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目前，世界各地廣泛在使用的還是 IPv4 網(wǎng)絡(luò )，IPv6 網(wǎng)絡(luò )還只是停留在一些地方局部的試用;同時(shí)IPv6 強大的網(wǎng)絡(luò )功能，對嵌入式系統、智能芯片等軟硬件的要求也相對較高。所以基于IPv6 協(xié)議的嵌入式Internet 系統的研究與應用并沒(méi)有為大多數人所關(guān)注。但是，隨著(zhù)的IPv4 協(xié)議漸漸被IPv6 協(xié)議所取代;隨著(zhù)嵌入式Internet 系統的不斷自我完善;隨著(zhù)微控制芯片的迅猛發(fā)展�；贗Pv6 協(xié)議的嵌入式Internet 系統將會(huì )成為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的新的發(fā)展和研究方向。 1． 嵌入式 Internet 系統 嵌入式微處理器作為一種智能器件已經(jīng)給工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大變化，隨著(zhù)控制精度、智能化程度等要求的提高，嵌入式微處理器完成任務(wù)也越來(lái)越多，其軟件實(shí)現的功能也越來(lái)越復雜，單一任務(wù)的軟件結構也隨之變?yōu)槎嗳蝿?wù)的。所謂嵌入式Internet 系統，就是普通的嵌入式系統具備了Internet 互聯(lián)功能，它能夠方便地連接到Internet 上，實(shí)現信息在互聯(lián)網(wǎng)上的傳遞。早在1999 年6 月，中國計算機學(xué)會(huì )(China Computer Federation)舉行的“嵌入式系統及產(chǎn)業(yè)化在中國的發(fā)展前景”研討會(huì )中，專(zhuān)家們曾探討了嵌入式系統在當今計算機工業(yè)中的地位及其網(wǎng)絡(luò )化問(wèn)題，并一致認為Internet 正由傳統的PC 為中心的應用轉向以嵌入式設備為中心的應用。同時(shí)網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)家也預測，將來(lái)Internet 上傳輸的信息將有70%來(lái)自于小型嵌入式系統。 今天，越來(lái)越多的消費型產(chǎn)品具有了Internet 特性。我們身邊己經(jīng)有了可以自動(dòng)撥號進(jìn)入Internet 獲取音像資料的DVD 播放機、有了可以查看股票信息的網(wǎng)絡(luò )冰箱、還有GPS(全球定位系統)等各種各樣的嵌入式Internet 系統。 2． 系統的硬件設計 網(wǎng)絡(luò )化數據采集系統，是利用嵌入式Internet 系統的透明接入技術(shù)來(lái)實(shí)現數據采集的網(wǎng)絡(luò )化，它是由單片機系統、LED 顯示控制器、A/D 和D/A 轉換器、以太網(wǎng)絡(luò )控制器等幾部分組成，其硬件結構框圖如圖1 所示。 2.1 主控制器的擴展 系統的設計中，主控制器采用了 ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89C55 微處理器。設計中把P0口用作數據16 位地址的低位地址復用口，P2 口用作16 位地址的高位地址，P1 口的P1. 0 用作以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS 的復位信號輸入端，P1. 1, P1. 2 分別模擬IZC 總線(xiàn)用作EEPROM 數據存儲器的時(shí)鐘信號和數據輸入輸出線(xiàn)。引腳12(INTO)用來(lái)對以太網(wǎng)控制器RTL8019AS 的中斷請求作響應。 74LS373 用作P0 口分時(shí)復用的16 位低位地址鎖存器。外部數據存儲器62256 內含32K的8 位存儲單元，其片選引腳CS (20)接單片機的A15。62256 內部存儲器尋址通過(guò)單片機的低15 位地址線(xiàn)AO^}A14。所以外部數據存儲器62256 的單片機尋址范圍為0000"7FFF。 