基于單片機(jī)的嵌入式SNMP代理器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 SNMP體系結(jié)構(gòu)

    SNMP的體系結(jié)構(gòu)（見圖1）以簡(jiǎn)單的查詢/回答模型為基礎(chǔ)，發(fā)送查詢的用戶為管理者，SNMP的服務(wù)器（代理器）回答查詢。

    SNMP在TCP/IP體系中屬于應(yīng)用層協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)SNMP體系，就必須實(shí)現(xiàn)從應(yīng)用層到物理層的所有要用到的協(xié)議，管理器在PC機(jī)上，代理器處于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，代理器駐留在被管理系統(tǒng)的MIB，我們以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)嵌入式代理器，嵌入式代理器要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果有異常情況發(fā)生，通過發(fā)送Trap報(bào)文給管理器，告知網(wǎng)管有異常情況發(fā)生，在報(bào)文中還帶有異常情況的相關(guān)信息，網(wǎng)管可以根據(jù)這一信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，在一些情況下，代理器將數(shù)據(jù)保存起來，以備管理器的查詢。

2 嵌入式代理器的硬件實(shí)現(xiàn)

    我們?cè)O(shè)計(jì)的基于SNMP的控制系統(tǒng)原理見圖2。

    控制現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)采集由A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并且執(zhí)行SNMP代理器的任務(wù)，硬件部分主要包括A/D、串口、以太網(wǎng)、小邏輯、單片機(jī)、監(jiān)控信號(hào)采集、電源及監(jiān)控等模塊，本文著重介紹與嵌入式SNMP代理器密切相關(guān)的部分。

2.1 串口模塊

    單片機(jī)使用的是TTL電平，而RS-23協(xié)議所使用的電平不同，所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，通過MAX232實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

2.2 A/D模塊

    A/D模塊主要負(fù)責(zé)采集外部監(jiān)控信號(hào)，采用AD0809可以采集8個(gè)通道的數(shù)據(jù)，信號(hào)變化的動(dòng)態(tài)范圍并不大，利用這一特點(diǎn)，合理設(shè)置參考電壓，可以提高分辨率，從而用低廉的器件實(shí)現(xiàn)很好的性能，ADC0809的兩個(gè)參考電壓都可以通過電位器調(diào)節(jié)，為了保證系統(tǒng)的精度，參考電壓必須穩(wěn)定，為此采用MAXIM的MAX875作為參考電壓源。另外需要注意的是：輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓經(jīng)過電位器的分壓，為了使參考電壓穩(wěn)定，必須選用高精度、高穩(wěn)定性的電位器。

2.3 以太網(wǎng)模塊

    以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的通信，采用RealTek的RTL8019芯片實(shí)現(xiàn)。

    RTL8919A（見圖3）有3種工作方式：跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由跳線決定；即插即用方式，由軟件進(jìn)行自動(dòng)配置plug and play；免跳線方式，網(wǎng)卡的I/O和中斷由外接的93C46中的內(nèi)容決定。

    RTL8019AS的引腳65（JP）決定了網(wǎng)卡的工作方式，引腳65腳（JP）是輸入引腳，當(dāng)引腳65為低電平時(shí)，8019工作在即插即用方式或免跳線方式，具體由93C46中的內(nèi)容決定，在嵌入式應(yīng)用中如果可以不使用93C46，則可以降低成本，同時(shí)減少連線，我們把引腳65接高電平（VCC），使用跳線方式。那么，網(wǎng)卡的I/O和中斷就不是由93C46的內(nèi)容決定，這是不需要使用93C46。

    引腳64（AUI）決定使用AUI還是BNC接口。BNC接口方式支持8線雙絞線或同軸電纜。高電平時(shí)使用AUI接口；懸空為低電平，使用BNC接口。我們一般使用BNC，將該引腳懸空。
網(wǎng)絡(luò)接口類型由引腳74（PL0）、引腳77（PL1）決定。將PL0、PL1懸空，選擇自動(dòng)檢測(cè)模式，芯片自動(dòng)檢測(cè)接口類型是用同軸電纜或雙絞線，然后進(jìn)行工作。

    RTL89的IOCS16是16位I/O的選擇引腳。當(dāng)網(wǎng)卡上電復(fù)位時(shí)，該引腳為網(wǎng)卡的輸入，如果該引腳為高電平，網(wǎng)卡將選擇16位的模式，如果該引腳為低電平，網(wǎng)卡將選擇8位模式，51單片機(jī)是8位數(shù)據(jù)，所以用電阻R10下拉，因此在復(fù)位時(shí)該引腳為低電平，網(wǎng)卡選擇8位模式。

