嵌入式以太網服務器原理及其應用

摘 要：本文在研究以太網和傳統(tǒng)網絡測控系統(tǒng)的基礎上，提出了一種把PC機和網絡終端連接起來并能給網絡終端持續(xù)供電的嵌入式以太網通信服務器，并給出詳細的設計方案及其具體工作過程，最后還給出了嵌入式以太網通信服務器在“家校通”的實際應用。

關鍵詞：以太網;網絡測控系統(tǒng);以太網通信服務器

1、引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展和IA（信息電器）的出現(xiàn)，以8位微控制器為核心的嵌入式通過ISP（Internet服務供應商），在不使用PC機或高檔單片機的情況下直接接入互聯(lián)網，將成為未來Internet應用領域發(fā)展中的主要趨勢之一，它將廣泛應用于智能家居系統(tǒng)、儀器儀表、數據采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動化、家庭自動化的實時應用等各個方面，其中的技術難點是以MCU為核心的電子設備需要解決接入因特網的問題。

電子設備接入網絡改變傳統(tǒng)電子設備靠控制臺操作的方式，使之進入一種開放、互連的依靠網絡進行操作的一種新型的方式和領域，通過網絡還可以把原來單獨的不同設備互連起來，可以實現(xiàn)各設備間數據的共享。它促進了家庭電器、儀器設備和網絡相連的技術發(fā)展，對推動家庭的信息化、儀器設備網絡化起到了重要的作用。嵌入式以太網通信服務器作為這些終端設備的一個接口，在里面發(fā)揮了積極的作用，減少了以太網布線的線路，幾個終端可以通過嵌入式以太網通信服務器管理功能以上位機進行通信，節(jié)約了線路的成本和數據在以太網上的傳輸量，提高了工作效率。

2、系統(tǒng)原理

嵌入式以太網通信服務器通常作為一個上位機和終端設備的一個接口，它相當于一個小型的代理服務器，具備以下功能：

· 可以通過以太網給終端設備供電，而不另外接電源線;

· 可以傳送、接收 UDP和 TCP數據報以及串口數據;

· 可以響應PING命令，檢測當前主機是否可到達或IP是否存在;

· 能與上位機通信也能和終端設備進行通信，實現(xiàn)兩者之間數據的跨網段的傳輸;

· IP地址尋址;

· PC機可以通過串口和網口對其參數進行設置;

· 通過嵌入式Web服務器，可通過瀏覽器瀏覽和設置參數。

3、系統(tǒng)實現(xiàn)

通過分析設計目標及嵌入式以太網通信服務器特有的功能，嵌入式以太網通信服務器采取圖1所示的架構。各個部分的主要功能如下：

圖1 嵌入式以太網通信服務器總體結構圖

· MCU主控芯片主要完成程序控制和數據通信;

· 電源模塊負責提供系統(tǒng)所需要的各種電源;

· EEPROM完成參數和數據的保存;

· 網卡芯片1負責與上位機通訊，作為系統(tǒng)上聯(lián)接口;

· 網卡芯片2負責與下位機通訊，作為系統(tǒng)下聯(lián)接口;

· HUB+PoE是集線器和以太網供電設備組成，負責數據交換和給下位機供電;

· SRAM是用來擴展MCU數據存儲區(qū)。

3.1系統(tǒng)硬件設計方案

在芯片的選擇上，針對目前最常用的8位單片機，系統(tǒng)MCU采用了飛利浦公司的P89C669單片機，這種芯片自帶96K的Flash， 指令執(zhí)行速度是標準80C51器件的2倍。網卡芯片選用RTL8019AS，RTL8019AS芯片是Realtek公司生產的一種局域網處理芯片，也是目前的10M網卡上最常見的一種芯片。EEPROM選用了常用的24C256，可以滿足數據量的存儲。HUB芯片系統(tǒng)也采用了Realtek的RTL8305S，它是單芯片5端口10/100 M交換集線器控制器。PoE芯片系統(tǒng)采用凌特公司LTC4259A，它是一款具有AC斷接功能四路IEEE802.3af以太網供電控制器。SRAM芯片采用512K字節(jié)的IS61LV5128作為數據存儲區(qū)，大大提高MCU處理能力，保證 MCU有足夠的數據堆棧運行嵌入式系統(tǒng)程序。

3.2 系統(tǒng)軟件設計方案

單片機的程序設計包括C語言和匯編語言兩種。在本系統(tǒng)中，采用C51作為程序設計語言。它的優(yōu)勢是明顯的，C語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。C語言有豐富的庫函數、運算速度快，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制，較匯編語言有更好的可讀性。

軟件部分主要是完成網絡數據的收發(fā)、轉換、串口數據的收發(fā)、在單片機中實現(xiàn)嵌入式TCP，UDP，IP，ARP，ICMP和HTTP等協(xié)議。協(xié)議嵌入后，系統(tǒng)可以和PC機按照標準的WINSOCK函數進行網絡數據通信。

4、在“家校通”中的具體應用

“家校通” 是利用現(xiàn)代信息技術實現(xiàn)家庭與學?？旖?、實時溝通的教育網絡平臺，是一套可以有效解決老師和家長之間溝通，幫助孩子健康成長的、集先進的計算機技術和網絡技術于一體的信息交流系統(tǒng)。它可以讓家長每天都能了解到自己孩子在學校的情況，也可以讓家長隨時隨地的向老師提出建議或反映孩子在家里的表現(xiàn)。這里講述是以太網通信服務器在其中的一種典型的應用。

圖2 “家校通”拓撲結構

4.1 “家校通”拓撲結構

典型的“家校通”由嵌入式通信服務器、網絡型讀卡機和移動信息管理服務器組成，其拓撲結構如圖2所示，嵌入式以太網通信服務器在“家校通”系統(tǒng)中的主要作用是：

· 給它下屬的網絡型讀卡機用以太網供電，使終端不再另外布置電源線，減少了布線成本，使整體更美觀和安全;

· 它負責接收下屬的網絡型讀卡機數據，當它接收到數據后，先給網絡型讀卡機送時間顯示，但數據并沒有馬上轉發(fā)到以太網，而是把這些數據進行過濾,把有用數據打包，打包到一定量后或等到一定時間后再轉發(fā)數據。這樣做的目的是減少上位機的壓力，減少數據來回應答次數，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

· 它負責接收上位機的數據，并把數據轉交網絡型讀卡機;

· 不管它下屬的網絡型讀卡機有多少個, 往上的端口只有一個, 以太網主干線上布線跟簡潔;