嵌入式Internet技術(shù)應用

摘要：主要從嵌入式Internet技術(shù)的應用出發(fā)，說明這種技術(shù)成本低廉，極具推廣價值；介紹幾種實用電路模塊的結(jié)構(gòu)特點及使用情況。

關(guān)鍵詞：Internet 網(wǎng)關(guān)（Gateway） TCP/IP協(xié)議 Webchip PSM2000ACD網(wǎng)絡模塊 IP2022網(wǎng)絡連通處理器

當今社會逐漸步入網(wǎng)絡時代，Internet已成功重要的基礎信息設施。這方面的技術(shù)進步對于社會的各個方面產(chǎn)生了積極影響，很多領域都在不斷探索開發(fā)和利用網(wǎng)絡的潛力。目前，大部分網(wǎng)絡終端仍以PC的形式出現(xiàn)，但是從計算機應用普及情況看，嵌入式系統(tǒng)也是一個不可忽視的方面。近20年來，PC機CPU的產(chǎn)品僅是MCU的1%，并且由于MCU的成本低廉，應用非常普及。在工業(yè)測探系統(tǒng)、智能儀器、安防系統(tǒng)、智能家電和信息家電等領域，MCU應用系統(tǒng)已經(jīng)無處不在。在這些場合中，以MCU為核心的設備同樣也需要解決接入Internet網(wǎng)的問題。如果MCU應用系統(tǒng)能夠連接到Internet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到世界的任何一個地方。我們將嵌入式設備與Internet的結(jié)合稱為嵌入式Internet技術(shù)，它代表著網(wǎng)絡技術(shù)的未來。

目前一些生產(chǎn)廠家，也在積極探討利用MCU實現(xiàn)嵌入式上網(wǎng)的途徑；而實現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵在于如何利用現(xiàn)有資源實現(xiàn)TCP/IP等協(xié)議處理。各種通信協(xié)議對于計算機存儲器、運算速度等的要求比較高，而嵌入式系統(tǒng)中，除部分32位處理器以外，大量存在的是8位和16位MCU，TCP/IP等Internet協(xié)議將占用大量系統(tǒng)資源，因此實現(xiàn)嵌入式上網(wǎng)存在比較大的困難。面對這些處理速度、機器位數(shù)、容量等指標稍差的MCU，如何解決它們接入Internet網(wǎng)問題正成為當前的重要課題。本文將介紹目前幾種新型的嵌入式上網(wǎng)電路、模塊的結(jié)構(gòu)和特點。

1 PSM2000ACD網(wǎng)絡模塊

PSM2000ACD是由力源公司開發(fā)的網(wǎng)絡接口模塊，可以實現(xiàn)MCU系統(tǒng)與基于PC平臺的網(wǎng)關(guān)（Gateway）接口。這個模塊電路內(nèi)部包含網(wǎng)絡通信（Gateway）接口。這個模塊電路內(nèi)部包含網(wǎng)絡式調(diào)制解調(diào)器模塊，及1個外接標準調(diào)制解調(diào)器接口，如圖1所示。其中PS2000是Webchip接口電路，它與MCU系統(tǒng)交換信息通過17條指令完成，與MCU系統(tǒng)的軟件接口比較方便；同時，它的內(nèi)部駐留網(wǎng)絡協(xié)議解釋和編譯程序，與基于PC機網(wǎng)關(guān)通信時負責對于網(wǎng)絡協(xié)議進行必要的規(guī)范和解釋，而PC機網(wǎng)關(guān)能夠提供HTTP服務，可以與計算機瀏覽器接口。PS2000這種Webchip接口電路的結(jié)構(gòu)和原理已有詳細介紹，見參考文獻[4]，這里不再重復。

PSM2000ACD主要用于智能設備的網(wǎng)絡接口，一方面用1個標準串行外圍接口與用戶單片機應用系統(tǒng)連接；另一方面與PC平臺連接有多種選擇，即可用RS-232、RS-485接口，或者采用調(diào)制解調(diào)器。MCU應用系統(tǒng)通過PSM2000ACD模塊連接上網(wǎng)十分方便。圖2為其典型連接方法。其中DS2401集成電路為專用電子標簽接口，作為設備的唯一標識。MCU應用系統(tǒng)與PSM2000ACD的連接，既可以滿足點-點通信或者點-多點通信的要求，也能實現(xiàn)遠/近程通信的要求，結(jié)構(gòu)比較簡單，另外，由于它的內(nèi)部駐留網(wǎng)絡協(xié)議解釋和編譯程序，系統(tǒng)設計人員不必熟悉網(wǎng)絡協(xié)議，將這個模塊作為一個“灰匣子”處理即可，使得開發(fā)和應用工作周期縮短，成本也比較低。

