1. 引言

單片機系統(tǒng)以其簡單、高效的特點，在工業(yè)控制和日常生活中應用越來越廣泛。目前大多數(shù)單片機系統(tǒng)是以51 單片機為核心，與檢測、伺服、顯示設備配合起來實現(xiàn)監(jiān)控功能。

然而，這些監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸多采用RS-232、RS-485 以及各種現(xiàn)場總線，這些方式有些通信速度不夠快，有些距離不夠遠，且各種總線之間難于實現(xiàn)互連和互操作。以太網(wǎng)作為目前應用最為廣泛的局域網(wǎng)，在工業(yè)自動化和過程控制領域得到了越來越多的應用。同時，隨著Internet 的普及，現(xiàn)代通信技術的進步，基于TCP/IP 和Client/Server 架構的分布式監(jiān)控技術也日趨成熟。把嵌入式系統(tǒng)連接到Internet 上，就可以方便、低廉地把信息傳送到世界的任何一個地方。

傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)一般采用C/S 模型的方式，主要針對大型的設備進行監(jiān)控。對于如攝像頭圖象監(jiān)控﹑家用儀表﹑門禁控制系統(tǒng)等小型的設備的監(jiān)控就需要采用低成本的方案。

鑒于此，在低成本的單片機系統(tǒng)上移植精簡的TCP/IP 協(xié)議簇，實現(xiàn)對于小型設備遠程監(jiān)控是最佳選擇。該系統(tǒng)以Web 方式實現(xiàn)，用戶可以在任何一臺裝有瀏覽器的PC 機上進行遠程監(jiān)視與控制，具有價格低廉、操作方便、界面友好等優(yōu)點。傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)模型與本系統(tǒng)采用的模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)模型


圖2 單片機監(jiān)控系統(tǒng)模型

2. 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)以 Cygnal 公司的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片（SOC）C8051F020 單片機為核心，采用Realtek 公司的10M 自適應以太網(wǎng)控制器RTL8019AS 實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口部分。

SRAM 部分用于存放大量的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集部分用于采集系統(tǒng)需要監(jiān)控的設備的運行情況，由于C8051F020 內(nèi)部帶有真正12 位100 ksps 的8 通道ADC 帶PGA 和模擬多路開關，還有兩個12 位DAC 可編程更新時序，可以方便的進行模擬信號采集和對外設進行控制。

C8051F020 單片機內(nèi)置64K FLASH 程序存儲器、4K 內(nèi)部SRAM，可以嵌入TCP /IP 協(xié)議， 從而實現(xiàn)嵌入式Web Sever 的功能。RTL8019AS 集成了介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層的性能，與單片機的接口簡單，可以方便地用來設計基于ISA 總線的系統(tǒng)。另外，它還具有與NE2000 兼容、軟件移植性好以及價格低廉等優(yōu)點，所以特別適合用于嵌入式系統(tǒng)。


圖3 系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件流圖設計

軟件的實現(xiàn)主要是根據(jù)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中傳輸?shù)姆较蚝蛿?shù)據(jù)的流向來實現(xiàn)的。在本設計中數(shù)據(jù)的流向為：請求信息從局域網(wǎng)中來，通過RJ 45 送到RTL80l9AS，處理后的數(shù)據(jù)包送入單片機系統(tǒng)的協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)包進行解析，得到原始請求信息。請求信息再經(jīng)過單片機系統(tǒng)的處理，產(chǎn)生回復信息?；貜托畔⒌骄钟蚓W(wǎng)的過程與上面正好相反。整個系統(tǒng)的軟件流程如上圖4 所示。


圖4 軟件框圖

3.2 RTL8019 接收與發(fā)送數(shù)據(jù)

1.RTL8019 芯片初始化主要是將網(wǎng)卡設置成正常的模式，跟外部網(wǎng)絡連接。清除所有中斷標志位，讓芯片開始工作。

2.對RTL8019 接收數(shù)據(jù)操作，有查詢和中斷兩種方式。因為單片機的速度和PC 機相差太遠，而且還有一些采集任務，本系統(tǒng)不采用中斷方式，用查詢方式。在查詢方式下，通過查詢CURR 和BNRY 兩個寄存器的值來判斷是否收到一幀數(shù)據(jù)。當BNRY+1 與CURR不相等，說明接收緩沖區(qū)接收到了新的數(shù)據(jù)幀。圖5 為RTL8019 報頭格式，接收部分子程序如下：

UCHAR xdata * rcve_frame（void） //如收到有效數(shù)據(jù)包，返回收到的數(shù)據(jù)，否則返回NULL


圖5 RTL8019 報頭格式

3.數(shù)據(jù)的發(fā)送包含三個步驟：封裝數(shù)據(jù)包；通過遠程DMA 將數(shù)據(jù)包送入RTL8019AS的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；通過RTL8019 的本地DMA 將數(shù)據(jù)送入FIFO 進行發(fā)送。具體過程如下：

（1）包在發(fā)送前應該按規(guī)定的格式封裝好，格式如下圖6 所示：


圖6 MAC 幀首部

（2）把上面的數(shù)據(jù)包通過遠程DMA 寫入RTL8019AS 的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)；

（3）啟動本地DMA，把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)包長度最小為60 字節(jié)，最大1514 字節(jié)。

發(fā)送子程序為：void send_frame（UCHAR xdata * outbuf，UINT len）//發(fā)送一個數(shù)據(jù)包3.3 TCP/IP 協(xié)議棧的實現(xiàn)。

