|
嵌入式系統以應用為中心､以計算機技術(shù)為基礎､軟件硬件可裁剪､適應了各種應用系統中對功能､可靠性､成本､體積､功耗等的嚴格要求,因此它贏(yíng)得了巨大的市場(chǎng),在應用數量上遠遠超過(guò)了各種通用計算機｡嵌入式接入Internet是近幾年隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的普及和發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一項新興概念和技術(shù),它通過(guò)為現有嵌入式系統增加因特網(wǎng)接入能力來(lái)擴展其功能,一般指設備通過(guò)嵌入式模塊而非PC系統直接接入Internet,以Internet為介質(zhì)實(shí)現信息交互的過(guò)程,通常又稱(chēng)為非PC接入｡ 嵌入式系統利用網(wǎng)絡(luò )接口控制芯片實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )的通信功能,成本低,控制方便可靠,滿(mǎn)足系統對通信的要求｡考慮到本身的特點(diǎn),在大量工業(yè)領(lǐng)域中應用嵌入式設備功能比較單一,在上述網(wǎng)絡(luò )接口控制芯片接口程序的基礎上只需要開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化的嵌入式協(xié)議棧,就可滿(mǎn)足許多情況下的應用需求｡目前,許多公司和組織致力于將以太網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現無(wú)縫連接,使以太網(wǎng)越來(lái)越向底層延伸｡以太網(wǎng)在現場(chǎng)設備中的應用研究和基于以太網(wǎng)的智能芯片的開(kāi)發(fā)等也日益成為研究的熱點(diǎn)｡ 1 嵌入式接入網(wǎng)的主要方式 目前嵌入式系統接入Internet通常有以下兩種主要方式: (1)采用高速的16/32Bit微控制器直接實(shí)現TCP/IP協(xié)議,這種方法的實(shí)現框圖如圖1所示｡這種方式可以使嵌入式系統直接與Internet相連,有很大的靈活性｡缺點(diǎn)是占用的系統資源較多,對微控制器的要求也很高,無(wú)法在8/16Bit低速微控制器為核心的嵌入式系統上實(shí)現｡ 圖1 直接實(shí)現TCP/IP系統 (2)使用嵌入式網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現,如圖2所示｡各個(gè)嵌入式系統首先和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信,通信方式采用傳統的RS-232､RS-485等,由嵌入式網(wǎng)關(guān)負責實(shí)現TCP/IP協(xié)議,完成嵌入式系統的信息與Internet的信息交互｡這種方案解決了以低速8/16Bit微控制器為核心的嵌入式系統接入Internet的問(wèn)題｡缺點(diǎn)是需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的嵌入式網(wǎng)關(guān),而且和各個(gè)嵌入式系統之間的通信同樣受到速度和距離的限制,這種方法的實(shí)現成本將會(huì )增加｡ 2 嵌入式系統的組成 嵌入式系統包括硬件和軟件兩部分｡硬件包括處理器微處理器､存儲器及外設器件和30端口､圖形控制器等｡軟件部分包括操作系統軟件(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應用程序編程｡嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器｡嵌入式互聯(lián)的目標是嵌入式設備工作在以網(wǎng)絡(luò )為中心的環(huán)境中,把“孤立的目標系統”相互連接起來(lái)｡為適應嵌入式分布處理結構和應用上網(wǎng)需求,嵌入式系統必需配有一種或多種網(wǎng)絡(luò )通信接口,使嵌入式微控制器不僅能執行傳統的控制功能,而且還能執行與連接因特網(wǎng)相關(guān)的功能,從而把標準網(wǎng)絡(luò )技術(shù)(TCP/IP)一直擴展到嵌入設備,由嵌入式系統自身實(shí)現Web服務(wù)器功能,這是解決嵌入式Internet問(wèn)題的最佳方案｡ 