使用Webchip進行網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的步驟是：

（1）建立MCU系統(tǒng)中需要控制的對象，并確定其中需要通過Internet進行遠程控制的對象；

（2）建立MCU系統(tǒng)變量表（VAR-TABLE）；

（3）建立MCU系統(tǒng)狀態(tài)性能表（CAP-TABLE）；

（4）MCU解釋并執(zhí)行Webchip傳送來的命令。

當建立了系統(tǒng)變量表（VAR-TABLE）和系統(tǒng)狀態(tài)性能表（CAP-TABLE）后，通過Webchip的連接，在網(wǎng)關(guān)（Gateway）和MCU系統(tǒng)之間建立起面向?qū)ο蟮目刂?，即Gateway與MCU的通信是通過變量表和狀態(tài)性能表進行的。MCU是通過Webchip與Gateway建立聯(lián)系，實現(xiàn)MCU與Internet的連接。一旦建立起連接后通過Internet進行遠程監(jiān)測或控制都成為可能。在這種連接中，必須遵守一種“主-從”關(guān)系，保證它們之間可靠的工作，即按照下述原則：

（1）高級別的設備可以主動向低級別的設備發(fā)送命令、數(shù)據(jù)和請求，拒絕低級別的設備一切主運信號。

（2）低級別的設備只能被動接受高級別的設備發(fā)送命令、數(shù)據(jù)和回答請求，不能主動向高級別的設備發(fā)送信號。

由前面介紹中可以看到，這種形式是將多個MCU通過PSM2000ACD模塊與1臺PC Gateway相連后再與Internet連接，需要利用PC機網(wǎng)關(guān)提供的HTTP服務，不能直接將MCU與Internet連接。這是這種形式的一個弊端。

2 IP2022網(wǎng)絡連通處理器

IP2022是Ubicom公司的產(chǎn)品。它是一種處理速度很快的單片機，可以實現(xiàn)實時多任務操作，不依賴PC機可直接接入Internet的應用方案。它能實現(xiàn)軟件模塊形式的外設、通信和控制功能，這種形式比傳統(tǒng)硬件提供更大的系統(tǒng)設計靈活性。它還提供TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議堆棧，并開發(fā)一系列端到端連接方案所必需的軟件。

圖3為IP2022組成框圖。根據(jù)圖3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明如下：

（1）CPU特性

IP2022是基于RISC結(jié)構(gòu)的，指令速率可達到100MIPS，大多數(shù)指令為單周期指令，因此它能夠執(zhí)行虛擬軟件模塊直接驅(qū)動普通I/O口實現(xiàn)硬件外設功能，如UART、I2C、SPI、FSK等。它的內(nèi)部有16級硬件椎棧，提供高性能的子程序連接。

（2）片內(nèi)存儲器情況

IP2022的內(nèi)部有64KB（32K×16）的Flash程序存儲器，還有16KB（8K×16）的（程序/數(shù)據(jù)）RAM。由于程序存儲器為閃速Flash存儲器，所以這還具有自我編程的能力，即自身讀、寫和擦除指令。存儲器內(nèi)軟件實現(xiàn)的協(xié)議處理可以在不改變硬件的情況下，通過改變內(nèi)置程序使整個系統(tǒng)能升級。

（3）其他硬件資源

包含8/16位并行接口、8個通道的10位A/D、PLL時鐘乘法器、定時器等等。

此外介紹Ubicom有關(guān)軟件的情況。Ubicom的軟件開發(fā)環(huán)境包括編輯器、匯編程序、調(diào)試程序、仿真器和編程工具?，F(xiàn)在的ipModules庫（預創(chuàng)建軟件模塊）有：

ipOS-操作系統(tǒng)；

ipStack-TCP/IP椎棧；

ipWeb-Web Server；

ipFile-文件系統(tǒng)；

ipIO-MII，I2C，SPI，UART。

由于IP2022屬于速度比較高的一類單片機，可以實現(xiàn)多任務的操作，即MCU在完成數(shù)據(jù)采集或控制的同時把數(shù)據(jù)打包發(fā)送到Internet，這是它的顯著優(yōu)點。此外，這個系統(tǒng)所需要的外圍器件少，系統(tǒng)成本不高，加上片內(nèi)還包含存儲器、A/D、串行I/O口等硬件資源供用戶使用，這些配置可以應用到很多場合中。由于這個系統(tǒng)還能提供用于Internet處理的軟件模塊，開發(fā)周期也可以大大縮短。

（4）IP2022應用情況

目前，IP2022通信系統(tǒng)產(chǎn)品還是采用評估套件的形式提供給用戶使用。同時也有相應軟件模塊提供給用戶使用，這些軟件模塊主要存儲在內(nèi)速存儲器，它可以進行加載和調(diào)整，使用的靈活性比較好。由于應用在不同的場合，產(chǎn)品有兩種基本形式：一種是以太網(wǎng)協(xié)議堆棧評估套件，另一種是Internet協(xié)議堆棧評估套件。

