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独创性( 或创新性) 声明 f f j i f j i f | | i j 川川删 y 1 7 5 7 9 0 1 ” 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：血佥幽 日期： 独f q ：f ：皇 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 毖盎立愈 日期：垫f ! ：l 翌 导师签名：丞雏出 日期：羔生z 垒! 墨 l i r f k r 1j 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 摘要 嵌入式系统是当今计算机及控制领域的研究热点之一。在人们提 出“每个人都接入i n t e r n e t ”这个观念后的不久，“每个设备都接 入i n t e r n e t ”的概念也已深入人心，越来越多的嵌入式系统需要增 加网络通信功能。嵌入式网络设备是嵌入式系统与网络技术的结合， 是嵌入式系统向低成本、高性能、网络化方向发展的必然趋势。嵌入 式网络设备必将开创嵌入式技术应用的美好未来。目前已应用于工业 控制和日常生活的多个方面，包括智能家居、远程监控、环境探测、 生物医学研究等。远程监控是指本地计算机通过网络系统如 i n t e r n e t i n t r a n e t 对远端设备进行监视和控制，是本文所要讨论的 应用实现。 嵌入式网络设备实现的关键技术是结合资源有限的嵌入式系统 软硬件环境及实际应用的需要，对通用计算机系统平台下的t c p i p 协议栈进行简化和改进，以实现一种能满足应用需要的嵌入式t c p i p 协议栈。b s 方式以其良好的通用性，平台独立性和交互性成为远程 监控系统设计中的必然选择。 本文首先介绍了该嵌入式系统的软硬件环境，并分析了远程监控 的功能需求。确定符合该系统的精简t c p i p 后，本文比较了使用c m x m i c r o n e t 和自主设计的协议栈的优缺点，该系统最终采甩c 进行自 主协议栈的设计。因此详细分析了各层所应用到的协议的精简和实现 并搭建了w e b 服务器。同时，考虑到已实现的通过串口通信的本地键 盘控制，本文移植了u c o s i i ，实现了网络通信任务和串口通信多 任务的并行处理。 关键词：嵌入式，网络，t c p i p ，w e b ，u c o s - ii kr，i j1j 北京邮电大学硕士学位论文 基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 m c ub a s e dw e bs e r v e r f o rr e m o t ec o n t r o l l i n ga n dm o n i t o i u n g f i b e rd e t e c t i o nd e c e a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e mi sp r e s e n t l yah o tr e s e a r c ht o p i ca m o n g c o m p u t e r a n dc o n t r o la r e a s a f t e r t h e “e v e r y b o d y - i n t h e i n t e r n e t w a v e n o w o b v i o u s l yf o l l o w st h e e v e r y t h i n g - i n t h e - i n t e r n e t w a v e i no t h e rw o r d s ， m o r ea n dm o r ee m b e d d e dd e v i c e sh a v et h ed e m a n do fb e i n gn e t w o r k e d e m b e d d e dn e t w o r k e ds y s t e m sw h i c hc o m b i n et h et e c h n o l o g i e so fb o t h e m b e d d e ds y s t e m sa n dn e t w o r k ss h o wt h a te m b e d d e ds y s t e m sw o u l db e l o w e r - c o s t 、h i g h e r - f u n c t i o n e da n dm o r en e t w o r k e d s of a r e m b e d d e d n e t w o r k e ds y s t e m sh a v eb e e na p p l i e di nm a n ya s p e c t so fi n d u s t r i a l c o n t r o la n dp e o p l e sd a i l yl i v e si n c l u d i n gs m a r th o m e 、r e m o t ec o n t r o l a n dm o n i t o r i n g ( r c m ) 、e n v i r o n m e n td e c t i o na n db i o m e d i c a lr e s e a r c h e s e r e t 1 1 i sp a p e rt a l k sa b o u tr c mw h i c hm e a n sc o n t r o