用51內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)構(gòu)成的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

引 言 

    在工業(yè)控制、信息家電等應(yīng)用領(lǐng)域，存在大量的嵌入式設(shè)備，而這些設(shè)備很多只有串口、CAN總線等簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)接口，通信能力有限，有的甚至處于孤立運(yùn)行狀態(tài)。如何讓這些以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)它們進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，是當(dāng)前電子世界中的研究熱點(diǎn)。TCP/IP在Intemet和大多數(shù)局域網(wǎng)中的成功應(yīng)用，已經(jīng)證明了其強(qiáng)大的功能。如果實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議和嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題就能得到有效解決。目前，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)主要有如下幾種方案：①EMIT，以PC或其它高檔計(jì)算機(jī)為網(wǎng)關(guān)，將CAN、RS-232等設(shè)備接入重量級(jí)網(wǎng)絡(luò)；②采用32位MCU+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，高檔MCU功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作，但需要有RTOS支持，這種方案的成本和對(duì)開(kāi)發(fā)人員的要求較高；③采用Scenix的8位MCU，加上虛擬軟件包，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作系統(tǒng)，運(yùn)行TCP/IP協(xié)議棧。 

    本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案，可以實(shí)現(xiàn)串口、CAN總線等輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的互連。該方案具有體積小，性價(jià)比高的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的組成 

    基于網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由主控制器、以太網(wǎng)接入模塊、CAN網(wǎng)絡(luò)接入模塊、1-Wire網(wǎng)絡(luò)、串口網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)器電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電源模塊和監(jiān)控電路等功能模塊組成。其原理框圖如圖1所示。

(1)主控制器 

    采用原Dallas公司的高性能51內(nèi)核的網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)Ds80C400，內(nèi)部集成了1個(gè)10/100M以太網(wǎng)控制器(MAC)，3個(gè)通用全雙工串口，1個(gè)CAN2.0B控制器，1個(gè)1.Wire控制器。MCU內(nèi)部64KB的ROM程序中包含完整的TCP/P V4/6協(xié)議棧；可訪問(wèn)16MB存儲(chǔ)空間；具有專(zhuān)門(mén)的低位地址口；4個(gè)數(shù)據(jù)指針；有2x/4x時(shí)鐘加倍器，最高工作頻率可達(dá)75MHz。

(2)以太網(wǎng)接入模塊 

    利用集成的MAC，通過(guò)物理層器件PHY和以太網(wǎng)相連；MAC具有標(biāo)準(zhǔn)的媒體無(wú)關(guān)接口MII。設(shè)計(jì)中PHY采用具有自動(dòng)協(xié)商功能的DP83846A，外接網(wǎng)絡(luò)變壓器20F001N。在工作過(guò)程中，可以通過(guò)MII管理總線設(shè)置工作模式。PHY和以太網(wǎng)控制器的連接如圖2所示。

    MAC具有專(zhuān)門(mén)的接收發(fā)送緩沖區(qū)，可以通過(guò)MOVX進(jìn)行訪問(wèn)；MAC還具有緩沖區(qū)控制單元BCU、命令／狀態(tài)寄存器CSR、地址檢測(cè)模塊、電源管理單元等組成，主要由BCU負(fù)責(zé)以太網(wǎng)的收發(fā)活動(dòng)，減少了CPU的參與，保證了以太網(wǎng)收發(fā)的效率。

(3)CAN網(wǎng)絡(luò)接入模塊 

    通過(guò)集成的CAN2．0B控制器，外接CAN收發(fā)器和CAN網(wǎng)絡(luò)相連。設(shè)計(jì)中使用的是TI的SN65HVD230，它具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。

(4)1-Wire網(wǎng)絡(luò) 

    通過(guò)1一Wire總線控制器和1-Wire只讀存儲(chǔ)器DS2502-E48相連，給以太網(wǎng)控制器提供物理地址(MAC地址)。

(5)串口網(wǎng)絡(luò) 

    通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部集成的全雙工串口，可以和串口設(shè)備相連。為了和外部的RS-232電平相匹配，外接收發(fā)器MAX560CAI(也可以采用MAX232、MAX3233等)，它具有4個(gè)輸入、5個(gè)輸出。單片機(jī)的串口0用來(lái)和開(kāi)發(fā)機(jī)相連，串口2作為DTE，具有完整的流控制線，用來(lái)和串口設(shè)備相連。

(6)電 源

    電路中各種器件的工作電壓有3．3V、1．8V和5V等，采用MAX832、MAX682和MAXl792，分別提供3．3V、5V和1.8V電壓。

(7)監(jiān)控電路 

    選用MAX825T(門(mén)限電壓3.08V)來(lái)監(jiān)測(cè)主控制器的3.3V電源電壓，當(dāng)電壓低于3.08V時(shí)，產(chǎn)生可靠復(fù)位。

