【正文】 可靠性，嵌入式系統(tǒng)的軟件一般都固化在存儲器芯片中，而不是存儲于磁盤等載體中。嵌入式系統(tǒng)對軟件代碼的要求很高，應(yīng)盡最大可能避免“死機(jī)”的發(fā)生，因為“死機(jī)”很可能導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰或造成嚴(yán)重后果。 嵌入式INTERNET介紹了嵌入式系統(tǒng)與PC既有共性也有個性，具體的應(yīng)用可以根據(jù)實際工作而選擇使用嵌入式系統(tǒng)還是普通的PC機(jī)。下面將要介紹的是Internet在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深入到人類生活的各個方面，網(wǎng)絡(luò)就像覆蓋在地球表面的電子皮膚，它大大的改變了我們的工作方式和生活方式。若能將Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸到電子設(shè)備或控制網(wǎng)絡(luò)并使之互連，將Internet的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到任何需要網(wǎng)絡(luò)的地方，使之增加許多新的、有價值的、超越局域網(wǎng)的服務(wù)功能，必然會讓我們的世界變得更加自動化和智能化。智能樓宇、工業(yè)過程等在這些芯片的基礎(chǔ)上，使用特定的協(xié)議如Lon Works、CAN等組成獨(dú)立的、自成一體的控制網(wǎng)絡(luò)。嵌入式Internet就是在這種背景下產(chǎn)生的，它依托于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)而構(gòu)建，是Internet技術(shù)、Web技術(shù)和嵌入式技術(shù)的有機(jī)融合。嵌入式Internet不僅是一種設(shè)備接入技術(shù)，而且是一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)。當(dāng)前，為了滿足世界上越來越多的Internet用戶，Internet的IP協(xié)議正處于在IPv4協(xié)議到IPv6協(xié)議的過渡時期。因此，現(xiàn)有的IP地址資源將受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)，IP地址資源的短缺將成為嵌入式Internet發(fā)展的瓶頸。隨著IPv6協(xié)議的逐漸應(yīng)用，IP地址資源的缺乏將得到徹底的改善，嵌入式Internet也將得到更進(jìn)一步的發(fā)展[3]。 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展很大程度上依賴于網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。其中以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)非常廣泛地應(yīng)用于各種計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，包括辦公室局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)、智能家居等場合。所以通過以太網(wǎng)接入方式實現(xiàn)嵌入式Internet具有現(xiàn)實意義。該方案采用高端的32/64位微控制器上運(yùn)行實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，以實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)上直接實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，從而實現(xiàn)嵌入式Internet。2. PC網(wǎng)關(guān)+專用網(wǎng)的實現(xiàn)方式。3. 8位單片機(jī)+網(wǎng)絡(luò)接口控制器直接接入Internet的實現(xiàn)方式。該方案最突出的特點(diǎn)就是成本較低廉，但是軟件設(shè)計復(fù)雜，需要對TCP/IP協(xié)議有深入的了解和研究。隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，Internet在過去得到了飛速地發(fā)展，并圍繞著Internet出現(xiàn)了許多新的技術(shù)和新的應(yīng)用。WWW是一個基于Internet的全球連接的、分布的、動態(tài)的、多平臺的交互式超媒體信息系統(tǒng)。