l l i n ga n d m o n i t o r i n g ar e m o t ed e v i c et h r o u g hi n t e m e t i n t r a n e tu s i n gal o c a lp c t h ek e yt e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tn e t w o r kc o n n e c t i o nf o re m b e d d e d s y s t e m si s t os i m p l i f ya n di m p r o v en o r m a lt c p i ps t a c ka c c o r d i n gt o h a r d w a r e s o f t w a r er e s o u r c e sa n ds y s t e mf u n c t i o nr e q u i r e m e n t ss oa st o b u i l da na p p r o p r i a t ec u tt c p i ps t a c k b sm o d e lm a k ei ti n e v i t a b l ef o r r c mb e c a u s eo fi t s g o o du n i v e r s a l i t y 、p l a t f o r m - i n d e p e n d e n c ea n d i n t e r a c t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yc u s t o m i z e sac u tt c p i ps t a c kb a s e do nt h e a n a l y s i so ft h ew h o l es y s t e m a n dt h e ni tc o m p a r e st w oa p p r o a c h e so f c o n t r u c t i n g t h i ss t a c ku s i n gc m xm i c r o n e ta n dcl a n g u a g ew h i l e e x p l a i n i n gt h el a t t e ro n ed e t a i l e d l ya n dp r e c i s e l y m e a n w h i l e ，i td i s c u s s e s h o wt o p o r tu c o s i i i n t oc 8 0 5lf 3 4 0i nc o n s i d e r a t i o no fs e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e s i d e sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns o a st o i m p l e m e n t rkr 北京邮电大学硕士学位论文 基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 m u l t i t a s kp a r a l l e lc o m p u t i n g k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，n e t w o r k e d , t c p i p , w e b ，u c o s i i i i i 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 目录 第一章绪论1 1 1 嵌入式系统：l 1 1 1 嵌入式操作系统2 1 1 2 嵌入式系统的网络化发展3 1 1 3 远程监控系统技术背景。3 i 2 课题来源及出发点4 1 3 本文的内容和组织结构5 第二章基于单片机的w e b 服务器的整体分析6 2 1 基于嵌入式w e b 服务器的整体方案6 2 1 1 电机、键盘、传感6 2 1 2w e b 服务器的实现方案6 2 1 3 本文拟采用的方案8 2 1 4i n t e r n e t 接入问题8 2 2 系统硬件介绍9 2 2 1c 8 0 51 f 3 4 0 9 2 2 2c p 2 2 0 0 1 0 2 3 开发环境1 1 2 4 系统软件设计1 2 第三章u c o s i i 的移植1 3 3 1u c o s i i 介绍。1 4 3 2u c o s 工作原理1 4 3 3 移植过程中值得注意的i 口j 题1 6 3 3 1 可重入函数1 6 3 3 2u c o s i i 中的形参与c 5 1 关键字同名问题。1 7 3 3 3 初始化文件s t a r t u p a s l 1 7 3 4u c o s i i 在c 8 0 5 1 f 3 4 0 上的移植1 8 3 4 1数据类型的声明( o sc p u h ) 1 8 3 4 2 宏的定义( o sc p u h ) 1 9 3 4 3 o s c p u _ - c c 2 0 3 4 4o sc p ua a s m 2 1 北京邮电大学硕士学位论文 基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 3 5u c o s i i 应用。2 4 3 5 1 w e b 服务器的实现2 4 3 5 2 串口通信2 4 第四章t c p 门咿的实现2 5 4 1t c p i p 协议简介2 5 4 2c 1 i ) ( m i c r o n e t 2 6 4 3 协议栈的c 代码实现2 6 4 3 1以太网帧的发送与接收。