嵌入式設備接入Intranet/Internet網(wǎng)原則上講,只要實(shí)現TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議就可以｡針對嵌入式設備連接涉及的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題即傳送信息的媒質(zhì)和采用的協(xié)議｡最常用的聯(lián)接模式是以太網(wǎng)通信介質(zhì)的有線(xiàn)連接與TCP/IP協(xié)議｡其網(wǎng)絡(luò )體系結構與協(xié)議分層如圖1所示｡利用網(wǎng)絡(luò )接口控制器(NIC-Network InteRFace Controller)來(lái)實(shí)現物理層和鏈路層協(xié)議,同時(shí)微處理器運行嵌入式TCP/IP協(xié)議通信模塊來(lái)實(shí)現與Intranet/Internet網(wǎng)的連接｡一旦這個(gè)目標得以實(shí)現,就能在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下在任何時(shí)間從任何地點(diǎn)對位于任何其它地方的系統中的微控制器進(jìn)行監控,利用傳統的Web和因特網(wǎng)機制遠程監視數據和運行情況控制,而且還能在合適的條件下對系統進(jìn)行調試､升級和維護｡ 3 技術(shù)難點(diǎn)分析 3.1 發(fā)送數據的封裝 把一組數據發(fā)送到基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )上,首要條件是產(chǎn)生符合TCP/IP協(xié)議的數據格式｡首先從一個(gè)物理幀的格式來(lái)分析｡一個(gè)標準的IEEE802.3的物理幀如圖4所示: 如果與嵌入式系統的通信只是局限于局域網(wǎng)之中,在物理幀的數據域內可以直接放置要發(fā)送的數據｡如果需要和其他的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信,在物理幀的數據域中需要封裝更高層的協(xié)議,嵌入式系統發(fā)送的數據應該封裝在高層協(xié)議的數據域內｡這些數據的層層封裝和物理幀的形成對于速度沒(méi)有特殊的要求,普通的低速微控制器完全可以實(shí)現｡ 3.2 發(fā)送數據的發(fā)送 以10M以太網(wǎng)為例說(shuō)明,發(fā)送數據時(shí)應該做的工作是,首先對待發(fā)送的數據進(jìn)行曼徹斯特編碼,而后對編碼后的數據進(jìn)行扭曲處理,使發(fā)送的數據適合在 10M以太網(wǎng)上傳輸,最后把處理好的數據以10M的速度發(fā)送到以太網(wǎng)上｡同時(shí),為了保證數據的有效發(fā)送,系統還應具有沖突檢測和重發(fā)的功能｡ 從以上的發(fā)送過(guò)程可以看出,直接用普通的微控制器是很困難的,應該考慮用其他的方法實(shí)現｡ 4 一種嵌入式網(wǎng)絡(luò )接口的實(shí)現方案 基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò )體系結構實(shí)現的核心問(wèn)題是如何實(shí)現嵌入式網(wǎng)絡(luò )接口｡在眾多實(shí)現方案中,以MCU為核心的實(shí)現方案,雖然實(shí)現起來(lái)有一定困難,仍因其極低的成本,受到格外重視｡在此實(shí)現了一種網(wǎng)絡(luò )接口芯片與MCU相結合的方案,如圖5所示｡ RTL8019AS與硬件實(shí)現以太網(wǎng)接口芯片中,選用RTL8019AS｡由臺灣Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器,由于其優(yōu)良的性能､低廉的價(jià)格,使其在市場(chǎng)上的10Mbps網(wǎng)卡中占有相當的比例｡使用8051/52兼容單片機實(shí)現對RTL8019AS的控制,電路圖如圖6所示｡ RTL8019AS采用8位數據傳輸的跳線(xiàn)模式(IOCS16接地, JP接高電平)｡  0口通過(guò)地址鎖存器實(shí)現地址數據復用｡3.4片選RTL8019AS｡數據收發(fā)不使用中斷驅動(dòng),全部由軟件查詢(xún)實(shí)現｡基地址選擇引腳IOS[3:0]空,I/O基地址為300H｡使用雙絞線(xiàn)為通信介質(zhì),所使用的引腳有:TPIN+,TPIN-,POUT+,TPOUT-,連入耦合隔離變壓器FB2022,通過(guò)RJ 45插頭實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )的連接｡