在基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，客戶端使用通用的Web瀏覽器，通過Internet對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控。2) 不需要開發(fā)專門的客戶端軟件，將應(yīng)用程序集中在服務(wù)器上，大大減少了客戶端開發(fā)的工作量，而且易于擴(kuò)充和修改。4) 控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的信息得以集成，有利于信息管理[4]。而本文實現(xiàn)的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)則不需要另外的操作系統(tǒng)的支持，而且使用普通的51單片機(jī)芯片作為處理器中央處理器，硬件上就節(jié)約了很大的成本。硬件TCP/IP協(xié)議棧支持TCP，UDP，IPV4，ICMP，ARP，IGMP和PPPOE，這些協(xié)議已經(jīng)在市場上好多領(lǐng)域經(jīng)過了多年的驗證。第二章 監(jiān)控系統(tǒng)硬件實現(xiàn)本文設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理模塊MCU，系統(tǒng)通信模塊W5100，系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)控模塊即數(shù)據(jù)采集模塊及顯示模塊，先由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊（溫度檢測）接收現(xiàn)場信息然后發(fā)送到MCU，再通過W5100芯片傳送到INTERNET上去。本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如下圖21所示：遠(yuǎn)程控制端 因特網(wǎng)瀏覽器RJ45W5100MCU溫度傳感器圖 21：系統(tǒng)架構(gòu)圖其中，RJ45接口是帶有網(wǎng)絡(luò)變壓器的物理層接口。CS為片選，MISO和MOSI為兩條數(shù)據(jù)傳輸線，用于數(shù)據(jù)的傳輸與接收。此外，為了方便AT89S52判斷W5100的工作狀態(tài)，必須將W5100的中斷引腳INT與AT89S52的外部中斷線相連接。除電源相關(guān)引腳外，W5100的其它引腳可以選擇置空，總的說來，系統(tǒng)連接簡單，極大減小了電路板的復(fù)雜度與連接出錯率[6]。為減少PCB板面積和布線復(fù)雜性，考慮到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率要求不高，選擇SPI接口作為AT89S52和W5100的連接方式。下面從各個部分介紹本系統(tǒng)的具體情況。AT89S52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)。它的主要性能特點(diǎn)包括：1） 與MCS—51單口指令系統(tǒng)完全兼容。3） 1000次擦寫周期。5） 三級加密程序存儲器。7） 4 個8位可編程I/O端口。9） 6個中斷源。11） 低功耗空閑掉電模式[12]。W5100的硬件TCP/IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、CMP、IGMP、IPvARP、PPPOE、Ethernet等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；支持4個獨(dú)立的Socket通信，內(nèi)部還集成有16K字節(jié)的發(fā)送/接收緩沖區(qū)可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最大通信速率達(dá)到25Mbps；提供多種總線（兩種并行總線和SPI總線）接口方式，使用W5100不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需進(jìn)行簡單的端口（Socket）編程就可以很方便地與各種單片機(jī)連接。2） 內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層。4） 支持自動MDI/MDIX，自動校正信號極性。6） 支持4個獨(dú)立端口同時運(yùn)行。8） 內(nèi)部16KB存儲器用于數(shù)據(jù)發(fā)送/接受緩存。10）3V工作電壓，I/O口可承受5V電壓。12）環(huán)保無鉛封裝。