2 8 4 3 2a r p 协议的实现3 l 4 3 3i p 的实现3 3 4 3 4i c m p 的实现3 6 4 3 5t c p 的实现3 8 第五章w e b 服务器的建立4 6 5 1 报文格式4 6 5 2w e b 页面存储形式4 8 5 3h t t p 的实现4 8 5 4 简单的数据报分片5 0 第六章总结与展望5 2 6 1 主要工作总结5 2 6 2 下一步工作。5 2 参考文献5 4 致谶一5 6 攻读学位期间发表的学术论文目录5 7 1，l 北京邮电大学硕士学位论文 基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 1 1 嵌入式系统 第一章绪论 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是用来控制 或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备。国内嵌入式系统被定义为：以 应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统，对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【l j 。 嵌入式系统由硬件和软件两个部分组成，如图1 1 所示。硬件主要指处理器 和外围硬件设备，软件部分则主要包括嵌入式操作系统和嵌入式应用程序。 嵌入式应用 嵌入式 操作系统 硬件平台 应用程序与操作系统的接口 操作系统与硬件的接口 图1 - 1 嵌入式系统的基本结构 嵌入式系统较之通用计算机具有以下特点【2 1 。 嵌入式系统功耗低、体积小、集成度高、专用性强。嵌入式系统与通用p c 最大的不同之处就是嵌入式系统大多工作在为特定用户群设计的系统中，能够把 p c 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。 嵌入式系统和具体应用紧密地结合在一起，它的升级换代也是和具体的 产品同步，因此嵌入式产品一般具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片中，而不是存储于磁盘等载体中。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，需要专门的开发工具盒开发环境。 这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑 分析仪、混合信号示波器等。 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，软件代码要求高 质量和高可靠性。 嵌入式系统具有多样性，应用广泛，种类繁多。 r l 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 1 1 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s 或e o s ) 是 一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件。它是嵌入式系统极为重要的 部分，负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动。 通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图 形界面、标准化浏览器等。它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模 块来达到系统所要求的功能。随着i n t e m e t 技术的发展、信息家电的普及应用及 e o s 的微型化和专业化，e o s 开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发 展。 国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有4 0 种左右。现在，市场上非常流 行的e o s 产品，包括3 c o m 公司下属子公司的p a l mo s ，全球占有份额达5 0 ； m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 不过2 9 。在美国市场，p a l mo s 更以8 0 的占 有率远超w i n d o w sc e 。开放源代码的l i n u x 很适于做信息家电的开发 常见的嵌入式系统有：l i n u x 、u c l i n u x 、w i n c e 、p a l m o s 、s y m b i a n 、e c o s 、 u c o s i i ，v x w o r k s ，p s o s ，n u c l e u s ，t h r e a d x ，r t e m s ，q n x ，i n t e g r i t y ， o s e 、ce x e c u t i v e 系统性能向信息化、网络化、智能化发展是嵌入式操作系统的重要发展趋势。 现今的嵌入式操作系统一般具有以下特点1 3 】【4 】。 可装卸性。具有开放性、可伸缩性的体系结构。 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 统一的接口。提供各种设备驱动接入。 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供 t c p 肘d p i p p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算 设备预留接口。 