    AD0-AD7是網(wǎng)卡的8位數(shù)據(jù)總線，接單片機(jī)的P0口，RESDRV（引腳33（RESET））接單片機(jī)的T0（P3.4），單片機(jī)用P3.4來復(fù)位網(wǎng)卡。IRQ9接單片機(jī)的INT0（P3.2），IRQ9是網(wǎng)卡的中斷9，接到單片機(jī)的中斷0上，IOR，IOW接到單片機(jī)的P3.6，P3.7（/WR，/R）。

2.4 小邏輯模塊

    小邏輯模塊主要實(shí)現(xiàn)一些邏輯功能，A/D的時(shí)鐘由單片機(jī)的ALE信號(hào)8分頻，各個(gè)外部器件的片選功能都由小邏輯模塊實(shí)現(xiàn)，雖然功能不復(fù)雜，如果用小邏輯器件實(shí)現(xiàn)，就需要較多的器件，器件利用率低，在電路板上占據(jù)較大的空間，與要求體積小的嵌入式應(yīng)用相矛盾。采用可編程邏輯器件可以解決這些問題。

2.5 單片機(jī)模塊

    單片機(jī)模塊由單片機(jī)以及復(fù)位和看門狗電路、外部擴(kuò)展RAM、時(shí)鐘電路等外圍電路構(gòu)成，看門狗電路可以提高現(xiàn)場(chǎng)惡劣條件的干擾，當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾使得單片記的程序跑飛，看門狗沒有喂狗信號(hào)，看門狗電路將單片機(jī)和RTL8019復(fù)位，重新開始運(yùn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    由于SNMP的編解碼需要占用很多CPU時(shí)間，并且在單片機(jī)上還要實(shí)現(xiàn)A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換、以太網(wǎng)通信、串口通信等功能，這就使得協(xié)調(diào)各個(gè)功能非常困難，因此，我們選用Micro-C/OS51作為單片機(jī)的操作系統(tǒng)，Micro-C/OS51是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Micro-C/ OS在51單片機(jī)上的移植代碼，實(shí)時(shí)系統(tǒng)能夠很好地提高CPU的效率，并且是多任務(wù)系統(tǒng)，能夠協(xié)調(diào)多個(gè)任務(wù)，我們將單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能分為人機(jī)交互任務(wù)、A/D處理任務(wù)和SNMP處理任務(wù)。
 
3.1 人機(jī)交互任務(wù)

    人機(jī)交互任務(wù)是通過單片機(jī)的串口來實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，用戶通過串口電纜將PC機(jī)與單片機(jī)的串口連接，通過PC機(jī)的超級(jí)終端可以使用命令行的方式對(duì)代理器的有關(guān)參數(shù)（網(wǎng)關(guān)地址、主機(jī)地址等）進(jìn)行配置，還可以察看相關(guān)的運(yùn)行信息，主要的命令行有：

Host 配置本機(jī)IP地址

Gateway 配置網(wǎng)關(guān)地址

Mask 配置子網(wǎng)掩碼

Snmphost 配置SNMP管理器IP地址

Macadr 配置本機(jī)物理地址

ping 可以用這個(gè)命令來檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)鏈路

clear 清除電話顯示屏的內(nèi)容

    人機(jī)交互任務(wù)實(shí)現(xiàn)的主要思路就是單片機(jī)接收用戶鍵盤輸入的字符存入命令緩沖區(qū)，并回顯到屏幕，當(dāng)用戶按下回車鍵，觸發(fā)軟件狀態(tài)機(jī)狀態(tài)變遷，從輸入態(tài)轉(zhuǎn)移到命令解釋態(tài)，然后根據(jù)用戶命令調(diào)用相關(guān)子程序執(zhí)行相關(guān)操作，執(zhí)行完畢后重新回到輸入態(tài)。