14）多功能LED信號輸出（TX、RX、全雙工/半雙工、地址沖突、連接、速度等）。l MR（模式寄存器）：該寄存器用于軟件復(fù)位、Ping關(guān)閉模式、PPPOE模式以及間接總線接口。l SUBR(子網(wǎng)掩碼寄存器)： 該寄存器用來設(shè)置子網(wǎng)掩碼(Subnet mask)值。l SIPR(本機(jī)IP地址寄存器)：該寄存器用來設(shè)置本機(jī)IP地址。任何中斷都可以被中斷屏蔽寄存器(IMR)中的位屏蔽。只有當(dāng)所有未屏蔽的中斷位為0時，INT才恢復(fù)高電平。l IMR(中斷屏蔽寄存器)：對應(yīng)IR中斷的屏蔽，當(dāng)對應(yīng)位為“0”則中斷不能產(chǎn)生。每單位100微秒。若重發(fā)次數(shù)超過設(shè)定值則產(chǎn)生超時。l TMSR（發(fā)送存儲空間大小寄存器）：該寄存器配置4個Socket端口的發(fā)送緩存大小，默認(rèn)值為0x55，即每個端口2K緩存。W5100支持PAP和CHAP。每單位約25ms。l UIPR（不可到達(dá)的IP地址寄存器）：不可到達(dá)的IP地址寄存器。 W5100與MCU的連接方式W5100與MCU的連接方式主要有直接總線連接、間接總線連接、SPI總線連接這三種連接方法，不同的連接方法適應(yīng)于不同的場合，應(yīng)該按需選擇最恰當(dāng)?shù)倪B接方式。如圖25所示：圖25：W5100與MCU直接總線接口方式2） 間接總線連接：采用2位地址線，8位數(shù)據(jù)線，另加/CS,/RD,/WR及/INT等信號線。如圖26所示：圖26：W5100與MCU間接總線接口方式間接總線接口相關(guān)的寄存器說明如表27所示：表27：間接總線接口相關(guān)寄存器數(shù)值符號說明0x00MR它選擇間接總線接口，以及地址自動增加。0X010X02IDM_AR0:MSBIDM_AR1:LSB例：讀取端口0的命令寄存器SO_CR(0X0401),則0x01(IDM_AR0)0x02(IDM_AR1)0X040X010x03IDM_DR間接總線接口模式下的數(shù)據(jù)寄存器讀/寫內(nèi)部寄存器或存儲器的過程：l 將要讀寫的地址寫入到IDM_AR0和IDM_AR1寄存器l 再從IDM_DR寄存器讀寫數(shù)據(jù)如果要對某個地址的順序讀寫 ,則可以將模式寄存器MR的AI置“1”,然后執(zhí)行一次上述第1項 后,再讀IDM_DR,IDM_AR的值將自動加1。MCU與W5100以間接總線方式接口時應(yīng)注意：l W5100的SEN引腳必須通過一個10K的電阻接地，選擇W5100的總線接口方式。l W5100的INT引腳是中斷輸出，MCU需要根據(jù)該信號來判斷W5100的工作狀態(tài)。該信號一般需要上拉輸入到MCU。W5100的SPDLED，F(xiàn)DXLED，COLLED可以根據(jù)需要選擇是否需要輸入到MCU[8]。這4個引腳的定義分別為：SCLK，/SS，MOSI，MISO。如圖27所示：圖27：W5100與MCU的SPI連接方式MCU與W5100以SPI方式連接時應(yīng)注意：l W5100的SEN引腳必須通過一個10K的電阻接到高電平，選擇W5100的SPI接口方式。l W5100的INT引腳是中斷輸出，MCU需要根據(jù)該信號來判斷W5100的工作狀態(tài)。該信號一般需要上拉輸入到MCU。第三章 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計與實現(xiàn)本章主要介紹系統(tǒng)的軟件部分的實現(xiàn)方法，包括W5100的編程實驗TCP傳輸與MCU的編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，下面先分開來介紹各個程序的實現(xiàn)方法。 W5100 的初始化利用W5100進(jìn)行數(shù)據(jù)通信前必須先要對它進(jìn)行初始化。l 中斷屏蔽寄存器（IMR）。l 重發(fā)計數(shù)寄存器（RCR）。l 本機(jī)物理地址寄存器（SHAR）。l 本機(jī)IP地址寄存器（SIPR）。初始化程序流程如圖31所示：基本設(shè)置重發(fā)計數(shù)寄存器(RCR)中斷屏蔽寄存器(IMR)模式寄存器(MR)重發(fā)時間寄存器(RTR) 本機(jī)物理地址寄存器(SHAR)網(wǎng)關(guān)地址寄存器(GAR)子網(wǎng)掩碼寄存器(SUBR)本機(jī)IP地址寄存器(SIPR)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息設(shè)置端口存儲器信息圖31：W5100 初始化流程圖W5100初始化與W5100的Socket初始化兩個C語言程序見目錄，此程序在單片機(jī)的C語言編譯器上都可以編譯通過。