（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式internet技术的智能设备控制系统的研究.pdf

山东科技人学硕上学位论文 摘要 摘要 嵌入式系统是指嵌入到各种产品或工程应用中的，以微处理器或微控制器为核心的 软硬件系统。嵌入式系统与i n t e r n e t 技术相结合，形成的嵌入式i n t e r n e t 技术是近几 年随着计算机网络技术的普及而发展起来的一项新兴技术。它通过现有嵌入式系统，增 加因特网接入能力来扩展其功能，提出以低价位单片机作为微处理器，使嵌入式设备而 非p c 系统直接接入i n t e r n e t 。 在本文中，将嵌入式i n t e r n e t 技术应用到了智能设备方面。以现代家庭智能设备为 例，随着i n t e r a c t 网向普通家庭生活不断扩展，智能化信息家电产品已经开始步入家庭， 并成为现代社会和家庭的新时尚。当家庭智能设备控制器将家庭中各种各样的智能信息 家电设备通过特定的家庭总线技术连接在一起时，就构成了功能强大、高度智能化的现 代智能家居系统。 本文设计实现了以8 位微处理器p 8 9 c 5 1 r d 2 为核心的家庭智能设备控制系统。该控 制系统具有连接i n t e r n e t 的以太网接口，并且具有与家庭总线相连接的c a n 总线接口， 这样所有家庭总线( c a n ) 上的设备可借助该控制系统连接到i n t e r n e t ，实现远程访问 与控制。以太网接口是通过微处理器外接以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 实现的，c a n 总线 接口采用的是c a n 通讯控制器s j a l 0 0 0 及c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 。本文对这两种接口的 实现进行了详细的介绍。 嵌入式系统连入i n t e r n e t 除具有物理接口以外，还应该支持t c p i p 协议。本文对 t c p i p 协议进行了较为详细的描述，并根据嵌入式系统的特点对t c p i p 协议进行了简 化，实现了适合8 1 6 位嵌入式系统的轻量级t c p i p 协议。此外，为完善控制系统的功 能，设计实现r 一些与系统配套的辅助软件。 本文最后在模拟环境下，对设计实现的家庭设备控制系统进行了测试实践证明， 通过i n t e r n e t 智能设备与计算机等网络终端互连，并进行远程控制和访问是可行的。 关键词：嵌入式 i n t e r n e t 智能设备c a n 总线t c p i p 山东科技大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t e m b e d d e d s y s t e mi st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m ，w h i c hh a sb e e ne m b e d d e di nt h e a p p l i c a t i o no fp r o d u c ta n de n g i n e e r i n g , a n di sc o r e dw i t hm e n t h ee m b e d d e ds y s t e m ，w h i c h c a m ef r o mt h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y t e ma n di n t e m e t ，h a sb e c o m ean e wt e c h n o l o g yw i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r k ，i tb u i l d u p st h ea b i f i t yo fc o n n e c t i n gi n t e m e tt h r o u 曲 t h ee m b e d d e ds y s t e m i tb r i n gt h a te m m b e d d e ds y s t e m ，w h i c hi sc o r e dw i t hl o w - c o s t e d m c u ，d i r e c t l yc o m l e c t si n t e m e tw i t h o u t p c t h i st h e s i sa p p l y se m b e d d e di n t e m e tt oi n t e l l i g e n th o m ee q u i p m e n t w i t hi n t e m e td e v e l o p i n g t oh o m ee q u i p m e n t ，i n t e l l i g e n ti n f o r m a t i o np r o d u c t sh a v ec a m ei nh o m e , a n db e c o m eaf a s h i o n w h e ni n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e