基于单片机的Internet连接技术与方法

0引言

目前，Internet已成为当今信息社会的重要组成部分，Internet技术将日益深入到生活和各种智能设备中。单片机应用领域，以往那种由一块单片机组成的系统已无法满足现代工业、生活等各方面的需求，人们开始利用各种局部总线，如CAN、RS232、RS485等，将多块单片机连接起来形成局域网，这种方案在一定程度上解决了信息交换的问题。为了获得更大程度的信息交换，如果能将单片机系统连上Internet网，则可以真正实现远程监控，系统维护人员可随时随地通过互联网直接读取系统当前状态参数，了解系统运行状况。当系统出现故障时，可及时采取正确的补救措施。现在，各种工业智能电器、智能仪表和智能家电内部都嵌有微处理器，但是由于各种微处理器的硬件结构和指令系统各不相同，因此无法通过标准的软件、硬件接口来直接连入Internet网络，如何充分利用现有的Internet技术和资源，以较低的成本将各类工业智能电器、智能仪表和智能家电与Internet连接，已成为当今IT界关注的热点。特别是随着ISP和IAP概念的出台，实现这种设想就更有实际意义。

1单片机接入Internet网的几种方法

单片机接入Internet网络方法很多，但归结为以下几种：① 给单片机系统配上一个DTE／DCE接口设备，并且能支持TCP／IP和PPP协议，就可通过Modem上网［1，2］；②给单片机系统配上一个网络控制器或NIC以太网卡等外围设备，并提供TCP／IP和IEEE802.3协议，通过这种具有协议栈结构的芯片或网卡就可以接入Internet网络；③开发出能直接连入Internet网络的新型嵌入式微处理器。

1.1单片机通过Modem连上Internet网

这种方式(如图1)主要是利用串口连接Modem，通过电信的服务器进入Internet网。大量外置Modem提供标准的RS232串口，所以和PC机相连的Modem可以通过串口直接连接。由于RS232接口规定了双极性电平，而MCS－51单片机串口为TTL电平，所以Modem不能直接和单片机相连，必须经过电平转换。如采用MAX232接口芯片，可很方便的实现单片机和Modem的连接，连接原理如图2所示。MCS－51虽然有串行输入、输出接口，但不具有RTS、CTS、 DTR、TXC、RXC等标准接口握手信号线，考虑到单片机与PC机的通信量并不大，在连接时采用了简单的“三线式”(如图2)，即只通过TXD、RXD 和地线GND进行连接，其他信号需在软件上做一些处理。

1.2单片机通过网络控制器或NIC以太网卡等外围设备连上Int ernet网

这种方式主要通过单片机的外围芯片如Ichip、webchip，而这些芯片中扩展有TCP／IP协议，最后通过网关接入Internet网。目前国内外许多公司正致力于研究和推出这种嵌入式技术，如由Seiko公司推出的ichip S7600A芯片、Cirrus Logic公司的CS8900A以及武汉力源公司研制的webchip PS2000芯片，这些芯片都是基于EMIT(Embedded Micro Internet working Technology)技术研制的［7］。

1.2.1EMIT技术

mware公司创立了 ETI(扩展Internet联盟)，并提出了EMIT嵌入式微型Internet网互连技术，它是一种能够将8位或16位单片机等嵌入式设备接入 Internet网的技术，实现基于Internet的远程数据采集、智能控制、上传、下载等功能。EMIT技术包括以下核心技术：
　　·EmMicro是驻留在嵌入式系统中的微型网络服务器，将EmMicro集成到嵌入式系统中，使得网络上的客户机能够控制和监视嵌入式系统。 EmMicro针对微控制器有限的资源进行了优化，只占用系统很小内存(约1K字节)资源和处理器资源。这个1 KB服务器软件即EmMicro。EmMicro有两部分：EmTag对应于HTML标记；EmNet对应于网络协议。轻型的网络协议支持在本端构筑小型网络，如单片机常用的RS232、RS485网等。如果不接入Internet网，它们便是孤立的网，要和Internet进行连接，则须增加网关 EmGateWay［3］。
　　·EmNet是使嵌入式系统和轻量级网络(如RS485、IR、RF等)进行连接的网络协议。同时，EmNet使得集成EmNet的嵌入式系统能够和嵌入式微控制器网关进行有效的通讯。
　　·EmGateWay 是轻型设备网络和大型高性能网络如Intranet和Internet等之间连接的桥梁。它是一个功能强大的客户机，用于管理多个嵌入式系统以及支持网络浏览器。EmGateWay的Internet端还留有与另一端Web设备可对话的接口，可在用户的应用程序中使用，接口的典型方法还是Web网页。