3.3.1 ARP 協(xié)議的實現(xiàn)

ARP 地址解析協(xié)議的本質(zhì)是完成網(wǎng)絡地址到物理地址的映射。物理地址有以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)兩種基本類型，網(wǎng)絡地址特指IP 地址。具體到以太網(wǎng)，使用的是動態(tài)綁定轉(zhuǎn)換的方法，但是會遇到許多細節(jié)問題，例如減少廣播，ARP 包丟失，物理地址變更（更換網(wǎng)卡）、移動（移動設備到另一子網(wǎng)）、消失（關機）等。一般是設置ARP 高速緩存，通過學習、老化、更新、溢出算法處理ARP 映射表來解決這些問題。整個ARP 處理過程，主要用5 個函數(shù)實現(xiàn)。

在實現(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動程序后，所有ARP 處理操作就是填寫ARP 包。主要程序代碼編制如下：

（1）void init_arp（void）//完成ARP 表初始化，概括說就是ARP 表state 字段清0

（2）void arp_send（UCHAR * hwaddr，ULONG ipaddr，UCHAR msg_type）//完成ARP 請求

（3）void arp_rcve（UCHAR xdata * inbuf）// 完成響應操作

（4）UCHAR xdata * arp_resolve（ULONG dest_ipaddr） //完成從cache 里面查找對應//IP 地址的物理地址，如果沒有，就發(fā)送ARP 請求

3.3.2 IP 協(xié)議的實現(xiàn)

網(wǎng)際協(xié)議 IP 是TCP/IP 協(xié)議族中最為核心的協(xié)議，它的主要功能是負責把數(shù)據(jù)交付給主機，當目標主機與原主機處于不同的物理網(wǎng)絡中時，IP 負責把數(shù)據(jù)包路由到相應的目標網(wǎng)絡上。Internet 上所有的數(shù)據(jù)都以IP 數(shù)據(jù)包格式傳輸。IP 協(xié)議最大的特點是提供不可靠的和無連接的數(shù)據(jù)包傳送服務。IP 協(xié)議主要實現(xiàn)以下兩個子程序：

（1） void ip_send（UCHAR xdata*outbuf，ULONG ipaddr， UCHAR proto_ id，DINT len）//發(fā)送IP 數(shù)據(jù)；該子程序用來創(chuàng)建一個發(fā)送數(shù)據(jù)報。

（2） void ip_rcve（UCHAR xdata *inbuf） //接收IP 數(shù)據(jù)；該子程序檢測一個外來數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包作相應的處理。

3.3.3 TCP 協(xié)議的實現(xiàn)

1.使用TCP 狀態(tài)機：TCP 協(xié)議是整個TCP/IP 協(xié)議的核心，也是傳輸層中最復雜的協(xié)議。TCP 協(xié)議在兩個端點之間建立了等效于物理連接的邏輯連接。數(shù)據(jù)沿著這個連接雙向傳輸。連接的雙方必須對發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)保持跟蹤，以便能夠檢測出數(shù)據(jù)流中的遺漏和重復。

2.使用簡單的確認機制：序列號和確認號這兩個字段用于協(xié)同完成TCP 協(xié)議中的確認工作。對于每個接收到的數(shù)據(jù)包進行確認號的計算，需要從接收到的數(shù)據(jù)包中提取TCP 報文的數(shù)據(jù)部分長度，并進行計算，這增加了處理器的運算量。但如果每次只對單個TCP 報文進行確認的話，并沒有太大的難度。TCP 協(xié)議主要包含的程序如下：

（1） init_tcp（void） //初始化TCP 協(xié)議

（1） Tcp_send（UINT flags， DINT hdr_len， UCHAR nr） //發(fā)送TCP

（2） Tcp_retransmit（void） //重發(fā)TCP 數(shù)據(jù)

（3） Tcp_inactivity（void） //停止TCP

（4） Tcp_rcve（UCHAR xdata * inbuf， UINT len） //接收TCP 數(shù)據(jù)

3.3.4 HTTP 協(xié)議簡介

HTTP 協(xié)議是TCP 協(xié)議的高層協(xié)議，HTTP 的請求和應答都是一行或多行文本，它的結束標志是一個換行符［5］。如果請求成功，數(shù)據(jù)就沿著該連接發(fā)送，直到發(fā)送完為止。HTTP的端口號為80.HTTP 中的命令稱呼為方法（method），其中GET 語句用來獲取文檔，POST語句用來粘貼文檔。通過判斷GET 和POST 語句后面的文件名來判斷所需要傳遞的文件的位置。

請求：

GET / HTTP/1.1

響應：

HTTP/1.1 200 OK

Content-type： text/html

……

《html》

《body》

……

《/body》

《/html》

4.應用部分

本 WEB 服務器系統(tǒng)幾乎可以應用于所有對實時性要求不是很高的場合，只要對本系統(tǒng)的相關部分做些修改或改進，例如：客戶端的訪問權限、IP 地址的過濾等，就可應用于諸如遠程抄表、信息家電的遠程控制等場合。下面圖7 為ping 命令測試網(wǎng)絡不通到通的連接狀態(tài)，圖8 實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)任意主機通過ip 地址形式訪問單片機內(nèi)部存諸的網(wǎng)頁，從而實現(xiàn)對單片機系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。


圖7 網(wǎng)絡連接測試


圖8 遠程監(jiān)控溫度

5.結束語

實現(xiàn)了基于單片機的 TCP/IP 協(xié)議棧，使單片機控制的系統(tǒng)具有了WebServer 的功能，這樣可以使用PC 機通過因特網(wǎng)遠程訪問單片機系統(tǒng)，也可以使用單片機系統(tǒng)將有用的信息通過因特網(wǎng)發(fā)送到遠端的PC 或其它終端上。為嵌入式設備實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、遠程診斷、遠程幫助、遠程升級、遠程重構等功能提供了可能，這是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。