mc o n n e c t sa l lt h ee q u i p m e n tt h r o u g hh o m eb u s ，i tw i l lb u i l da m o r ep o w e r f u la n dm o r ei n t e l l i g e n tm o d e mh o m e s y s t e m t h i st h e s i sd e s i g n e da n dr e a l i z e dai n t e l l i g e n th o m ec o n t r o ls y s t e mc o r e dw i t h8 b i tm c u p 8 9 c 5 1 r d 2 i th a st h ee t h e m e ti n t e r f e r eo fc o n n e c t i n gi n t e m e ta n dt h ei n t e r f e r eo fc o n n e c t i n go t h e r h o m ee q u i p m e n tt h r o u 曲c a nb u s t h ee t h e m e ti n t e r f e r ei sr e a l i z e db yt h ee t h e m e tc o n t r o l l i n g c h i pr t l s 0 1 9 a s ，a n dt h ec a ni n t e r f e r ei sr e a l i z e db yt h ec a nc o n t r o u i n gc h i ps j a l 0 0 0a n d r e c e i v e rc o n t r o l l i n g c h i pp c a 8 2 c 2 5 0 i n t h et h e s i s ，b o t hi n t e r f e r e sa r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d i ft h ee m b e d d e ds y s t e mc a nc o n n e dt h ei n t e m e t , i tn o to n l yh a st h ep h y s i c a li n t e r f e r eb u ta l s o t h et c p 【pp r o t o c 0 1 i nt h et h e s i s ，t c p i pp r o t o c o la r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d w ea l s os i m p l i f i e dt h e p r o t o c o la c c o r d i n gt h ec h a r a c t e ro ft h ee m b e d d e ds y s t e ma n dr e a l i z e das m a l lt c p i pp r o t o c o l f i t t e dt oe m b e d d e ds y s t e m w ea l s od e s i g n e ds o m ea c c e s s i o n a ls o f t w a r et oe n f o r c et h ef u n c t i o no f t h es y s t e m i nt h el a s to ft h et h e s i sw et e s t e dt h ew h o l es y s t e mi ns i m u l a t e dc o n d i t i o na n dg o tas m i s f i e d e 丘e c t k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；i n t e r n e t ；i n t e l l i g e n te q u i p m e n t ；c a nb u s ；t c p i p l l 山东科技大学硕士学位论文绪论 l 绪论 1 1 课题的提出及研究内容 如今。i n t e m e t 已经成为社会重要的基础信息设施之一，是信息交流的重要渠道，它 在人们的生活中起着越来越重要的的作用。而网络最初的兴建起源于资源共享，如巨型 存储器的共享、高速行式打印机及数据库等的共享，因而网络是服务性质的，就其体系 结构而言为服务器客户机结构。 随着i n t e m e t 骨干网技术的飞速进展，使得基于分组交换技术的通信性能、质量和 可靠性得到稳步提高，网络应用的可靠性开始得到人们的信赖。过去大量的8 1 6 位单片 机的嵌入式设备，如家庭自动化设备、仪器仪表、数据采集和显示、过程控制设备等一 些实时应用系统，已经到了享受网络方便的时候了。它们将成为i n t e r n e t 网的发展沃土， 顺应“网络服务”向“网络应用”扩展的大潮。 从目前的情况来看，在家庭和工业等领域广泛应用的嵌入式系统，大多数还处于单 独应用阶段，如果这些嵌入式系统能够连接到i n t e r n e t 上面，则可以方便、低廉地将信 息传送到几乎世界上的任何一个地方，于是，嵌入式i n t e r n e t 技术应运而生，现在它的应 用已成为一个热门话题，也是本课题所要研究的主要内容。 