    人機(jī)交互程序由詞表、取詞子程序、狀態(tài)機(jī)框架程序（輸入回顯和命令解釋執(zhí)行）命令相關(guān)子程序組成，詞表就是命令語句的集合，取詞子程序從命令行語句中提取單詞并存入詞表，同時(shí)進(jìn)行匹配檢查和詞法分析，輸入回顯程序循環(huán)檢查用戶鍵盤輸入，命令解釋程序調(diào)用取詞子程序分析用戶命令行輸入，根據(jù)詞表第1個(gè)單詞在散轉(zhuǎn)表中的位置調(diào)用相應(yīng)執(zhí)行子程序處理命令，命令解釋程序向相應(yīng)的命令相關(guān)子程序傳入詞表指針，具體執(zhí)行由用戶自行決定，由命令相關(guān)資程序返回后重新回到命令輸入態(tài)，完成一次輸入執(zhí)行全過程，此過程周而復(fù)始地循環(huán)執(zhí)行。

3.2 A/D處理任務(wù)

    A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果有3種方式：

    a）采用中斷方式，讀取數(shù)據(jù)及時(shí)，同時(shí)頻繁的中斷處理增加了CPU的負(fù)擔(dān)。

    b）查詢方式，造成CPU時(shí)間的浪費(fèi)，大大地降低了CPU效率；

    c）等待方式，看起來沒有優(yōu)點(diǎn)，但是在UC/OS51操作系統(tǒng)中，到任務(wù)調(diào)度的一個(gè)很重要的思想就是延時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行一段時(shí)間后，再延時(shí)一段時(shí)間，以便低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)執(zhí)行，這樣將等待的時(shí)刻放到A/D處理任務(wù)的延時(shí)時(shí)刻，可以起到一舉多得的作用，我們正是采用這種方式。

3.3 SNMP處理任務(wù)

    當(dāng)接收到UDP數(shù)據(jù)包、處理UDP報(bào)頭后，由函數(shù)udp_recv（）處理SNMP數(shù)據(jù)包。其基本思想是：解碼SNMP消息，如果解碼正確，判斷該Community（共同體）是否具有進(jìn)行所請(qǐng)求操作的權(quán)限，如果沒有權(quán)限，則拋棄該報(bào)文，并且給管理器發(fā)送Trap報(bào)文。如果權(quán)限正確，則從代理器上的MIB表中查找所請(qǐng)求的對(duì)象。找到后，執(zhí)行相應(yīng)操作，同時(shí)生成響應(yīng)報(bào)文。然后進(jìn)行SNMP編碼，如果編碼無誤，則將這個(gè)SNMP報(bào)文交給上一層協(xié)議處理，SNMP處理流程見圖4。

    在SNMP處理過程中，SNMP的編碼和解碼非常關(guān)鍵，以解碼為例來說明，解碼出SNMP報(bào)文使用SNMP的版本號(hào)，報(bào)文所使用的共同體號(hào)，版本號(hào)，表明了報(bào)文使用SNMP的版本，如果管理器與代理器使用協(xié)議的版本不同，將不能正常通信，共同體相當(dāng)于密鑰，只有有了密鑰的管理器才能夠訪問代理器，否則，代理器不予響應(yīng)，PDU解碼出管器所要訪問的對(duì)象，SNMP解碼的流程圖見圖5。

    流程圖中的snmpDec（）函數(shù)解碼SNMP函數(shù)報(bào)文，將有用的信息提取出來，MibRequest（）函數(shù)的作用是將駐留在嵌入式SNMP代理器中的MIB中查找解碼出來的OID（對(duì)象標(biāo)識(shí)符），查找到OID后，同時(shí)獲得了這個(gè)對(duì)象的信息，編碼同時(shí)開始進(jìn)行，MibCmpObjId（）函數(shù)的作用是采用比較的方式查找表項(xiàng)。SnmpEnc（）函數(shù)將得到的響應(yīng)報(bào)文按SNMP的編碼規(guī)則編碼成SNMP報(bào)文。make_udp（）函數(shù)將SNMP報(bào)文封裝在UDP報(bào)文中。再經(jīng)過IP協(xié)議封裝，以太網(wǎng)協(xié)議封裝后，就可以通過以太網(wǎng)傳輸。

4 結(jié)束語

    我們將該系統(tǒng)用于光無線通信的網(wǎng)絡(luò)管理與監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過使用后發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控光無線通信系統(tǒng)的運(yùn)行，由于采用Internet傳送數(shù)據(jù)，所以傳輸距離不受限制，SNMP是應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議及實(shí)現(xiàn)嵌入式SNMP代理器，可以使光無線通信系統(tǒng)的管理很方便地加入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，由于采用廉價(jià)的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)嵌入式SNMP代理器，主要的協(xié)議處理由軟件實(shí)現(xiàn)，成本很低。