AT89C55 沒(méi)有I2C 總線(xiàn)接口，所以只能用單片機虛擬I2C 總線(xiàn)方式工作，由于總線(xiàn)上只有一個(gè)單片機作為主節點(diǎn)，因此系統設計為單主方式下的虛擬I2C 總線(xiàn)。在這種方式下，虛擬I2C 總線(xiàn)只有主發(fā)送和主接收兩種操作， AT24C02 的寫(xiě)讀程序如下： ① 寫(xiě) AT24C02 子程序AT24C02_ W NUMBYT:被傳送字節數N 的存放單元、NUM:被傳送字節數N, SUBADR:AT24C02 中要存放的數據首地址、VSDA:虛擬總線(xiàn)的數據線(xiàn)、VSCL:虛擬總線(xiàn)的時(shí)鐘線(xiàn)、SLAW:寫(xiě)尋址 字節、MTD:發(fā)送數據緩沖區首地址。 AT24C02_W: NUMBYT. #NUM ;將被傳送的字節數N 寫(xiě)入NUMBYT 中MOV SLA. #SLAW ;寫(xiě)地址送到SLA 中LCALL WRNBYT ;調用N 字節的寫(xiě)入子程序RET ② 讀 AT24C02 子程序AT24C02_ R。 AT24C02 的指點(diǎn)地址的讀和它的寫(xiě)有些不同，指點(diǎn)地址的讀是要求在指定的字地址讀出一個(gè)字節數據的操作，由于是要在指定的資地址，所以要先寫(xiě)一個(gè)字地址，然后重復起始狀態(tài)，讀入一個(gè)數據字節。 AT24C02 R:MOV MTD. SUBADR :將數據首地址送到發(fā)送數據緩沖區 MOV SLA. #SLAW :將寫(xiě)地址送到SLA 中 MOV NUMBYT，#1 LCALL WRNBYT ；調用N 字節的寫(xiě)入程序 MOV SLA，#SLAR ；將讀地址送到SLA 中 MOV NUMBYT， #NUM ；從AT24C02 中讀出子程序 RET 2.2 SAA1064 LED 驅動(dòng)控制器 SAA1064 是PHILIPS 公司生產(chǎn)的I2C 總線(xiàn)接口的LED 驅動(dòng)控制器件，它為雙極型集成電路，有2X8 位輸出驅動(dòng)接口，可靜態(tài)驅動(dòng)2 位8 段LED 顯示器或動(dòng)態(tài)4 位8 段LED 顯示器。AT89C55 的P1 口的P1. 1 和P1. 2 引腳模擬I2C 總線(xiàn)與SAA1064 的SCL 和SDA 連接，P1"P8, P9"P16 分別各自連接兩個(gè)數碼管的abcdefgh 端，CEXT 外接2. 7nF 電容，模擬引腳地址端ADR 引腳接地，器件可讀地址為SLAR=71H，可寫(xiě)地址為SLAW=70H。 SAA1064 除了具有LED 驅動(dòng)控制的寫(xiě)操作外，還有可以反映系統上電標志的讀操作，但是，由于在本論文中只需用到SAA1064 的顯示驅動(dòng)控制功能，所以這里只討論其寫(xiě)入操作。SAA1064 的寫(xiě)入數據操作格式為： SLAW +SUBADR +COM +data 1+data2+data3+data4 其中SUBADR 為SAA1064 片內地址單元首地址，COM 為SAA1064 的控制命令，datal"data4 為動(dòng)態(tài)顯示方式的4 個(gè)LED 的共陰極段選碼。 2.3 系統A/D 和D/A 轉換 PCF8591 是PHILIPS 公司生產(chǎn)的具有I2c 總線(xiàn)接口的8 位A/D 和D/A 轉換器。器件由單一的電源供電，COMS 工藝;有4 路A/D 轉換模擬輸入、1 路D/A 轉換輸出;A/D 轉換為逐次比較型;輸入輸出部分有采樣/保持電路;最大的轉換速率與I2c 總線(xiàn)傳輸率有關(guān);A/D 和D/A轉換的基準電源由外部供給。PCF8591 也是采用典型的I2c 總線(xiàn)接口器件尋址方式。器件的地址為1001f 引腳地址為A2AlA0，方向位為R/W，因此它的器件地址及尋址字節為1001A2A1A0R/W。 AT89C55 的P1 口的P1. 1 和P1. 2 引腳模擬I2c 總線(xiàn)與PCF8591 的SCL 和SDA 連接，PCF8591 使用內部時(shí)鐘電路，所以EXT 引腳接地，OSC 作為內部時(shí)鐘輸出端懸空，將A2, A1和AO 三個(gè)引腳接地，所以器件可讀地址為SLAR=91H，可寫(xiě)地址為SLAW=90H。 