(8)實(shí)時(shí)時(shí)鐘 

    給系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間，便于了解系統(tǒng)狀態(tài)，比如獲取數(shù)據(jù)采集的時(shí)間等。

(9)存儲(chǔ)器單元 

    Ds80C400具有專(zhuān)門(mén)的低位地址線P7口和專(zhuān)門(mén)的工程序存儲(chǔ)器片選信號(hào)(CEO～CE7)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片選信號(hào)(PCEO~PCE3)，可尋址16M的程序空間和4M的數(shù)據(jù)空間。選用AM29F040B一70(Flash，2片)作為程序存儲(chǔ)器，HM6285 12LFP-7(SRAM，2片)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。將SRAM和Flash分別接在面、面、面、面。內(nèi)部64KB的R0M在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)SFR進(jìn)行初始化，從而SRAM、Flash分別映射到表i所示的空間。DS80C400內(nèi)部和各種控制器相關(guān)的存儲(chǔ)區(qū)及ROM的地址映射如表2。這些緩沖區(qū)在芯片內(nèi)部，具有豐富的訪問(wèn)和操作指令，系統(tǒng)具有較高的集成度和吞吐量。

2  程序設(shè)計(jì)方法 

    DS80C400中集成了64KB的ROM，具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP v4／v6協(xié)議棧、占先式的調(diào)度程序和網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)程序、串口引導(dǎo)裝載程序。網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)程序和串口引導(dǎo)裝載程序可以裝載應(yīng)用程序。在應(yīng)用中通過(guò)外部引腳的配置，選擇內(nèi)部ROM的執(zhí)行流程。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，ROM對(duì)單片機(jī)的串口0進(jìn)行初始化，MCU通過(guò)串口0和開(kāi)發(fā)主機(jī)通信，向F1ash寫(xiě)入程序。 

    網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)程序利用內(nèi)部的TCP／IP協(xié)議棧和任務(wù)調(diào)度程序，可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用程序下載，實(shí)現(xiàn)程序在線更新。應(yīng)用程序使用Java來(lái)開(kāi)發(fā)，借助Dallas公司提供的軟件開(kāi)發(fā)工具包TINI SDK，大部分工作在開(kāi)發(fā)主機(jī)上完成；可以使用免費(fèi)的Java SDK工具或集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提高編程效率。TINI SDK將DS80C400中的硬件部分虛擬為Java的類(lèi)，從而將對(duì)實(shí)際硬件的操作，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)對(duì)象方法的調(diào)用，使用Java不要求開(kāi)發(fā)者深入了解系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。TINI SDK提供了Java程序的運(yùn)行環(huán)境，在主機(jī)上開(kāi)發(fā)Java應(yīng)用程序經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，即可在目標(biāo)系統(tǒng)上運(yùn)行。在運(yùn)行環(huán)境的支持下，可以開(kāi)發(fā)功能完善的嵌入式Web服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。DS80C400中具有1KB的擴(kuò)展堆?？臻g，具有支持高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的物理基礎(chǔ)。TINI SDK正是在這個(gè)基礎(chǔ)上，提供了Java運(yùn)行環(huán)境，從而可以開(kāi)發(fā)多線程應(yīng)用程序。以開(kāi)發(fā)串口設(shè)備到以太網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)流傳輸程序?yàn)槔?，其中包含主線程和發(fā)送、接收線程。程序結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

3  結(jié)論 

    該系統(tǒng)不僅可以拓展嵌入式設(shè)備的通信能力，將RS-232、CAN等輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)相連，比如實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備和以太網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)流傳輸，通過(guò)以太網(wǎng)服務(wù)器對(duì)串口設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；也可以取代原有控制設(shè)備，直接來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，可利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器、遠(yuǎn)程控制設(shè)備運(yùn)行、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等。系統(tǒng)還具有較大的擴(kuò)展余地，可以根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行擴(kuò)展，如改變存儲(chǔ)器的容量等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，要根據(jù)具體需要選擇合適容量和存取時(shí)間的存儲(chǔ)器，采用合適的尋址模式；選取合適的接口電路并確保正確的連接和配置。另一方面，該芯片的集成功能較多，系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，定位比較困難。但該方案不依賴PC或高檔單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)8位機(jī)直接接入Internet；所需外圍器件少，系統(tǒng)成本低；開(kāi)發(fā)周期較短，開(kāi)發(fā)成本相對(duì)較低，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。