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干 预，这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统 的用户接口一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供 服务。 固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式 系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此， 嵌入式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存 文件系统。 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 2 1 l 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 1 1 2 嵌入式系统的网络化发展 将嵌入式系统与以太网相结合的想法由来已久，主要的困难在于当时的以太 网在速度和确定性等方面都有很大的欠缺，不能满足工业通信网络要求；另外， 各种网络通信协议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等的要求比较高，当时 的嵌入式系统中除部分3 2 位处理器外，都无法达到这一要求。随着工业以太网 在速度上不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技术的融入，以太网与工业 通信网络的差距正在逐步缩小。而半导体技术和系统设计方法的提高使得单片机 在内部结构、功率消耗以及制造工艺等诸多方面有了长足的进步。将t c p i p 嵌 入到单片机中成为可能【5 】。嵌入式系统的网络化使其具有了更广阔的应用，如智 能家居、环境探测及本文所要讨论的远程监控等应用。 1 1 3 远程监控系统技术背景 早在1 9 9 7 年斯坦福大学和麻省理工学院就举办了基于i n t e m e t 的远程监控 诊断工作会议，讨论了远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对 用户的合法限制等，并对其未来技术发展作了展望。远程监控是本地计算机通过 网络系统如i n t e m e t i n t r a n e t 对远端设备进行监视和控制，完成对分散控制网络的 状态监控及设备诊断维护等功能。远程监控系统主要由现场监控模块、通信系统 和监控中心组成。现场监控模块负责完成信息的采集和响应监控中心发出的控制 命令；通信系统负责传输检测数据和命令；监控中心负责收集各监控模块上的监 控信息，并给监控模块发送各种操作命令。监控中心一般由信息处理能力较强的 计算机组成，运行专门的图形化监控软件，同时可对监测数据进行处理和保存1 6 j 。 远程监控有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据采集 后直接送到远程计算机进行处理。这种远程监控与一般的现场监控没有多大的区 别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其他部分则和现场监控系统相同。 另一种是现场监控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布于各个设备 的传感器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶段， 然后各个管理站的的服务再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网 ( i n t r a n e t ) r l 。在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合，要能够及时地监视 设备的运行状态并进行有效控制，这就是远程监控技术在工业生产上的需求。如 今远程监控技术正被应用于越来越多的场合，如智能家居、厂房监控、森林防火、 煤矿、灯光控制、城市消防等应用。 网络通信技术是远程监控系统中最为关键的技术。通信网络主要负责监控端 和用户端数据的实时、准确、畅通的传输。目前一般有有线和无线两种方式，而 且基本由两者兼用来实现，可以起到互为备份的功能。有线方式适用于位置固定、 传输距离较近的场合，且传输方式高速稳定，满足监控点相对集中、距离较近的 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 监控系统需要。无线方式适用于流动性大、距离较远的场合。 目前网络通信一般采用s o c k e t 技术、f t p 、e m a i l 、w 曲技术等。基于b s 和c s 的远程监控系统以h r r p 技术为基础，具有简单、高效等优点，已成为信 息网络的一种最普遍应用的信息交互平台【8 】。但是传统的c s 体系结构正渐渐被 b s 结构所取代。b s 的基础是客户端要有一个浏览器程序，服务器端要有一个 与之对应的w e b 服务器。 嵌入式w e b 服务器的优势。w e b 技术以良好的通用性，平台独立性和交互 性成为嵌入式系统网络化过程的必然选择。带有w c b 接入能力的嵌入式设备将 会得到飞速的发展，应用在信息家电、通信设备、仪器仪表、远程管理等各个领 域中。w e b 技术的发展几乎改变了现在的信息表达形式，很多应用都是基于w e b 技术的。