基于以太網(wǎng)協(xié)議的堆棧套件是按照通信控制器要求配置的。它支持包括TCP、UDP、IP、ICMP、DHCP、ARP、HTTP和STMP在內(nèi)的協(xié)議，主要是供給有一定應用經(jīng)驗的用戶接入以太網(wǎng)。這種套件包括完整的網(wǎng)絡服務器（web server）和電子郵件（email）應用，使之能夠?qū)崿F(xiàn)HTTP（超文本傳送協(xié)議）和SMTP（簡單郵政協(xié)議）應用協(xié)議。ARP協(xié)議（地址確定協(xié)議）和DHCP協(xié)議（動態(tài)主機控制協(xié)議）則是用于處理地址以適應特定的以太網(wǎng)環(huán)境的。這種通信控制器具有系統(tǒng)自身修改程序的能力，當能這還需要另外購置專用的設計工具進行加載和程序重調(diào)。

另一種是適應Internet協(xié)議的堆棧評估套件。它也是按照通信控制器要求配置的標準Internet協(xié)議層組合物，支持包括PPP、TCP/IP、HTTP、STMP和POP3在內(nèi)的Internet協(xié)議，供給有一定應用經(jīng)驗的用戶接入Internet。套件也包括了網(wǎng)絡服務器和電子郵件應用這種具體應用形式，前者是實現(xiàn)超文本傳送協(xié)議（HTTP）和實現(xiàn)與網(wǎng)絡瀏覽器通信；后者提供在應用層的SMTP和POP3協(xié)議的電子郵件應用。這兩種具體應用形式可以在不改變電路結(jié)構(gòu)的情況下進行軟件重新裝配。

在實際的（Internet協(xié)議堆棧）應用板上包括以下的基本部件：

通信控制器-P2022；

擴展存儲器-用于存儲網(wǎng)頁內(nèi)容的存儲器；

2個DB-的串行連接器，1個接MODEM、1個作為調(diào)試接口；

另外還有時鐘電路、LED顯示器、復位按鈕和直流電源插頭。

在應用板上裝有相應的Internet協(xié)議，它通過DB-9串行連接器接一個MODEM就可以與遠程的PC通信。一旦建立了撥號上網(wǎng)連接之后，在遠程的PC瀏覽器就能夠觀察到應用板上存儲器內(nèi)保存的網(wǎng)頁內(nèi)容。

3 其他同類型器件模塊

除上述電話外，目前也出現(xiàn)了一部分比較新的電路和軟件，限于篇幅只能簡要介紹它們的主要特性。

（1）EM2000系列以太網(wǎng)模型路由器

由單片機實現(xiàn)的微型路由器，支持RS-232、RS-485、CAN Bus設備和以太網(wǎng)的連接并實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議到用戶網(wǎng)絡協(xié)議的轉(zhuǎn)換。可以使用戶現(xiàn)有的設備非常容易連接到以太網(wǎng)，從而縮短用戶的產(chǎn)品開發(fā)時間；可以快速將用戶原有的設備連入到因特網(wǎng)（見參考文獻[5]）。

（2）Nport Express

具備1個RS-232/422/485三合一串口和1個10/100Mbps的TCP/IP網(wǎng)絡連接，可讓串口設備立即連接網(wǎng)絡。Express體積只有香煙盒大小，模塊只有信用卡大小，容易集成在系統(tǒng)或設備內(nèi)。它還提供完整的Windows2000/NT/95/98/ME、Linux、UNIX的程序和TCP/IP Socket工具，使系統(tǒng)開發(fā)者無須更改現(xiàn)有的應用軟件或程序，即可如同使用COM口一樣，透過網(wǎng)絡直接控管RS-232/422/485設備，保障現(xiàn)有的軟件投資。此外，串口通信應用開發(fā)工具軟件及函數(shù)庫和完整的監(jiān)控程序，使串口通信應用程序的開發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)控更為簡單（見參考文獻[6]）。

（3）RABBIT2000微處理器、TCP/IP開發(fā)工具包

提供1個帶有8位高性能微處理器的工具平臺和動態(tài)C語言軟件開發(fā)包。該工具是開發(fā)加強型10 M-BASE以太網(wǎng)應用中必不可少的。RABBIT2000微處理器可以進行直接軟件開發(fā)，用戶程序由動態(tài)C語言創(chuàng)建，軟件開發(fā)環(huán)境包括編輯程序、編譯程序和調(diào)試程序。程序的編譯和執(zhí)行可通過動態(tài)C語言和編程電纜來實現(xiàn)，而無需電路仿真程序。使用RABBIT2000微處理器工具包內(nèi)的開發(fā)板，可以直接評估開發(fā)TCP/IP應用，執(zhí)行碼可下載到內(nèi)存或SRAM中。該工具包還提供TCP/IP協(xié)議的全部源代碼（見參數(shù)文獻[7]）。

目前嵌入式Internet應用還屬于起步階段，有很多工作需要我們不斷開拓，包括電路研究和應用開發(fā)都需要投入大量工作。但可以肯定的是，不久的將來在這方面是一定會有比較大的變化的。