【正文】 武漢科技學院2006屆畢業(yè)設計論文 論自18世紀的工業(yè)革命以來，人類社會在每個世紀都有它的主流技術。在經歷了機械時代，蒸汽機時代和電氣時代后，以信息的收集，處理和發(fā)布為主要特點的信息技術是成為我們這個時代的主流技術。信息技術的蓬勃發(fā)展，對我們這個社會產生了極為深遠的影響。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀嵌入式概念早在20世紀60年代末己被提出，在經歷了二、三十年的緩慢發(fā)展后，截止到上世紀90年代，它獲得了全面的應用和發(fā)展。目前，隨著IT業(yè)向數字化、網絡化和智能化方向發(fā)展，嵌入式技術的應用全面展開。在通信領域中，采用嵌入式技術的交換和路由設備實現(xiàn)了智能的交換和路由。在廣播電視領域，嵌入式軟件技術和數字技術的結合，造就了家電行業(yè)的未來發(fā)展方向－信息家電。在控制領域，廣泛應用于ATM機、自動售貨機、工業(yè)控制等設備。在商業(yè)領域中，先進的PDA己能在屏幕上實現(xiàn)漢字寫入、短消息語音發(fā)布，應用范圍也將日益廣闊。在個人領域中，嵌入式產品將主要作為個人移動的數據處理和通信軟件。由于嵌入式設備具有人性化的人機交互界面，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、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像取得初步成效，所有上述產品都離不開嵌入式系統(tǒng)技術。中國的單片機應用和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有15年的歷程，有超過10萬名從事單片機開發(fā)應用的工程師，但絕大多數是以封閉的方式開發(fā)幾乎不可重用的軟件。今天面對的是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)化的潮流，嵌入式軟件必須以工業(yè)化的方式生產開發(fā)，這對加速知識創(chuàng)新和建立面向新世紀的知識經濟具有戰(zhàn)略意義。[1]本文將講述的單片機＋TCP/IP軟件的方法就可以使嵌入式系統(tǒng)上英特網，使嵌入式設備之間可以相互通信。這種技術現(xiàn)今已用于工業(yè)自動化，POS(電子收款機系統(tǒng))網絡及電子商務，智能公路等方面。1. 2 嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)泛指單片機和微處理器構成的電子設備。根據IEEE的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視、或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”(devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants)。[2]這主要從應用上加以定義的，從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體。不過 ，目前國內一個普遍被認同的定義是:以應用為中心、以計算機技術為基礎，硬件軟件可裁減，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)的定義可從以下幾個方面來理解:(1)嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。(2)嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術以及各行業(yè)的具體應用相結合的產物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。(3)嵌入式系統(tǒng)必須根據應用需求可對軟硬件進行裁減，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。 嵌入式系統(tǒng)的組成及特點嵌入式系統(tǒng)主要分為兩個部分: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，嵌入式外圍設備等構成。嵌入式軟件部分主要由嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式開發(fā)調試環(huán)境和嵌入式應用軟件構成。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。它通常把通用計算機中許多板卡完成的任務集成在芯片內部，有利于嵌入式處系統(tǒng)設計趨于小型化，并且具有高效率、高可靠性等優(yōu)點。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)。外圍設備是指在一個嵌入式系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器以外用于完成存儲、通信、調試、顯示等輔助設備功能的其他部件。