1.2.2webchip芯片的应用

以武汉力源推出的webchip PS2000芯片为例，webchip是一种独立于各种微控制器的通用产品，开发者不需要了解复杂的网络技术及更改原来成熟的设计，只须增加1小段 webchip通信接口程序即可。PS2000［4～6］主要由核心控制单元、UART、嵌入式Modem接口、标准Modem接口、RS485收发控制单元、SPI串行接口等组成。片内驻留有网络协议解析与编译程序，其内部固化了MCU Net协议，该协议能让MCU设备与计算机平台上的Gateway建立联系，与PC机通信时，可与PC机浏览器直接接口，因此通过PS2000上网十分方便。图3是51单片机与PS2000连接时对应的接线原理图。

如图4，Intranet内的PC机或设备通过单片机和PS2000网络芯片的标准SPI串口与Gateway网关连接，一方面Gateway支持复杂的Internet TCP／IP协议并能提供HTTP服务，允许客户通过现在普遍使用的网络浏览器来远程访问它，其作用类似服务器；另一方面Gateway通过RS232、 RS485、CAN总线以及Modem、RF、IrDA等方式，将多个嵌入式设备或智能家电连接在一起，并担当TCP／IP和其他协议的转换任务，其作用又类似Internet上的网关。

1.3单片机通过Internet嵌入式微处理器(MCU)芯片直接连入I nternet网

这种方式的单片机一般都采用新型的Internet嵌入式微处理器，所需外围配置电路很少。如：Philips公司推出的XA－G49是具有多任务性能的16位扩展结构的微处理器，它支持ISP、IPA编程，可以通过Internet实现远程固件升级和系统重构。类似的芯片还有CS8900A、 Rabbit3000、DS80系列、MPC860系列、BUICOM公司的SX系列以及IP2022等都是这种新型的Internet嵌入式微处理器。以UBICOM公司的IP2022网络微处理器为例，IP2022是一种高速的嵌入式微处理器［3］，可以实现实时多任务操作，非常适合于工业过程控制。它不依赖PC机能直接连入Internet网，并能实现软件模式形式的外设、通信和控制功能，这种形式比传统硬件提供了更大的系统设计灵活性。同时，用户可使用预创建软件模块和配置工具来对其进行编程和重编程，从而可为各种设备间和人机间的通信创建真正的单片式网络应用方案。

1.3.1IP2022的功能

IP2022为16位的高性能RISC处理器，速度可达120～160 MIPS，这种网络微处理器采用软件模块在一个芯片上实现多种通信接口，特别适合于无线通信和基于网络的控制应用。IP2022是业界领先的单片网络通信处理器，可以实现802.11a(11b、11g)、USB、I2C等协议接口。可在一个芯片上支持通信物理层Internet协议堆栈和特定设备的外设软件模块，并可在Internet上重构。

1.3.2IP2022的结构

IP2022片上有64K flash、16K SRAM(program)、4K SRAM(data)及10位ADC。其片内的双工通信模块可以采用图形化集成开发软件来实现各种常见的通信接口，支持Windows98／2000操作系统，并配置了Red Hat的GNUPRO集成开发环境。IP2022由于其内部含有全双工串行控制器Ser／Des，能方便地从一种格式转换为另一种格式，所以能作为协议转换器，它能直接与各种常用网络接口连接，实现片内10BaseT以太网、USB以及其他各种串行协议。IP2022的工作频率为100 MHz，大多数指令均为单周期执行，其吞吐量能满足各种新型网络应用的要求。

1.3.3IP2022可提供的网络通信开发IP模块

①IP OS：运行于IP2022的实时操作系统；②IP Ethernet：实现10 BaseT MAC/PHY；③IP Stack：实现TCP／IP stack,包括TCP，UDP，IP，ICMP，ARP，DHCP，Client SLIP;④IP File：文件系统；⑤IP Web:HTTP embedded Web server