如何将嵌入式系统与i n t e m e t 结合起来实现系统网络化，主要涉及两方面的问题： 一方面是传送信息的媒介，另一个方面是采用的协议。对于第一方面，与i n t e m e t 相联 接的途径有很多，可以是以太网或者电话线等媒介，在本课题中，由于以太网技术的普 及性，我们采用了以太网技术，采用这种技术的原因将在以后的章节介绍。对于第二方 面，普遍采用的是i n t e r n e t 上广泛使用的t c p f l p 通信协议。 本课题设计实现的基于嵌入式i n t e m e t 技术的家庭智能设备控制系统，具有与其他 家庭智能设备通信的接口，通过此接口，该控制系统与其他家庭智能设备进行通信，获 取它们的状态信息，并进行相应的控制。同时，这个智能控制系统具有连接i n t e r n e t 的 接口，并支持实现网络通讯所必须的t c p i p 协议。这样，只要该控制系统具有一个公有 i p 地址，在世界的任何角落，我们都可以通过i n t e m e t 访问它，了解与它相连接的所有 家庭智能设备的状态信息，并进行相应的控制。 1 2 谋题的主要意义 本课题研究的内容，简单的讲是如何将众多嵌入式小设备挂到i n t e r n e t 网上，即嵌 l 山东科技大学坝士学位论文 绪论 入式i n t e r n e t 技术的实现问题。那么它具有什么意义呢? 过去通过专用通信线对远距离 的设备进行通信和控制，这时的通信介质要专用的，通信协议要自己写，配套的软件和 硬件要自己设计。现在，i n t e m e t 已经得到广泛普及，嵌入式设备的远程访问与控制，只 要能上网，就基本上迎刃而解了，而且技术比较成熟，其优势主要表现在以下几个方面： a 、不需要专用的通信线路，可连接到世界任一处可上网的设备。 b 、速度快足以满足一般的要求。 c 、协议是现成而公开的，采用的是t c 噼协议。 d 、信息直接反映在色彩丰富的网页上，形式可以是数据、文字、图象、表格或语 音，实时数据会自动更新，设备的操作会有及时可见乃至可闻的反馈。 e 、传一次信息，所有想收到的用户机都可以按照各自的需要给予显现和操作，如 运行人员可以监视与控制、管理人员可以修改运行方式和执行重大决策、财务和金融部 门进行经济运作和收支交割等。 课题研究应用的领域定位于家庭智能设备方面，随着i n t e m e t 阏向普通家庭生活不 断扩展，消费电子、计算机、通讯一体化趋势日趋明显，智能化信息家屯产品已经开始 步入家庭，智能信息家电由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特点在2 1 世纪将成 为现代社会和家庭的新时尚。当家庭智能设备控制器将家庭中各种各样的智能信息家电 设备通过特定的总线技术连接在一起时，就构成了功能强大、高度智能化的现代智能家 居系统。 1 3 课题的研究现状 如今，嵌入式i n t e r n e t 技术的研究进行的如火如荼，由于嵌入式系统的多样性，实 现的方法也有许多。嵌入式系统根据其使用处理器的不同，可分为高档m p u 片上系统、 3 2 ，6 4 位的嵌入式系统、8 ，1 6 位的嵌入式系统。嵌入式设备只要具有连接网络的物理接 口，再加t c p i p 网络协议就可以上 n t e r n e t 网。对于前两种嵌入式系统，由于其具有足 够的资源和能力运行t c m p 协议和一些嵌入式操作系统，实现起来和p c 机有许多相同 之处，困此本谍题主要研究8 1 6 位嵌入式系统i n t e r a c t 技术的实现。由于8 1 6 位系统速 度不够快和内存不够大，要想一些办法实现简化和保持最基本的东西，即嵌入式设备一 定要具有连接网络的物理接口，一定要加上基本的t c p i p 网络协议。就目前的情况来看， 8 1 6 位的嵌入式系统实现i n t e r n e t 技术主要有三种形式： 1 m c u + 专用网络芯片，如e 1 5 5 2 、w e b c h i p p s 2 0 0 0 等。此种方案的主要优点是： 由于专业网络芯片已集成了t c p i p 协议，应用系统设计工程师完全不必考虑任何网络协 由于专业网络芯片已集成了t c p i p 协议，应用系统设计工程师完全不必考虑任何网络协 2 坐查型垫查兰堡主堂垡堕苎堕堡 议，只需要解释并执行网络芯片传送过来的指令和数据就可以实现与i n t e r n e t 网络连接。 2 e m i t 技术。e m i t 采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为 e m g a t e w a y ，上面支持t c p i p 协议并运行 哪服务程序，形成一个用户可以通过网络 浏览器进行远程访问的服务器。e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 等轻量级总线与 外设联系起来，每个外设的应用程序中包含一个独立的通信任务，称为e m m i c r o ，监测 嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中；同时e m m i c r o 还可 以解释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量或进行某种控制。