通常TCP/IP是指Internet協(xié)議簇,而不單單是TCP/IP｡因此,在8bitMCU不大的ROM空間里,不可能實(shí)現所有的TCP/IP協(xié)議｡考慮到嵌入式應用中硬件系統的多樣性,完成特定功能的應用程序也各不相同,因而軟件的設計在保證滿(mǎn)足功能前提下,最好短小,易于被移植,尤其是應用程序與網(wǎng)絡(luò )協(xié)議軟件應具備一定的獨立性｡因此,選擇TCP/IP作為嵌入式網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議,同時(shí)必須對TCP/IP協(xié)議簇根據實(shí)際需要進(jìn)行必要的刪減,即實(shí)現一個(gè)thinTCP/IP協(xié)議簇｡通常的thinTCP/IP的層次結構與標準的TCP/IP的一樣,也是四層結構(圖7)｡以太網(wǎng)接口層主要實(shí)現對以太網(wǎng)接口芯片的控制,IP層根據實(shí)際需要選擇實(shí)現ARP(地址解析協(xié)議)､RARP(反向地址解析協(xié)議)､ICMP(因特網(wǎng)控制報文協(xié)議)以及IGMP(網(wǎng)絡(luò )組管理協(xié)議)｡傳輸層主要由TCP(傳輸控制協(xié)議)和UDP(用戶(hù)數據報協(xié)議)組成,在實(shí)際實(shí)現時(shí),根據需要可只實(shí)現其中一個(gè)｡CIP(控制信息協(xié)議)是專(zhuān)為控制設備､基于對象的一種方法,它是獨立于特定網(wǎng)絡(luò )的應用層協(xié)議,提供了訪(fǎng)問(wèn)數據和控制設備操作的服務(wù)集｡CIP的制定需要根據具體應用加以考慮,與通常協(xié)議的格式相似,也為“命令+數據”模式｡ 5 結束語(yǔ) 在信息技術(shù)廣泛使用的今天,采用基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò )體系結構,實(shí)現的嵌入式設備互連,是打破嵌入式設備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)停滯僵局的一種較好選擇,可廣泛應用于各種嵌入式設備的聯(lián)網(wǎng)中｡盡管在實(shí)現中遇到了許多困難,但這種廉價(jià)高速､使用廣泛的網(wǎng)絡(luò )必將極大地推動(dòng)嵌入式設備的網(wǎng)絡(luò )化進(jìn)程｡我國正處于Internet的初級階段,Internet正在以前所未有的速度向前發(fā)展,如果將初級階段稱(chēng)作PersonaltoPersonal時(shí)代,那么未來(lái)的時(shí)代將是PersonaltoDevice,DevicetoDevice時(shí)代,隨著(zhù)該時(shí)代的到來(lái),智能將下移到設備,大量的嵌入式設備將連到Internet上,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )相互通信,自動(dòng)操作,而無(wú)需人的干預｡可以想象,隨著(zhù)儀表､控制器､執行器､家電等嵌入式設備連到Internet上,網(wǎng)上設備將是現在的數百倍､數千倍｡與此同時(shí),隨著(zhù)制造工藝的進(jìn)步,智能控制芯片和智能傳感器的成本越來(lái)越低,功能卻越來(lái)越強大,這使嵌入式微控制器與Internet連接的費用降低到了完全可以接受的程度.嵌入式Internet,適應了Internet發(fā)展的趨勢,可以預言,嵌入式設備與Internet的結合代表著(zhù)嵌入式系統和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的真正未來(lái)｡ 6 本文作者創(chuàng )新點(diǎn) 本文以嵌入式系統的接入網(wǎng)技術(shù)為重點(diǎn),在分析嵌入式系統網(wǎng)絡(luò )連接的結構體系和協(xié)議層次基礎上,提出一種新型基于因特網(wǎng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò )體系結構,并通過(guò)對其網(wǎng)絡(luò )接口的實(shí)現的實(shí)例,對網(wǎng)絡(luò )接口技術(shù)也做了詳細分析｡ |