由于h t m l 语言的标准统一性，只要在嵌入式设备中有一个微型服务 器，就可以使用任意一种w e b 浏览器接收和发送信息。所以如何设计这种特别 的w e b 服务器，如何在嵌入式设备中安装w e b 服务器，就成了嵌入式w e b 服 务器的发展和研究方向。对于嵌入式w e b 服务器的研究和应用，其意义是重大 的。它为我们管理、控制和监测各种各样设备提供了一个很好的途径。这种设备 可以是具有有限内存资源的8 位或1 6 位系统，已足够提供一个用户界面，而且 这种方式是基于i n t e r n e t 的。这种设备可以在世界任何一个地方，只要它连入 i n t e m e t 就能够控制它。 1 2 课题来源及出发点 本文所要讨论的主要内容便是基于m c u 的w e b 服务器的搭建及研究，并 将其应用于远程监控光缆检测设备。该项目来源于布来得公司正在做的一个嵌入 式设备，该设备将应用于监控光缆检测设备，如控制冲击的频率、次数、点数等 参数，并将相关状态反馈给操作者。为实现能够远程通过该嵌入式设备监控光缆 检测设备，需要实现该嵌入式系统的网络连接功能和用户端交互界面。 嵌入式网络设备服务器在设计时按用途分为两大类，一类适用于对系统成本 敏感，数据量少，对通讯指标要求低的场合，价格低廉、货源充足的8 1 6 位嵌 入式控制器是首选，即低端嵌入式服务器系统；另一类适用于数据量大，对通讯 的实时性和可靠性要求高的场合，性价比高的1 6 3 2 位的嵌入式微处理器是最佳 选择，即中高端嵌入式服务器系统。目前市场主流的远程监控系统采用p c 或3 2 位的高档单片机、a r m ，f p g a 等为核心构成。这些方案的缺点是成本过高、开 发复杂、周期长、难以普及 9 1 。 考虑应用需求，该系统采用第一类设计，即采用c 8 0 5 1 f 3 4 0 和外部网络芯 4 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 片c p 2 2 0 0 的方式实现远程监控的目的。同时为更好地调度t c p i p 的运行，软 件系统中实现了u c o s i i 的移植。这种方案的特点是不需要过多的专用设备， 外围器件少，成本低，开发简单，而且可扩展性很强，可以应用在很多场合，因 此具有较大的实用价值和经济价值。 研究任务及主要工作： 与课题内容相关的软件和硬件资料的收集与整理。 精简t c p i p 的实现。 w e b 服务器的实现。 u c o s i i 系统的移植及应用。 1 3 本文的内容和组织结构 全文共分五章，各章安排如下。 第一章主要介绍了嵌入式系统及嵌入式操作系统的发展。然后讨论了远程监 控系统的现状、发展及其所应用的关键技术。说明了w e b 服务器在远程监控系 统中的优势。然后说明了本文所讨论的课题的来源和出发点，并对主要研究任务 和工作做了概括。 第二章从软硬件架构上给出了w e b 服务器的设计。首先比较了常用的几种 w e b 服务器的实现方案，然后考虑本系统需求，给出了适合本系统的实现方案。 介绍了该系统的软硬件环境，并给出了系统软件框架体系。 第三章详细阐述了u c o s i i 在c 8 0 5 1 f 3 4 0 上的移植过程。最后分析了移植 过程中需要着重注意的问题及解决办法。 第四章主要讲述嵌入式t c p i p 的实现。首先说明了网络芯片c p 2 2 0 0 的驱 动实现，然后根据系统要求得到了精简t c p i p 协议栈，并详述了实现的具体过 程。 第五章对应用层如何实现w e b 服务器作了介绍。 第六章对论文做了一个总结，分析了本文所实现的基于m c u 的w e b 服务 器用于远程监控系统的优缺点，并对下一步工作做了展望。 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 第二章基于单片机的w e b 服务器的整体分析 本章首先分析了基于单片机的w c b 服务器的远程监控系统的体系框架。然 后介绍了目前国内外嵌入式i n t e m e t 的几种实现方案，并比较了它们的优缺点， 同时探讨了i n t e r n e t 接入方式。最后对该服务器的硬件和软件开发环境作了介绍。 2 1 基于嵌入式w e b 服务器的整体方案 本文所要实现的嵌入式w e b 服务器工作的环境如图2 1 所示。 图2 1 系统整体架构图 2 1 1 电机、键盘、传感 电机：电机转动带动冲击物冲击光缆，电机可控制的参数有转速和转向。 键盘：该系统已实现用键盘本地控制电机用于本地操控该嵌入式设备。 传感器：传感器读取一些信息，m c uc 8 0 5 1 f 3 4 0 读取这些信息并通过w e b 页面反馈给操作者。 2 1 2w e b 服务器的实现方案 嵌入式i n t e m e t 是嵌入式技术和i n t e m e t 技术相结合的产物，它将精简t c p i p 作为一种嵌入式应用集成到嵌入式软件模块中，从而实现接入i n t e m e t 的目的。 据网络专家的预测，未来i n t e r n e t 上传输的来自于小型嵌入式系统的信息，将达 到7 0 ，如何将各种不同的系统接入i n t e m e t 就成了当今的热门话题。利用m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 实现嵌入式i n t e m e t 接入i n t e m e t 的技术难点在于如何利 用m c u 自身有限的资源实现网络互联。目前主要的解决方案有以下几种【l o 】f l l 】。 