该方案中复杂的网络协 议是通过e m g a t e w a y 在p c 机上实现的，应用系统m c u 只处理较简单的e m n e t 协议， 进行网际连接。 3 m c u 直接实现形式。可选用多种型号的m c u 来实现网络协议，如a t 8 9 x x 系列、 s x 5 2 b d l 0 0 等，并可根据具体要求选用不同速度的m c u 作为核心芯片，核心m c u 通 过专用的网络控制芯片( 如：r t l 8 0 1 9 等) 实现物理连接。这种形式具有设计灵活，成 本低，适应性强等优势，更适合家庭智能设备，因此本课题采用了这种实现形式。 山东科技大学硕士学位论文整体结构设计框架 2 整体结构设计框架 2 1 系统设计要解决的问题 将众多的家庭设备联入i n t e r n e t ，首先摆在我们面前的是两个网络，一个是家庭智能 设备组成的家庭内部网络，另一个是i n t e m e t 网。课题的最终目标是设计一个家庭智能 设备控制系统将这两个网络连接起来。因此，设计这一系统主要面临解决下面几个问题： 1 构建一个什么样的家庭智能设备网络，即家庭内部的组网问题。 2 家庭设备控制系统采用何种物理接口联入i n t e r n e t ，如今联入i n t e m e t 的方式有许 多种，选择一个合适的连接方式，这是系统设计要解狭的又一主要问题。 3 家庭设备控制系统应该支持什么协议。i n t e m e t 网发展如此迅速，主要因为它采 用了一套开放的通信标准，以提供不同网络上节点计算机之间的通信，这就是 著名的t c m p 协议。t c p p 协议由系列复杂的协议族组成，如何从复杂的协 议族中选出适合嵌入式系统的t c p i p 协议，这也是系统设计要解决的主要问题。 2 2 家庭设备的内部组网 目前，家庭设备组网的方式有很多，从传输介质上来看主要分有线和无线两种：有 线方式主要电话线、电力线等；无线方式主要有红外、蓝牙技术等。但鉴于家庭设备的 多样性，以及对稳定性和低成本的要求，在本课题中我们提出了一种新的组网方式，说 其新并不是指这是一种新的技术，而是这种技术较少的应用于这种家庭领域。我们采用 的是在工业自动化中常用的c a n 总线。 c a n 总线最初是由德国的b o s c h 公司为汽车监控、控制系统而设计的。随着多年 的完善，c a n 总线已经形成了国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通信总线相比，它的数据 通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下： c a n 总线是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。 c a n 总线为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其 他节点发送信息，而不分主次。 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 优先级高的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输。 c a n 总线采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突 些查型垫盔兰堡主兰堡堡苎 些壁笙塑塑盐堡丝 时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点不受影响，继续 发送，从而大大节省了总线冲突总裁时间。尤其在网络负载很重的情况下，也不 会出现网络瘫痪情况。 c a n 总线节点只需要对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广 播等几种方式传送接收数据。 c a n 总线在通信距离最长为4 0 m 时，通信速率最高可达1 m b p s 。 c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。在标准帧报 文标识符有1 1 位，而在扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限制。 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 c a n 总线的每帧都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 c a n 总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 总线节点错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点 的操作不受影响。 c a n 总线具有较高的性价比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较 低，而且开发技术容易掌握。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开发系统互联模型上的。不过，其模型结构只 有3 层( 物理层、数据链路层和应用层) ，结构层次少，有利用系统中实时控制信号的传 送。