它包括存儲器(RAM/SRAM, DRAM, FLASH等)、接口(RS232/RS485, PC104總線等)、人機交互(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)、應用軟件兩部分。嵌入式系統(tǒng)以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(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的特定功能；（2） 具有高性能和實時的要求；（3） 系統(tǒng)作為設備的一部分，其運行一般不需要人工干預；（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)設計的關鍵一步。[1]嵌入式計算機在應用數量上遠遠超過了各種通用計算機。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、消費類產品等方面均是嵌入式計算機的應用領域。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。隨著“后PC”時代的來臨，嵌入式系統(tǒng)技術已經成為無所不在的推動力量，為人們的生活、工作帶來一個又一個的變革。嵌入式產品成為信息產業(yè)的主流。 嵌入式Web Server的系統(tǒng)設計 單片機系統(tǒng)接入Internet方案目前，國內外嵌入式儀器接入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。因為32位處理器有足夠的資源可以擴充利用，RAM和ROM可以做得足夠大，整個TCP/IP協(xié)議族可以做到系統(tǒng)里面去，甚至可以嵌入一個帶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現(xiàn)復雜功能外，還能較容易的進行網絡通信的TCP/IP協(xié)議處理，因而可以成為直接接入Internet的網絡儀器。但其缺點也是明顯的，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。二是代理服務器方案。它由低檔8位機組成嵌入式儀器，采用專用網絡(RS232,RS485等)把若干嵌入式儀器連在一起，該網絡再與PC相連，由此組成PC網關專用網。此時把PC作為網關，并由PC把該網絡上的信息轉換為TCP/IP協(xié)議數據包，發(fā)送到Internet上實現(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PC機或類似PC機的設備作為網關來實現(xiàn)協(xié)議轉換，即把其它協(xié)議的信息轉換成適合在Internet上傳輸的數據包。這樣雖然也能實現(xiàn)信息共享，但其成本較高。三是直接實現(xiàn)方案，即在8位單片機中實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)Internet的接入功能。利用這種方案的好處是省去操作系統(tǒng)和網關的費用，大大節(jié)約系統(tǒng)資源。缺點是增加了開發(fā)難度，技術實現(xiàn)上有一定困難。[2] 嵌入式Internet的研究意義及目的目前國內單片機的應用非常廣泛，大多數系統(tǒng)是以51單片機為核心，與檢測、伺服、顯示設備配合起來實現(xiàn)監(jiān)控功能。數據的傳輸大多采用RS232, RS485以及各種現(xiàn)場總線，這些方式有些通信速度不夠快，有些距離不夠遠，且各種總線之間難于實現(xiàn)互連和互操作。以太網作為目前應用最為廣泛的局域網，在工業(yè)自動化和過程控制領域得到了越來越多的應用。同時，隨著Internet的普及，現(xiàn)代通信技術的進步，基于TCP/IP和Client/ Server架構的分布式監(jiān)控技術也日趨成熟。借助以太網和Internet技術，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地方。因此，對于以單片機為中心的嵌入式設備，如何充分利用現(xiàn)有的Internet網絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控，已成為當今電子世界中的熱門話題。隨著電子設備智能化要求的提高和各種功能強大的微處理器的推出，嵌入式系統(tǒng)逐漸成為許多電子設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)網概念跳深入人心更為嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網的結合提出了要求。嵌入式系統(tǒng)接入Internet以后，不僅可以實現(xiàn)設備的遠程控制、維護和升級，而且從另外一層意義上講，接入Internet的設備己經成為網絡共享資源的一部分，可以說這是電子設備智能化以來設計思想的又一次飛躍。 