基于单片机的因特网通信系统设计

王雪飞

（新疆职业大学 新疆 乌鲁木齐830013）

基于单片机的因特网通信系统设计

王雪飞

（新疆职业大学 新疆 乌鲁木齐830013）

智能家电以及各种智能仪器仪表这种需要与因特网络连接的非PC设备的使用越来越频繁，而这些设备主要还是使用的8位处理器，若要使其实现互联网的通信功能，必须拓展其网络功能。文中提出基于单片机的因特网通信系统设计，选择八位单片机与因特网控制芯片构成单片机通信系统。经过分析和验证证明，该系统可以实现对仪器仪表的远程控制，并可对文字图像的信息进行实时传输，具有良好的实用价值。

TCP/IP协议；Internet网络；单片机；web server

基于单片机的因特网络通信，实际上就是通过传统网络中的TCP/IP协议将单片机中的一些应用植入到网络中，用来实现信息的交流与传递。将单片机与网络有效的联系起来，给传统因特网带来了新的活力，这也是未来信息化社会一个发展的趋势。单片机与因特网通信最重要的一部分就是将TCP/IP协议嵌入到电子设备中[1-2]。现在的技术往往是利用专用的接口芯片将单片机与网关联系起来，使其可以自由进行协议间的转换，网络接口芯片就是其传递信息的桥梁。每个芯片在单片机中都是独立存在的，通过输入与输出接口将微控制器连接起来。这样的做的优势就是单片机可以通过芯片来接受和发送由网络传送过来的一系列指令，实现创统电子设备的信息化与智能化。但是随着互联网技术的日渐普及与发展，对信息化处理的快捷性与准确性的要求就变得越来越高，而嵌入式系统是随着网络快速发展后又一个科技发展的大趋势。嵌入式技术的飞速发展，将为人们对各种客户终端设备的灵活、高效和高性价比的需要，提供良好的解决方案。在嵌入式系统中，单片机起着举足轻重的作用，在现在常用的处理器中，8位的微处理器依靠其稳定的性能，成熟的技术以及相对比较合理的价格在处理器的使用和选择中占有不可动摇的地位。如何将单片机与因特网联系起来已经成为了目前科技研究者讨论的一个热门话题。现如今的应用，比如在单片机的基础上，通过与无线网的连接实现屏幕的无线化，用于天气预报的报道，校园通知和信息等的展示等，控制人员可以对其实现远程精确控制，不必进入到现场进行操作，实现了远程控制和管理。还有就是可以通过单片机对校园进行实时监控。利用校园内的摄像头进行信息的采集，单片机控制数据的采集的工作，利用网络进行数据及信息的实时传递，管理者可在计算机前对校园内发生的所有事情做到了如指掌。硬件设备的共享可以使人力和物力得到大大的解放，这也是目前发展的一大趋势[3-4]。

1 系统实现原理

基于单片机的网络通信，核心就是将原来网络中的TCP/ IP协议在单片机中进行实现。这里面对于一些微型的单片机嵌入式系统，由于常规的TCP/IP协议自身的复杂性以及单片机由于空间问题造成的运行能力问题，需要对单片机内部的使用资源进行优化，使其可以满足网络传输中缓存以及对数据处理的准确性和时效性方面的硬性需求。还可以从TCP/ IP协议自身入手，对协议进行优化和删减，只留与单片机有关的部分，在保证时效性和安全性的基础上，进行优化和改良。所以为了满足上述条件，在系统的设计中加入了实时操作系统RTOS（Real Time Operate System）。该嵌入式实时操作系统其实就是指在确定时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。该操作系统是独立于单片机系统与网络丝独立存在的，这么做的好处就是由于单片机例如8位处理器本身可利用资源就是有限的，再加上TCP/IP协议自身的复杂性，若在其中在嵌入操作系统，系统自身的稳定性与准确性就无法得到保证[5-6]。所以文中设计的独立于操作系统的 TCP/IP协议，完全可以满足系统的需要。下面对设计的方案原理以优势进行说明，本方案设计的初衷就是解决8位单片机自身存在的资源不够用的问题，所以对代码的要求就是尽量做到简化。使用独立的实时操作系统，可以使代码尽可能的简洁化，节约了资源。还有就是目前选择使用的单片机其自身就有很好的安全和加密措施，在互联网充斥着病毒和恶意攻击的环境下可以充分保障使用的安全性和可靠性。最后就是由于单片机自身处理速度的限制，在处理多任务的进程时可能达不到预期的效果，从响应时间和响应准确性上都达不到要求。本系统使用的是针对HTTP协议的任务处理进程，是独立于各个环节的独立系统，所以可以达到预期的目标[7]。

2 硬件实现

使用高档 8位单片机对网络接口芯片进行控制时，单片机中的微处理器不仅需要实现TCP/IP和应用层协议，还要对嵌入式的电子元器件进行控制和管理。而互联网中的接口芯片自身就可以实现传输层和数据链路层的协议，但也要通过RJ45接口与因特网进行串口通信。本系统的硬件实现过程与互联网连接实现数据共享和传输的原理图如图1所示。网络接口中最重要的器件就是以太网控制器，其实现了嵌入式系统与网络的互通功能。以太网控制器一般情况下可以依照其集成度分为两种，一种是集成了 MAC层和物理层来对系统的操作和需求进行实现。另一种则仅仅包含物理层接口，通过物理层的接口连接单片机与网络。在具体应用时，考虑到设计所需的具体时间以及设计的条件和自身的难度情况，一般会选择第一种模式，即物理层和链路层实现的以太网控制芯片。系统的接口也分为两种，分别为集成了ISA总线接口以及集成了PCI总线接口[8-9]。对于 8位单片机与Internet网络互联，一般选择 ISA接口的网络芯片，因为采用PCI接口的网络芯片和单片机的连接相对复杂，需要专门的转接芯片。所以经过综合的考虑，选用的是 RTL8019AS以太网控制芯片。RTL8019AS是REALTEK公司生产的高集成度专用以太网接口芯片，支持PNP自动探测，内嵌 16KB的SRAM，具有全双工的通信接口，可以通过交换机在双绞线上同时发送和接收数据，使传输带宽从10 Mbit/s增加到20 Mbit/s，是用来进行以太网通信的理想芯片[10]。