6 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 1 m c u + w e b c h i p + 网关( g a t e w a y ) w e b c h i p 是独立于任何m c u 的专用网络控制芯片，m c u 通过w e b c h i p 与 网关连接，然后经网关接入i n t e m e t 。w e b c h i p 内部固化了m c u n e t 协议，为 m c u 提供了具体指令以实现双方的通信。该方案的主要优点是w e b c h i p 掩盖了 和网关通信的细节，开发人员无需熟悉复杂的网络协议。缺点是需要单独以太机 器作为网关。 2 3 2 位嵌入式微控制器+ l 汀o s 该方案采用3 2 位的高档单片机在实时操作系统之上用软件方式直接处理 t c p i p 协议由此接入i n t e r n e t 。当前r t o s 的功能越来越强大，许多都具有对图 像界面和t c p i p 的支持能力，较为流行的r t o s 主要有v x w o r k s ，p s o s ， n u c l e u s ，q n x ，w i n d o w sc e 等。这种方式可以按照用户的需求实现很多复杂的 功能。但这种方案存在如下缺点：高档3 2 位单片机与r t o s 开发软件的购买成 本较高，不适用于小型嵌入式应用；对相应的开发人员的开发能力也有较高要求， 软硬件开发周期较长1 2 l 。 3 专业的嵌入式网络协议e m i t e m w a r e 公司提出嵌入式系统入网的方案一e m i t ( e m b e d d e d m i c r o i n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 技术。这个技术包括四个主要部分即e m m i c r ow c b 服务器，e m g a t e w a y 和网络浏览器和e m i t 接入函数库。其中e m m i c r o 是嵌入 设备中的一个只占内存容量1 k 字节的通信程序，是e m g a t e w a y 和嵌入式设备系 统软件之间的通信服务模块，用来解释e m g a t e w a y 的命令；e m g a t e w a y 类似于 大型网络中的网关，一般是一台高性能的单片机或是普通的p c ，用于实现对多 个嵌入式设备的管理，还有标准的i n t e m e t 通信接入以及网络浏览器的支持，从 而提供了嵌入式网络的结构化、智能化和浏览信息的归一化【1 3 】。 e m i t 软件技术使用标准的i n t e r n e t 协议对8 位和1 6 位嵌入式设备进行管理， 但比传统上的开销小得多。与嵌入式设备的通信可以通过命令行实体的执行而不 必通过w e b 浏览器或w e b 客户机，也可以自定义一个网络应用程序以与 e m g a t e w a y 和嵌入式设备通信。 该方案的优点是具有很好的性价比。缺点是应用系统设计工程师的工作量较 大；应用系统的单片机处理e m i t 协议要占用一定的系统资源。 4 8 位m c u + 网络芯片 该方案中，嵌入式系统由m c u 和t c p i p 协议芯片构成，如图2 2 所示。 其中m c u 负责采集数据和处理远端传来的控制信息，而网络控制芯片负责网络 传输功能。协议芯片可以是固化了代码的硬件芯片，也可以是软件固化的。软件 固化的芯片需要m c u 有较高的时钟频率。该接入方案的优点是将8 位单片机直 7 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 接与i n t e r n e t 连接，可以通过p c 远程访问单片机系统，也可以通过单片机系统 将信息发送到远程p c 或其他终端上，从而实现远程监控。缺点是开发人员必须 熟悉t c p i p 协议和相关的接口技术。另外由于每个接入网络的嵌入式设备均需 要一个口地址，随着i p v 6 的推广，该方案将有很大的市场。 图2 - 2m c u + t c p i p 处理方式 5 m c u + w e b i t w e b i t 是沈阳东大新业信息技术股份有限公司研制开发的嵌入式系统接入 i n t e r n e t 的一个实用产品，它将m c u 和以太网控制器集成到一块小板卡上，将 它装入到嵌入系统中就可以完成嵌入系统与i n t c r n e t 网的连接。w e b i t 与前面提 到的前一种方式相似，但它有更高的集成度，将协议处理部分独立出来。开发人 员因此省去了网络部分的设计，可以将主要精力放在应用系统本身。该方式不需 要网关，软、硬件结构可以独立设计，开发成本相对较低【1 4 1 。 2 1 3 本文拟采用的方案 方案的选择应该基于系统硬件及功能需求来确定。纵览以上几种设计方案， 各种方案都有各自的技术优缺点和应用范围。由于本文所讨论的系统的硬件已经 确定，类似于方案4 所适应的系统。考虑到网络芯片c p 2 2 0 0 只是固化了物理层， 上层的t c p i p 仍需要在m c u 中通过软件来实现。这便是本系统所采用的网络 连接不同于上述所讨论的方案的地方。同时考虑到除了网络通信外，该嵌入式设 备还需要兼顾已实现的本地控制即键盘控制功能。因此嵌入式操作系统成为一个 必需的选择。这在第三章“u c o s i i 的移植”中有详细的分析，这里不再赘述。 2 1 4 i n t e r n e t 接入问题 方案确定以后，接下来便要考虑接入网络的标准问题。接入i n t c r n e t 有很多 种方式，目前可供选择的接入方式主要有p s t n 、i s d n 、d d n 、l a n 、a d s l 、 v d s l 、c a b l e m o d e m 、p o n 和l m d s 九种【l 引，它们各有各的优缺点。