由于c a n 总线的以上特点，在家庭智能设备中使用c a n 总线进行组网具有实时性 强、稳定性高和成本低等优势，组网示意图如下： c a n 总乡监 图21c a n 总线组网示意图 5 些查型茎盔兰堡主兰堡丝茎 墼竺苎塑堡生堡型 2 3 接入i n t e r n e t 方式选择 计算机网络出现于2 0 世纪7 0 年代初，经过几十年的高速发展和完善，表现出优越 的性能，并逐渐的把全世界的计算机系统、通信系统集成起来，形成了一个全球规模的 信息高速公路与公用数据网络，即现在的i n t e m e t 。i n t e m e t 由许多种类的局域网、广域 网组成，它的接八方式有许多种，如：电话线电力线通过m o d e m 上网，手机上网等， 而现实中采用最多的是通过局域网连接i n t e m e t 。在所有的局域网中，以太网是应用最广 泛的一个局域网标准。 以太网具有适合应用于嵌入式场合的特点： a 实时性得到保证：由c s m a c d 通信协议所带来的不确定性问题，正随着以太 网传输速率的提高以及以太网交换技术的发展而得到解决。 b 稳定性大大提高：以太网传播介质可以是同轴电缆、双绞线或光纤，尤其是光 纤网络正得到普及。由于光纤不受噪声干扰，因此稳定性得到很大的提高。 c 通用性强：以太网是基于t c p i p 协议的，而t c p i p 最初出现时即是为了实现 异种网络互联，目前该协议已成为网络数据传输的事实标准。 以太网技术的成熟使其具备了向智能家居等领域发展的坚实基础，嵌入式以太网技 术应用的一些细节也随着以太网技术的成熟而得到解决。因此，在本课题中我们选择通 过以太网来连接i n t e r n e t ，即家庭智能控制系统具有嵌入式以太网接口，其连接i n l e m e t 的示意图如下： 幽2 2 控制系统连接i n t e m e t 示意图 2 。4t c p i p 协议原理及其简化分析 i n t e m e t 的快速发展和成功，在很大程度上得益于t c p i p 通讯协议，t c p i p 通讯协 议已经成为i n t e m e t 事实上的标准通讯协议。实现嵌入式i n t e r n e t 系统结构的关键问题是 坐查壁垫查兰堡主堂垡丝壅 些竺竺塑垡生堡墨 如何结合嵌入式系统的软硬件环境以及嵌入式i n t e m e t 的应用对标准的t c p i p 协议进行 简化，实现一种轻量级的t c p i p 协议栈。因此，在这一部分我们先分析标准的t c p i p 通讯协议的基本组成，在此基础上分析嵌入式t n t e m e t 中简化了的t c p i p 协议栈的特点 以及进行简化的方法。 2 。4 1t c p i p 协议起源 t c p i p 通信协议包括实现网络通讯所需的很多协议，t c p i p 通讯协议其名称是由这 些协议中的两个主要协议组成，即传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l - - t c p ) 和网问协议( i n t e m e tp r o t o c o l - - i p ) 。虽然还有很多其他协议，但是t c p 和i p 显然是两 个最重要的通讯协议、t c p i p 协议是美国政府资助的高级研究计划署( a r p a ) 在二十 世纪七十年代的一个研究成果，用来使全球的研究网络互联在一起形成一个虚拟网络， 也就是国际互联网。原始的i n t e m t 通过将已有的网络如a p r a n e t 转换到t c p i p 网络而 形成，而这个i n t e r n e t 最终成为当今国际互联网的骨干网。 2 4 2t c p i p 体系结构 网络界为网络结构定义了一个标准的7 层模型，称为开放系统互联( o s i ) 模型， o s i 模型是国际标准化组织( i s o ) 为使网络协议系统的设计实现标准化而建立的，以促 使协议标准的互相衔接，并使软件开发人员能公开访问协议标准。 当o s i 标准化结构出现时t c p i p 协议就已经在开发之中了。严格的说，t c p i p 并 不与o s i 模型完全一致。不过这两种模型要达到的目的相似，两种标准也存在一定的兼 容性。t c p f l p 标准与七层o s i 模型不同之处在于它是一个四层协议系统，其示意图如下： 图2 3t c p i p 分层示意图 t c p i p 中的每一层都是多个协议的组合，分别负责不同的功能，： 1 1 链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动 程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒介) 的物 理接口细节。在本课题中主要指以太网接u 及其驱动程序。 生查型垫查兰堡主兰堡笙塞 垄竺堕塑堂生堡型 2 、网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。在 t c p i p 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) ，i c m p 协议( i n t e r a c t 互联网控 制报文协议) ，以及i g m p 协议( i n t e r n c t 组管理协议) 。 