用51內(nèi)核網(wǎng)絡單片機構(gòu)成的遠程監(jiān)控系統(tǒng)

引 言 

    在工業(yè)控制、信息家電等應用領域，存在大量的嵌入式設備，而這些設備很多只有串口、CAN總線等簡單的網(wǎng)絡接口，通信能力有限，有的甚至處于孤立運行狀態(tài)。如何讓這些以單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)，并通過網(wǎng)絡對它們進行遠程監(jiān)控，是當前電子世界中的研究熱點。TCP/IP在Intemet和大多數(shù)局域網(wǎng)中的成功應用，已經(jīng)證明了其強大的功能。如果實現(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或其它高檔計算機為網(wǎng)關，將CAN、RS-232等設備接入重量級網(wǎng)絡；②采用32位MCU+實時操作系統(tǒng)，高檔MCU功能強大，可以實現(xiàn)復雜操作，但需要有RTOS支持，這種方案的成本和對開發(fā)人員的要求較高；③采用Scenix的8位MCU，加上虛擬軟件包，實現(xiàn)多任務操作系統(tǒng)，運行TCP/IP協(xié)議棧。 

    本文提出的基于網(wǎng)絡單片機的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案，可以實現(xiàn)串口、CAN總線等輕量級網(wǎng)絡和以太網(wǎng)的互連。該方案具有體積小，性價比高的特點。

1 系統(tǒng)的組成 

    基于網(wǎng)絡單片機的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)由主控制器、以太網(wǎng)接入模塊、CAN網(wǎng)絡接入模塊、1-Wire網(wǎng)絡、串口網(wǎng)絡、存儲器電路、實時時鐘、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)絡單片機Ds80C400，內(nèi)部集成了1個10/100M以太網(wǎng)控制器(MAC)，3個通用全雙工串口，1個CAN2.0B控制器，1個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16MB存儲空間；具有專門的低位地址口；4個數(shù)據(jù)指針；有2x/4x時鐘加倍器，最高工作頻率可達75MHz。

(2)以太網(wǎng)接入模塊 

    利用集成的MAC，通過物理層器件PHY和以太網(wǎng)相連；MAC具有標準的媒體無關接口MII。設計中PHY采用具有自動協(xié)商功能的DP83846A，外接網(wǎng)絡變壓器20F001N。在工作過程中，可以通過MII管理總線設置工作模式。PHY和以太網(wǎng)控制器的連接如圖2所示。

    MAC具有專門的接收發(fā)送緩沖區(qū)，可以通過MOVX進行訪問；MAC還具有緩沖區(qū)控制單元BCU、命令／狀態(tài)寄存器CSR、地址檢測模塊、電源管理單元等組成，主要由BCU負責以太網(wǎng)的收發(fā)活動，減少了CPU的參與，保證了以太網(wǎng)收發(fā)的效率。

(3)CAN網(wǎng)絡接入模塊 

　　通過集成的CAN2．0B控制器，外接CAN收發(fā)器和CAN網(wǎng)絡相連。設計中使用的是TI的SN65HVD230，它具有低成本、低功耗的特點。

(4)1-Wire網(wǎng)絡 

    通過1一Wire總線控制器和1-Wire只讀存儲器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 

    通過單片機內(nèi)部集成的全雙工串口，可以和串口設備相連。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個輸入、5個輸出。單片機的串口0用來和開發(fā)機相連，串口2作為DTE，具有完整的流控制線，用來和串口設備相連。

(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(門限電壓3.08V)來監(jiān)測主控制器的3.3V電源電壓，當電壓低于3.08V時，產(chǎn)生可靠復位。

(8)實時時鐘 

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

(9)存儲器單元 

    Ds80C400具有專門的低位地址線P7口和專門的工程序存儲器片選信號(CEO～CE7)和數(shù)據(jù)存儲器片選信號(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)作為程序存儲器，HM6285 12LFP-7(SRAM，2片)作為數(shù)據(jù)存儲器。將SRAM和Flash分別接在面、面、面、面。內(nèi)部64KB的R0M在系統(tǒng)啟動時，對SFR進行初始化，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的存儲區(qū)及ROM的地址映射如表2。這些緩沖區(qū)在芯片內(nèi)部，具有豐富的訪問和操作指令，系統(tǒng)具有較高的集成度和吞吐量。

2  程序設計方法 

    DS80C400中集成了64KB的ROM，具有工業(yè)標準的TCP／IP v4／v6協(xié)議棧、占先式的調(diào)度程序和網(wǎng)絡引導程序、串口引導裝載程序。網(wǎng)絡引導程序和串口引導裝載程序可以裝載應用程序。在應用中通過外部引腳的配置，選擇內(nèi)部ROM的執(zhí)行流程。系統(tǒng)啟動時，ROM對單片機的串口0進行初始化，MCU通過串口0和開發(fā)主機通信，向F1ash寫入程序。 

    網(wǎng)絡引導程序利用內(nèi)部的TCP／IP協(xié)議棧和任務調(diào)度程序，可以通過以太網(wǎng)進行應用程序下載，實現(xiàn)程序在線更新。應用程序使用Java來開發(fā)，借助Dallas公司提供的軟件開發(fā)工具包TINI SDK，大部分工作在開發(fā)主機上完成；可以使用免費的Java SDK工具或集成開發(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，從而將對實際硬件的操作，轉(zhuǎn)變?yōu)閷ο蠓椒ǖ恼{(diào)用，使用Java不要求開發(fā)者深入了解系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。TINI SDK提供了Java程序的運行環(huán)境，在主機上開發(fā)Java應用程序經(jīng)過轉(zhuǎn)換，即可在目標系統(tǒng)上運行。在運行環(huán)境的支持下，可以開發(fā)功能完善的嵌入式Web服務器，從而實現(xiàn)設備運行狀態(tài)的遠程監(jiān)測和控制。DS80C400中具有1KB的擴展堆?？臻g，具有支持高級語言開發(fā)的物理基礎。TINI SDK正是在這個基礎上，提供了Java運行環(huán)境，從而可以開發(fā)多線程應用程序。以開發(fā)串口設備到以太網(wǎng)服務器的數(shù)據(jù)流傳輸程序為例，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備的通信能力，將RS-232、CAN等輕量級網(wǎng)絡和以太網(wǎng)相連，比如實現(xiàn)串口設備和以太網(wǎng)服務器的數(shù)據(jù)流傳輸，通過以太網(wǎng)服務器對串口設備進行監(jiān)控；也可以取代原有控制設備，直接來控制現(xiàn)場設備，可利用該系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡傳感器、遠程控制設備運行、遠程數(shù)據(jù)采集等。系統(tǒng)還具有較大的擴展余地，可以根據(jù)應用需要進行擴展，如改變存儲器的容量等。系統(tǒng)實現(xiàn)時，要根據(jù)具體需要選擇合適容量和存取時間的存儲器，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)問題時，定位比較困難。但該方案不依賴PC或高檔單片機，實現(xiàn)8位機直接接入Internet；所需外圍器件少，系統(tǒng)成本低；開發(fā)周期較短，開發(fā)成本相對較低，具有實際應用價值。