研究內容及方案本文采用8051單片機和Realtek公司的10M自適應網絡RTL8019AS接口構建嵌入式Web服務器的硬件平臺，并在詳細分析了以太網網絡模型和精簡的TCP/IP協(xié)議的基礎上，完成了以下幾方面的內容：（1） 單片機與網卡的接口設計；（2） 在單片機中實現(xiàn)精簡TCP/IP協(xié)議；（3） 數據的采集及IP地址的顯示；（4） 動態(tài)網頁的生成等。系統(tǒng)設計方案簡介:RJ 45為系統(tǒng)與局域網的接口。由于大部分局域網都采用以太網，這里的RTL8019AS就是用于處理以太網協(xié)議(IEEE )的。數據的流向為:請求信息從局域網中來，通過RJ 45送到RTL80l9AS，處理后的數據包送入單片機系統(tǒng)的協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數據包進行解析，得到原始請求信息。請求信息再經過單片機系統(tǒng)的處理，產生回復信息。回復信息到局域網的過程與上面正好相反。整個系統(tǒng)的軟件流程如圖11所示。接收IP包接IP包，送TCP層接TCP包，送應用層WEB SERVER處理請求信息傳送數據到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單片機處理流程圖在建立起相應的硬件連接后，就可以根據不同的硬件特點，選用不同的開發(fā)工具和開發(fā)語言進行Web Server的軟件設計工作。所謂的TCP/IP協(xié)議是一個四層協(xié)議系統(tǒng)，包括數據鏈路層、網絡層(含IP協(xié)議)、傳輸層(含TCP協(xié)議)和應用層，每一層負責不同的功能?；赥CP/IP協(xié)議可以實現(xiàn)多種功能應用，如:HTTP(超文本傳輸控制協(xié)議)、TELNET(遠程登錄)、FTP(文件傳輸協(xié)議)、SMTP(簡單郵件傳送協(xié)議)、SNMP(簡單網絡管理協(xié)議)等。本文主要討論實現(xiàn)Web/Server所需的協(xié)議。當然，還可以根據需要附加其它的協(xié)議功能。IP包含編址方案，并提供尋址功能：TCP則是在不同主機的對等進程之間提供可靠的進程間通信。與TCP兩端口所連接的實體中，一端為應用程序進程或用戶，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制，以保證數據的可靠性，用戶可以根據自己的需要在此程序框架上添加構成Web Server的所有其它動態(tài)或靜態(tài)元素。嵌入式Web服務器的軟件主要由芯片初始化設置、TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)、數據采集及處理等模塊組成。在程序中加入基于TCP/IP協(xié)議的用戶自定義數據通信協(xié)議。這樣使客戶局域網中的PC機能夠與嵌入式Web服務器進行自定義的通信，如:發(fā)送數據采集命令、采集參數初始化命令等。2. 硬件系統(tǒng)設計利用單片機實現(xiàn)嵌入式TCP/IP系統(tǒng),大體可有以下三種形式:（1）MCU+專用網絡芯片，如E155Web chip PS2000等。此種方案的主要優(yōu)點是：應用系統(tǒng)設計工程師完全不必考慮任何網絡協(xié)議，只需要解釋并執(zhí)行網絡芯片傳送過來的指令和數據就可以實現(xiàn)與Internet網絡連接。 （2）EMIT技術。EMIT采用桌面計算機或高性能的嵌入式處理器作為網關，稱為emGateway，上面支持TCP/IP協(xié)議并運行HTTP服務程序，形成一個用戶可以通過網絡瀏覽器進行遠程訪問的服務器。emGateway通過RS23RS48CAN等輕量級總線與外設聯(lián)系起來，每個外設的應用程序中包含一個獨立的通信任務，稱為emMicro，監(jiān)測嵌入式設備中預先定義的各個變量，并將結果反饋到emGateway中；同時emMicro還可以解釋emGateway的命令，修改設備中的變量或進行某種控制。該方案中復雜的網絡協(xié)議是通過emGateway在PC機上實現(xiàn)的。 （3）MCU直接實現(xiàn)形式。實現(xiàn)這種形式的TCP/IP系統(tǒng)，可選用多種型號的MCU來實現(xiàn)網絡協(xié)議，如AT89C825SX52BD100等，并可根據具體要求選用不同速度的MCU作為核心芯片，但是基本硬件結構大致相同。下圖為硬件框圖，涉及到本次設計中用到的主要芯片，以及各個芯片間的連接關系，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、網絡控制器、傳輸接口等構成。原理圖如下：RJ45TPOUTSD0~SD7 TPINSA0~SA7IORBIOWBRSTDRVI INT0 AEN IOCS16B P7 RXDTXD 鎖存 GNDGND RTL8019C8051F020RS232