Server架構(gòu)的分布式監(jiān)控技術(shù)也日趨成熟。借助以太網(wǎng)和Internet技術(shù)，把嵌入式系統(tǒng)連接到Internet上，就可以方便、低廉地把信息傳送到世界的任何一個(gè)地方。因此，對(duì)于以單片機(jī)為中心的嵌入式設(shè)備，如何充分利用現(xiàn)有的Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，已成為當(dāng)今電子世界中的熱門話題。隨著電子設(shè)備智能化要求的提高和各種功能強(qiáng)大的微處理器的推出，嵌入式系統(tǒng)逐漸成為許多電子設(shè)備不可缺少的一部分，并處在前所未有的發(fā)展期，而互聯(lián)網(wǎng)概念跳深入人心更為嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合提出了要求。嵌入式系統(tǒng)接入Internet以后，不僅可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、維護(hù)和升級(jí)，而且從另外一層意義上講，接入Internet的設(shè)備己經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)共享資源的一部分，可以說這是電子設(shè)備智能化以來設(shè)計(jì)思想的又一次飛躍。 研究?jī)?nèi)容及方案本文采用8051單片機(jī)和Realtek公司的10M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)RTL8019AS接口構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器的硬件平臺(tái)，并在詳細(xì)分析了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型和精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，完成了以下幾方面的內(nèi)容：（1） 單片機(jī)與網(wǎng)卡的接口設(shè)計(jì)；（2） 在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議；（3） 數(shù)據(jù)的采集及IP地址的顯示；（4） 動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的生成等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介:RJ 45為系統(tǒng)與局域網(wǎng)的接口。由于大部分局域網(wǎng)都采用以太網(wǎng)，這里的RTL8019AS就是用于處理以太網(wǎng)協(xié)議(IEEE )的。數(shù)據(jù)的流向?yàn)?請(qǐng)求信息從局域網(wǎng)中來，通過RJ 45送到RTL80l9AS，處理后的數(shù)據(jù)包送入單片機(jī)系統(tǒng)的協(xié)議棧，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到原始請(qǐng)求信息。請(qǐng)求信息再經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)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。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程如圖11所示。接收IP包接IP包，送TCP層接TCP包，送應(yīng)用層WEB SERVER處理請(qǐng)求信息傳送數(shù)據(jù)到RTL8019AS發(fā)送緩沖區(qū)＝0？TCP 打 包IP 打 包開 始初 始 化接收緩沖區(qū)＝0？ N YY 圖 11單片機(jī)處理流程圖在建立起相應(yīng)的硬件連接后，就可以根據(jù)不同的硬件特點(diǎn)，選用不同的開發(fā)工具和開發(fā)語言進(jìn)行Web Server的軟件設(shè)計(jì)工作。所謂的TCP/IP協(xié)議是一個(gè)四層協(xié)議系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層(含IP協(xié)議)、傳輸層(含TCP協(xié)議)和應(yīng)用層，每一層負(fù)責(zé)不同的功能?；赥CP/IP協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)多種功能應(yīng)用，如:HTTP(超文本傳輸控制協(xié)議)、TELNET(遠(yuǎn)程登錄)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議)、SNMP(簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)等。本文主要討論實(shí)現(xiàn)Web/Server所需的協(xié)議。當(dāng)然，還可以根據(jù)需要附加其它的協(xié)議功能。IP包含編址方案，并提供尋址功能：TCP則是在不同主機(jī)的對(duì)等進(jìn)程之間提供可靠的進(jìn)程間通信。與TCP兩端口所連接的實(shí)體中，一端為應(yīng)用程序進(jìn)程或用戶，另一端則為底層協(xié)議，如IP協(xié)議。TCP在建立連接過程中采用三向握手機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的可靠性，用戶可以根據(jù)自己的需要在此程序框架上添加構(gòu)成Web Server的所有其它動(dòng)態(tài)或靜態(tài)元素。嵌入式Web服務(wù)器的軟件主要由芯片初始化設(shè)置、TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集及處理等模塊組成。在程序中加入基于TCP/IP協(xié)議的用戶自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這樣使客戶局域網(wǎng)中的PC機(jī)能夠與嵌入式Web服務(wù)器進(jìn)行自定義的通信，如:發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令、采集參數(shù)初始化命令等。2. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP系統(tǒng),大體可有以下三種形式:（1）MCU+專用網(wǎng)絡(luò)芯片，如E155Web chip PS2000等。此種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是：應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師完全不必考慮任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只需要解釋并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)芯片傳送過來的指令和數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接。 （2）EMIT技術(shù)。EMIT采用桌面計(jì)算機(jī)或高性能的嵌入式處理器作為網(wǎng)關(guān)，稱為emGateway，上面支持TCP/IP協(xié)議并運(yùn)行HTTP服務(wù)程序，形成一個(gè)用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的服務(wù)器。emGateway通過RS23RS48CAN等輕量級(jí)總線與外設(shè)聯(lián)系起來，每個(gè)外設(shè)的應(yīng)用程序中包含一個(gè)獨(dú)立的通信任務(wù)，稱為emMicro，監(jiān)測(cè)嵌入式設(shè)備中預(yù)先定義的各個(gè)變量，并將結(jié)果反饋到emGateway中；同時(shí)emMicro還可以解釋emGateway的命令，修改設(shè)備中的變量或進(jìn)行某種控制。該方案中復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是通過emGateway在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的。 （3）MCU直接實(shí)現(xiàn)形式。實(shí)現(xiàn)這種形式的TCP/IP系統(tǒng)，可選用多種型號(hào)的MCU來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如AT89C825SX52BD100等，并可根據(jù)具體要求選用不同速度的MCU作為核心芯片，但是基本硬件結(jié)構(gòu)大致相同。下圖為硬件框圖，涉及到本次設(shè)計(jì)中用到的主要芯片，以及各個(gè)芯片間的連接關(guān)系，下文將介紹硬件系統(tǒng)原理圖。FLASHC8051F020RTL8019ASPM34_1006MRJ45接口JTAGMAX232RS232接口SRAM圖 2－1 硬件系統(tǒng)框圖接口電路主要由MCU、網(wǎng)絡(luò)控制器、傳輸接口等構(gòu)成。原理圖如下：RJ45TPOUTSD0~SD7 TPINSA0~SA7IORBIOWBRSTDRVI INT0 AEN IOCS16B P7 RXDTXD 鎖存 GNDGND RTL8019C8051F020RS232