1.3.4IP2022的网络通信应用

IP2022有两种评估套件给用户使用，即基于以太网协议和基于Internet网协议的堆栈评估套件，它们支持 TCP，UDP，IP，ICMP，ARP，DHCP，PPP，HTTP，STMP，DHCP，STMP和POP3等协议，同时也有相应的软件模块供用户使用，用户可根据需要对这些软件模块进行加载和调整。用户可以用C语言编写并完成自己的程序，还可对自己的系统直接进行在线仿真、调试。IP2022单片机的程序存储器采用FLASH结构，用户通过一个SPI接口将程序写入芯片。IP2022单片机提供了在程序运行当中进行再编程的能力，即可以通过网络远程修改节点的程序，最终组成一个基于Internet的具有很强可塑性的在线测控网络。

图5是由网络处理器IP2022组成的控制器框图［8］。图中IP2022一方面通过以太网接口接收二进制文件，将它存储到数据存储器中；另一方面作为控制器，从数据存储器中读取二进制文件，并解释该文件，产生TCK、TMS、 TDI和TDO信号，对CPLD进行在系统编程。目前可编程芯片厂商的配套软件都可以产生SVF文件，把它转换成二进制格式的文件后，通过SVF网络传送到数据存储器中，这样就可以利用IP2022对CPLD进行在系统编程。

23种接入Internet方法的比较

由于近年来Internet及通信产业的迅猛发展，半导体制造商都试图将各种通信协议集成在一个芯片内。但这种方法在实现过程中存在很多问题，惟一的解决方案是利用软件来完成协议处理。由于IP2022具有100 MIPS的指令处理速度，加上它的虚拟外设软件模块，能满足通常的嵌入式产品对处理性能的要求；同时，由于该单片机采用软件来实现各种协议处理，便于将来在不改变硬件的情况下，只改变内置程序即可升级整个嵌入式系统的功能。而且，软件模块的选择更加方便，功能也更加强大。由表1看出虽然新型的 Internet嵌入式微处理器的开发费用和价格较高，但随着其产量及其使用量的增大，其价格及开发费用都会有较大的下降。

3单片机接入Internet网络的前景展望

单片机通过嵌入式微处理器直接连入Internet网，这是单片机发展的 必然趋势。如果把这种芯片嵌入到家电里，就可以通过网页查看和控制空调、电冰箱、热水器的运行；如果把这种芯片嵌入到比较恶劣的环境里，就可以脱离辐射、高温对人体的危害，并能得到实时的现场数据。随着计算机技术、网络通信技术的进步和不断拓展，以PC机和工作站为基础，通过组建网络来构成实用的测控系统，提高生产效率和共享信息资源，已成为现代 测控系统发展的方向。如果在测控系统中有更多不同类型的由单片机组成的智能设备也像计算机和工作站一样成为网络的节点，充分利用目前已比较成熟的Internet网络设施，不仅能实现更多资源的共享、降低组建系统的费用，还可提高测控系统的功能，并拓宽其应用的范围。

计算机技术、传感器技术、网络技术与测控技术的结合，使网络化、分布式测控系统的组建更为方便。以Internet为代表的计算机网络技术迅猛发展及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广。有专家预计，在不久的将来，地球将披上一层由大量各种各样电子设备组成的“通讯外壳”，它们将负责监控城市、公路甚至整个环境，并会随时将测得的数据信息直接传入因特网。单片机技术也必将在网络时代发生革命性的变化。

参考文献
［1］蔡皖东.计算机网络技术［M］.西安：西安电子科技大学出版 社，1999．
［2］梁亚光.单片机的Modem通讯［J］.单片机与嵌入式系统应用，2001，(8)： 61－63
［3］赵葵银，唐勇奇.MCU应用系统与Internet连接的一种新技术［J］. 单片机与嵌入式系统应用，2001，(2)：35－37．?
［4］PS2000网络接口［M］.武汉力源电子股份有限公司，2000．?
［5］李鸣华.单片机在Internet通信中的应用［J］.计算机与现代化，2003，(2 )：43－44．?
［6］朱飞，李光辉.基于网络接口芯片的嵌入式Internet应用系统设计［J］.江 苏电器，2002，(1)：19－21．
［7］杨瑞峰，侯文.基于Internet的测控技术研究［J］.测试技术学报，2003,(2)：153－155．?
［8］韩晓茹，肖铁军.嵌入式系统中器件CPLD的在系统编程［J］.计算机工程， 2003，(8)：172－173．