PCF8951 的DAC 數據操作程序代碼如下： DAC 數據操作程序 PCF8951_ DAC: MOV MTD, #COM ;PCF8951 控制命令COM 入MTD MOV R0, #MTD INC RO MOV @R0, A;D/A 轉換數據入MTD + 1 MOV SLA, #SLAW;指向PCF8951 節點(diǎn)寫(xiě)地址 MOV NUMBYT, #2;寫(xiě)入兩個(gè)字節COM 和A LCALL WRNBYT RET 2.4 以太網(wǎng)芯片的擴展 本系統網(wǎng)絡(luò )芯片使用的是RTL8019AS芯片，RTL8019AS是臺灣REALTEK公司生產(chǎn)ISA接口的通用以太網(wǎng)控制器。RTL8019AS 的硬件連接主要涉及三部分:第一部分是RTL8019AS工作模式及相關(guān)配置，其配置包括:RTL8019AS 的工作方式選擇、總線(xiàn)方式、I/0 基址設置、中斷線(xiàn)選擇、傳輸介質(zhì)選擇、BROM(自舉程序存儲器)的容量和基址設置。第二部分是與MCU 的連接。第三部分是傳輸介質(zhì)的連接，其電路圖如圖2 所示。 3． 系統軟件設計 網(wǎng)絡(luò )化數據采集系統的軟件部分設計，大體可分為三個(gè)部分:底層以太網(wǎng)數據的收發(fā)、TCP/IPv6 協(xié)議功能的實(shí)現，以及用戶(hù)應用軟件的實(shí)現。其中，在用戶(hù)應用軟件部分的設計中主要是采用的是匯編語(yǔ)言來(lái)描述的，它主要完成數據采集系統的采集參數設置、數據的采集、數據的保存，以及數據的顯示等，系統軟件部分三個(gè)模塊之間的關(guān)系結構圖如圖3 所示。 在網(wǎng)絡(luò )化數據采集系統的設計中，底層網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)采用的是以太網(wǎng)為物理媒介，在Internet 的通明傳輸中采用的是TCP/IPv6 為通信協(xié)議來(lái)搭建的。系統在測控的局域網(wǎng)中，通過(guò)使用一臺路由器來(lái)實(shí)現與外部Internet 的連接。這樣做，一來(lái)保證了內部測量?jì)x器、傳感器等電子設備的安全性，對外部的訪(fǎng)問(wèn)可以進(jìn)行過(guò)濾，防止了來(lái)自因特網(wǎng)的惡意破壞;二來(lái)，在網(wǎng)絡(luò )通訊中的許多繁雜的工作不需要在現場(chǎng)設備端實(shí)現，現場(chǎng)設備的TCP/IPv6 協(xié)議棧設計的工作量可大大降低。一般只要實(shí)現基本的IPv6, ICMPv6 和UDP 就可以工作了。 此外，數據采集系統與遠方控制站之間的通訊采用了客戶(hù)/服務(wù)器模型，即數據采集系統為服務(wù)器，控制站為客戶(hù)機�？蛻�(hù)機向服務(wù)器發(fā)送數據傳送請求、采集系統的參數設置等;服務(wù)器根據客戶(hù)機的請求提供一些特定的服務(wù)，比如返回數據、某端口狀態(tài)等，網(wǎng)絡(luò )數據采集流程如圖4 所示。 4． 總結 本文創(chuàng )新點(diǎn)：在 8 位嵌入式系統中實(shí)現IPv6 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)。Internet 的IPv6 網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議目前還是一個(gè)比較新鮮的事物，并不為多數人所知，嵌入式系統在這幾年的快速成長(cháng)后，已成為時(shí)代的新寵，雖然它實(shí)現的方式和采用的方法各有千秋，但相對而言它已具備了比較完善的設計思想。論文將IPv6 協(xié)議引入到目前流行的嵌入式Internet 系統的研究熱潮中，大膽使用性能優(yōu)良但價(jià)格低廉的8 位MCU 作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議實(shí)現的載體。 |