图1 单片机与Internet网络通信的原理图

3 软件设计

实现单片机与Internet网络的通信，最只要的步骤就是在单片机的内部完成TCP/IP协议。根据OSI传统的七层模型，传输层和应用层的协议是由以太网控制芯片 RTL8019AS来实现的，包括网络传输数据的分析，解码，转换，传输以及错误校验，MAC地址的转换与解析等。网络层则需要实现的是IP、ICMP协议的顺利完成，在这里ICMP协议的作用是在测试网络连接完成后对延迟的测试，也就是常说的ping。而IP协议的作用就是为网络层的 UDP和 TCP进行协议的服务。数据链路层是由UDP和TCP组成，UDP协议是用户自身发送数据的协议，主要为其上层传输层提供无需连接，稳定快捷的数据传输服务。但在TCP协议中的传输控制协议，其与用户自身数据协议相反，其主要工作目的是为上层提供有向连接以及有差错的数据信息传输服务。由于本系统主要实现的是webserver，数据需要实时性和一定的可靠性来进行保障，所以UDP协议就成为了系统中需要重点实现的协议。最后，在系统软件的具体应用上，系统实现了HTTP与ping协议。其中ping协议的命令的作用是确定网络是否连通以及稳定性是否达到要求，而HTTP协议则是本系统的关键，该协议是实现webserver应用的基础[11-12]。上文提到过，由于单片机自身资源的限制，想在单片机上实现完整的TCP/IP协议是打不到的，所以会选择将一些用不到的协议进行滤除，以及对使用的协议进行优化和删减，只保存可以用到的有效部分，具体的实现过程及原理会在下一节中进行详细的说明。根据OSI七层参考模型和TCP/IP协议，系统主要实现的协议和相互关系如图2所示。

图2 系统主要实现的协议和相互关系

4 TCP/IP协议在8位单片机上的实现

TCP/IP协议栈模型及各层相关协议的相互关系如图3所示。上文提到因为嵌入式系统自身的资源可利用能力相对较少，所以必须要根据实际的需求对协议自身进行适当的删减以及调节。一般来说，对上述问题进行简化和删减会有两种方案进行实现，第一种就是根据系统自身的需求，利用汇编语言重新对TCP/IP协议进行编写，该方案的特点就是对系统性能实现的针对性比较强，还有就是由于编写是依靠汇编语言进行的，汇编语言自身的特点就是代码简单，执行速度快，但是缺点也很明显，就是其由于代码过于精简导致其可读性较差其移植能力不强。而另一种方案则是利用C语言对TCP/IP协议进行完整的编写，在对完整的方案根据需求进行简化[14]。为了完成这个操作，系统选用的是nell公司设计只在微小型单片机上使用的数码编译器。在此编译器上对代码进行编写，虽然在编写效率上到不到汇编语言的速度，但是经过后期调试后的实际使用情况来看，对于单片机系统来说，完全符合设计要求，此外，在代码的移植能力以及可读性方面都有了很大的提升。互联网中的计算机，一般来说会存在两个地址，一个是IP地址另一个是MAC地址。若两台计算机之间相互通信，只需要知道目标主机的 IP地址即可。这正是Internet网络的设计目标：将底层信息最大程度的隐藏起来，让高层程序仅通过IP地址的使用来实现通信的目的。但是，通信环节不可避免的环节就是由物理网络使用底层网络硬件提供的物理编址方案执行。因此，在原主机与目标主机开始联络会话前，会存在一个IP地址和MAC转换的问题。为了识别携带ARP报文的帧，发送方给帧首部的类型字段分配了一个特殊值，并把ARP报文放在该帧的数据字段中。当每一帧到达计算机时，网络通信软件通过帧类型确定其内容[15-16]。

图3 TCP/IP协议栈模型

5 结束语

文中提出了基于单片机的因特网通信系统设计的一种具体的实现方案，在选择了目前比较流行的八位单片机与以太网控制芯片构成网络通信系统，并避开了微型单片机自身资源不足的缺陷，在TCP/IP协议的编写中进行改善，根据其自身系统的需求以及原理对不需要的协议经行删减和替换。

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The Internet communications system design based on single chip microcomputer

WANG Xue-fei
（Xinjiang Vocational University，Urumchi 830013，China）

Along with the computer，electronic information，the rapid development of multimedia technology，the Internet has become an indispensable part of people daily life.Now，intelligent household appliances and various kinds of intelligent instruments that need the use of the PC devices connected to the Internet is more and more frequent，and the equipment is mainly used 8-bit processor，to strengthen the function of Internet communication must expand its network function.In this paper，the Internet communication system based on single chip design，choice of eight single chip microcomputer control chip microcontroller with the Internet communications system.The system can realize the remote control of the instrument，and the text image real-time transmission of information，has a great economic and practical value，and also has the very strong impetus to the development of information technology.

TCP/IP protocol；Internet network；MCU；web server

TN99

A

1674－6236（2016）23-0153-03

2015-12-29稿件编号：201512293

王雪飞（1975—），女，新疆乌鲁木齐人，讲师。研究方向:电气自动化。