3 】运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议族中， 有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成 合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟 等。由于运输层提供了离可靠性的端到溻的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。 而udp 则为应用层提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机 发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达另一端。任何必需的可靠性必须由应用 层来提供。不同的服务可以分别选择t c p 或u d p 协议进行传输。 4 ) 应用层负责处理特定的应用程序细节。根据不同的需要，t c p i p 实现会提供下 面这些通用的应用程序：t c l n e t ( 远程登录) 、兀_ p ( 文件传输协议) 、s m t p ( 简单邮件 传送协议) 、s n m p ( 简单网络管理协议) 、h t l h 超文本传输协议) 等。 具体协议分层情况及相互关系可参见下图： r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一。一一一1 郴 幸 幽2 ，4t c p i p 协议分层及相互荚系圈 型垫查兰堡主兰垡堡苎一 些笪笙塑塑生堡銎 在这些协议中，t c p 和u d p 作为两种最为著名的运输层协议，二者都使用i p 作为 网络层协议。虽然t c p 使用不可靠的i p 服务，但它却提供一种可靠的运输层服务。 u d p 为应用程序发送和接收数据报。一个数据报是指从发送方传输到接收方的一个信息单元 ( 例如，发送方指定的一定字节数的信息) 。但是与t c p 不同的是，u d p 是不可靠的， 它不能保证数据报能安全无误地到达最终目的。 i p 是网络层上的主要协议，同时被t c p 和u d p 使用。t c p 和u d p 的每组数据都 通过端系统和每个中间路由器中的i p 层在互联网中进行传输。 i c m p 是i p 协议的附属协议。i p 层用它来与其他主机或路由器交换错误报文和其 他重要信息。尽管i c m p 主要被i p 使用，但应用程序也有可能访问它。比如两个流行的 诊断工具p i n g 和t r a c e r o u t e 都使用了1 c m p 。 i g m p 是i n t e r a c t 组管理协议。它用来把一个u d p 数据报多播到多个主机。 a r p ( 地址解析协议) 和r a r p ( 逆地址解析协议) 是某些网络接口( 如以太网 和令牌环网) 使用的特殊协议，用来转换i p 层和网络接口层使用的地址。 2 4 3t c m p 协议的封装 、 t c p i p 协议是分层结构的，每个协议都有自己特定的数据格式。发送数据时，首先 添加t c p 或u d p 协议的首部信息并将数据交给下层协议，同样下层协议也要添加自己 的首部信息并送交下层，依次直至最后一层协议。这个过程叫做数据的封装或打包。该 过程可参考下面的示意图。图中，t c p 传给i p 的数据单元称作t c p 报文段或t c p 段。 i p 传给网络接口层的数据单元称作i p 数据包。通过以太网传输的比特流称作帧。 应用层的数据要想在以太网进行传输，就必须按照以太网的帧格式进行封装，并且 这是一个逐级封装的过程，这是因为： u d p 、t c p 、i c m p 等协议都可以向网络层的i p 协议传送数据，因此，i p 数据 包中必须对l i p 的上层协议进行不同的标识。 网络层的1 p 协议，以及地址解析协议a r p 都可以向链路层传送数据，因此也 必须在以太网的帧首部中加入指明数据来源的类型域。 图2 5 示出t c p i p 的分层结构及封装示意图。由图可见，信息的发送和接收过程 就是对用户数据的打包和解包过程。 山东科技大学硕士学位论文 整体结构设计框架 a p p l 苜都i 用户数据 ： v 、 t c p 酋都应趔数挺 、r 1 1 c p 段 il p 酋部r c p e 部l庹用数姑 。一 l 1 l r n 姒硒】k，1 l 以太刚茵部li p 静部it c p 首都l 应j | j 数据 i 以太网帧 i lcnn；t=；- 图2 5t c p i p 封装不总图 2 4 ，4t c p i p 协议的分用 t c p i p 协议的分用与封装是一个相反的过程，从上一部分的分析我们知道t c p i p 封装的过程是：应用程序一t c p u d p i p 一以太网。因此，t c p i p 分用的过程为： 以太网一i p t c p u d p 一应用程序，当主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始 从协议栈中由底向上升，同时去掉相应各层协议加上的报文首部，每层协议盒都要去检 查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议，具体的过程如下： 链路层的以太网驱动程序负责接收以太网数据帧，剥离以太网数据帧的首部 信息，根据标志，形成i p 数据报或a r p 、r a r p 分组。根据以太网数据帧 的下层协议类型并分别交付给下一层。