以太网技 术成熟、成本低、结构简单、稳定性、可扩充性好、便于网络升级。当前在商业 领域正风靡的以太网与控制网络的结合，被视为继c c s ( c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m ) 、d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、f c s ( f i e l d b t l sc o n t r o ls y s t e m ) 北京邮电大学硕士学位论文基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 之后控制网络中最热门的研究领域之一。而且本文所研究的嵌入式设备是放置在 公司的厂房中，故而这里采用以太网作为i n t e r a c t 接入方式。不作特殊说明时， 本文的i n t e r a c t 接入均指以太网方式的接入。 2 2 系统硬件介绍 系统硬件主要由c 8 0 5 1 f 3 4 0 、网络芯片c p 2 2 0 0 和一些外围电路构成。 2 2 1c 8 0 5 l f 3 4 0 c 8 0 5 1 f 3 4 0 1 6 】是s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 所生产的一系列m c u 中的一款。它具 有4 8 m i p s 的c o r e ，满足1 0 m 以太网包的收发。6 4 k b 的f l a s h 为t c p i p 协议 和用户应用程序提供了足够的程序存储空间。4 k + 2 5 6 r a m 为r s 2 3 2 和以太网包 的收发提供了足够的b u f f 。用户数据也会占用一部分存储空间。并行存储器接口 与c p 2 2 0 0 连接，可以实现对c p 2 2 0 0 的操作。丰富的外部i o 和a d 接口也可 同时兼作终端控制板。 c 8 0 5 1 f 3 4 0 具有c i p 5 1 内核，因此具有标准的8 0 5 1 代码和数据存储空间的j 地址分配。存储区可分为内部数据存储区、外部数据存储区以及程序存储区。 c 8 0 5 1 f 3 4 0 有2 5 6 字节的内部数据存储区，其中低1 2 8 字节可直接寻址，高1 2 8 字节( 从o x 8 0 到0 x f f ) 只能间接寻址，从2 0 h 开始的1 6 字节可位寻址。因此 可以用一个8 位地址访问，所以内部数据区访问很快。内部数据区又可以分成三 个不同的存储类型：d a t a ，i d a t a 和b d a t a 。外部数据区也是可读写的，访问外部 数据区比访问内部数据区慢，因为外部数据区是通过数据指针加载地址来间接访 问的。c 8 0 5 1 f 3 4 0 的内部数据和外部数据存储空间分配图如图2 3 所示。 d a t am e m o r y ( r a m ) 0 x f f f f l n t e r n a ld a t aa d d re s ss p a c e u p p e r1 2 8r a ms p e d a lf u n c t i o n ( 1 n d l r e 髓a d d r e s s l n gr e g i s t e r s o n l y j( d i r e c ta d d r e s s i n go n 啦 f d i r e c ta n di n d i r e c t a d d r e s s i n g ) l o w e r1 2 8r a m “常馏 j a d d r e s s o n g ) e c t a n di n d i r e c t b i ta d d r e s s a b | e ：4 j g e n e r a tp u r p o s e 靛。r e g i s t e r s 。鬟 o x l 0 0 0 o x 0 f f f e x t e r n a ld a t aa d d r e s ss p a c e o x 0 0 0 0 o f f - c h i px r a m ( a v a i l a b l eo n l yo n d e v i c e sw i t he m i f ) x r a m 一4 0 9 6b y t e s ( a c c e s s a b l eu s i n g m o v xi n s t r u c t i o n 图2 3c 8 0 5 1 f 3 4 0 数据存储空间 实际的代码编写中要注意变量的定义问题。在c x 5 1 中，对变量进行定义的 格式为：【存储种类】数据类型【存储器类型】变量名表【1 7 】； 9 f 0 f 0 f o f o 咐 啪响 蚴眦洲嗍 北京邮电大学硕士学位论文 基于单片机的光缆检测设备远程监控系统 “存储种类”和“存储器类型”是可选项。变量的存储种类有4 种：自动( a u t o ) 型、外部( e x t e r n ) 型、静态( s t a t i c ) 型和寄存器( r e g i s t e r ) 型。定义变量时如 果省略存储种类选项，则变量是自动型的。每个变量的声明中还可包括对存储器 类型的指定，即指定变量存放的位置。如下述定义所示。 c h a rx d a t ai n b u f l 15 0 0 】a t - 10 0 0 ； u c h a ri d a t ad e b u g ； u l o n gc o d em y _ i p a d d r ； 内部数据区可有分成3 种不同的存储类型叫a t a ，i d a t a 和b d a t a 。 d a t a 存储区指低1 2 8 字节的内部数据区，直接寻址。 i d a t a 存储