在簡化的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)OSI模型中，它完成第四層傳輸層所指定的功能。當(dāng)主動方發(fā)出SYN連接請求后，等待對方回答SYN，ACK。第一次握手：建立連接時，客戶端發(fā)送SYN包(SEQ=x)到服務(wù)器，并進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)，等待服務(wù)器確認(rèn)。第三次握手：客戶端收到服務(wù)器的SYN+ACK包，向服務(wù)器發(fā)送確認(rèn)包ACK(ACK=y+1),此包發(fā)送完畢，客戶端和服務(wù)器時入Established狀態(tài)，完成三次握手[10]。TCP有兩種連接方式：一種是服務(wù)器模式（被動開啟），即等待接收連接請求以建立連接；另一種是客戶端模式（主動開啟），即發(fā)送連接請求到服務(wù)器，圖32是W5100 實現(xiàn)TCP通信的示意圖：圖32 ：W5100 實現(xiàn)TCP通信 服務(wù)器模式（SERVER MODE）：采用此模式時，首先要進(jìn)行端口初始化，初始化一個端口需要設(shè)置運(yùn)行模式和端口號，并在端口命令寄存器打開端口。收發(fā)完數(shù)據(jù)后還要斷開連接。二、客戶端模式（client）客戶端模式下的端口要主動發(fā)起連接請求，若成功建立連接則準(zhǔn)備收發(fā)數(shù)據(jù)。過程流程如圖34所示：發(fā)送程序超時？超時？要關(guān)閉端口？超時？最后的ACK？發(fā)送數(shù)據(jù)？收到數(shù)據(jù)？關(guān)閉端口YYYYYYYNN要斷開鏈接？NNTCP工作在客戶端時需要首先進(jìn)行端口初始化。將端口n初始化為TCP模式的具體程序可以參考上面服務(wù)器模式中的初始化程序[11]。是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議。它不需要建立 就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此UDP的數(shù)據(jù)可能丟失，覆蓋或翻轉(zhuǎn)。UDP傳輸數(shù)據(jù)過程流程如圖35所示：開端口 接收程序發(fā)送程序超時？要關(guān)閉端口？最后的ACK？發(fā)送數(shù)據(jù)？收到數(shù)據(jù)？關(guān)閉端口YNNYYYYNN圖 35：UDP數(shù)據(jù)傳輸流程圖 主體程序下面介紹主體程序的設(shè)計方法。一旦W5100的Socket端口有中斷事件產(chǎn)生時，W5100將通過其中斷引腳INT觸發(fā)AT89S52的外部中斷，使AT89S52進(jìn)入外部中斷處理函數(shù)改變外部中斷狀態(tài)標(biāo)志，程序接著進(jìn)入處理W5100中斷事件函數(shù)，在此函數(shù)中，AT89S52通過訪問W5100的中斷寄存器(IR)和端口0中斷寄存器(S0_IR)判斷出W5100的端口0產(chǎn)生何種中斷事件，若Socket接收到數(shù)據(jù)，則改變外部中斷狀態(tài)標(biāo)志。第四章 系統(tǒng)仿真由于硬件上的制約，因此只能用由AT89S52與W5100組成的EVBW5100/MCS51板來演示整個系統(tǒng)的可行性與實際應(yīng)用情況。EVBW5100/MCS51內(nèi)部集成了溫度檢測器和兩個LED控制燈，因此可以把兩個LED看成是對現(xiàn)場需要控制的繼電器的輸入信號，而溫度模塊剛想象成檢測的是監(jiān)控現(xiàn)場的溫度。 EVBW5100/MCS51與PC的連接EVBW5100/MCS51與PC連接主要有以下兩個方案：1. 串行口連接使用標(biāo)準(zhǔn)的RS232電纜線連接EVBW5100/MCS51與PC機(jī)。設(shè)置的內(nèi)容包括：本機(jī)IP；網(wǎng)關(guān)IP；子網(wǎng)掩碼；Socket0的工作模式、端口號、目的IP地址、目的端口地址；Socket1的工件模式、端口號、目的IP地址、目的端口號。2. EVBW5100/MCS51的網(wǎng)絡(luò)連接EVBW5100/MCS51有兩種方法接入網(wǎng)絡(luò)：直接連接；通過交換機(jī)連接。如下圖所示：圖53：EVB與PC網(wǎng)絡(luò)直接連接EVBW5100/MCS51可以同時進(jìn)行串行連接與網(wǎng)絡(luò)連接，這樣不會影響它們的正常使用。 演示軟件測試EVBW5100/MCS51與PC正確連接好后。如設(shè)置的IP地址為：，子網(wǎng)掩碼為：，默認(rèn)網(wǎng)