如果是i p 数据报，则被交网络层。 网络层在接收以太网驱动程序送到的i p 数据后，按照i p 数据帧中的协议种 类对数据进行处理，去掉i p 首部数据，形成t c p 或u d p 或i c m p 报文 如果得到t c p 或u d p 报文，则把数据报交付给运输层，否则对i c m p 报文 进行处理。 运输层在得到u d p 报文后，按照u d p 协议中的端1 ：3 号分别送给不同的应用 程序。若运输层得到t c p 报文，则要根据t c p 的状态转换图进行处理。 2 4 5t c p i p 协议的选择与简化 由于8 1 6 位嵌入式系统无论从代码空间、内存大小还是速度方面来看都受到很多的 限制，因此不可能实现完整的t c p i p 协议，而一般来说8 1 6 位嵌入式系统主要应用于 一些实时控制、数据采集和传输场合，往往通讯的数据量较小即使实现网页浏览也是 坐查坚垫查堂堡主兰堡堡兰 鳖竺堕塑堡生堡墨 比较简单的网页，所以没有必要实现完整的t c p l p 协议，通过我们前几部分对t c p ，i p 协议原理的介绍，在如此众多的协议中，只要实现a r p 、i p 、i c m p 、t c p 、u d p 协议， 就可以实现基本的网络通讯。另外，在应用层的协议中，可以根据需要只实现个别协议， 比如为了达到比较好的人机交互界面和通用性，我们可以只实现 唧协议。另外，对 某些协议在细节上还可以进行简化，具体的一些简化方法如下： 在底层系统运行方面，由于8 1 6 位嵌入式系统没有足够的资源运行实时多任务操作 系统，程序结构一般采用顺序执行和硬件中断相结合的方式，t c p i p 协议栈一般作为应 用程序的一部分加以实现。在这种方式中，由于处理器的时钟频率低，地址、数据总线 窄，对一个数据包的处理要花一定的时间，势必影响其他中断和任务的执行，当系统中 有实时数据采集、串口通信中断时，可能会造成冲突。解决这个问题的方法是对t c p 1 p 协议栈部分的处理放在主程序顺序循环中，对物理网络接口控制芯片一般采用查询方式， 在其他中断任务的执行间隙进行t c p i p 协议栈的处理，以牺牲相应时间来换取系统可靠 性和效率。 在缓存区管理方面，由于8 1 6 位嵌入式系统中存储空间的数量级一般只有几十k ， 因此在这些系统中设计和实现t c p i p 协议，不但要考虑t c p i p 协议栈本身的大小，还 要考虑缓存区的设置。考虑到一个最大以太网数据帧有1 5 0 0 多个字节，而8 1 6 位嵌入 式系统一般只能提供几十k 字节空间，并要被各个协议共用，可以选择用一个能存放最 大以太网数据帧的缓存区来存放接收到的数据帧，收到一帧处理一帧，其存储地址是固 定，不是根据需要动态分配的，同时这个缓存区还要作为发送数据帧的缓存区。 对于i p 层，它主要进行路由、分片、重装、向相邻协议层进行数据包的传递等处理， 一般情况下，8 1 6 位嵌入式系统没必要实现全部的功能，比如对于路由功能完全没必要 实现。对于i p 层的分片、重装等功能，根据8 1 6 位嵌入式系统的特点和特定的应用坏 境来决定是否实现，由于在本课题中我们针对的底层物理网络为以太网，在这种情况下 可以不考虑i p 数据包的分片和重装问题，这种简化了的t c p i p 协议是可以工作的。因 此，8 1 6 位嵌入式系统实现t c p i p 协议栈可咀把网络层中的i p 数据包路由、分片、重 装等功能裁剪掉。 对于t c p 层，由于我们采用每次只缓冲和发送一个包，可以不实现滑动窗口协议、 流量控制协议和拥塞控制协议，另外对于往返时间估计、超时重发等机制也没必要实现， 可以根据特定的应用需要对t c p 有限状态机的实现进行简化。 另外，对于a r p 协议，详细的a r p 协议需要支持令牌网、以太网等网络的a r p ， 1 i 些查翌垫查兰堡主兰些笙苎 些苎堕塑堡生堡型 而在本课题中我们只需实现以太网的a r p 就可以了。 2 5 本章小结 这一章主要介绍了整个系统的设计框架，首先提出系统设计要解决的三个问题：家 庭设备内部组网；i n t e m e t 的接入方式选择：t c p i p 协议的选择及简化。 家庭设备内部网络我们采用c a n 总线，c a n 总线具有实时性强、灵活性高、成本 低和可靠性好等特点。 i n t e m e t 的接入方式我们选择通过以太网联入i n t e r n e t 目前以太网技术非常成熟， 己成为应用最广泛的局域网标准，它的特点也适合嵌入式系统的实现。 t c p i p 是一个复杂的协议族，对于8 1 6 位嵌入式系统没必要实现全部的协议，经过 分析，我们只要部分的实现了i p 、a r p 、t c p 、u d p 和i c m p 等就可以实现基本的网络 通讯，并对这些协议进行了简化，去除了一些不必要的功能。这些协议的具体实现，我 们将在第四章的软件设计部分详细讨论。 山东科技大学硕士学位论义家庭设备控制系统的硬件设计 3家庭设备控制系统的硬件设计 3 1 家庭设备控制系统的硬件框架 在上一章中，我们确定了家庭设备的内部组网方式以及i n t e m e t 的接入方式，在这 一章我们设计一个家庭设备控制系统将这两个网络连接起来，这也是本课题研究的主要 内容。 根据上一章的分析，该控制系统应具有连接以太网的嵌入式以太网接口、连接内部 网络的c a n 总线接口及一些其他的辅助电路，具体硬件框图如下： 主嚣l 葛 吲以篙 接口电路ir o m m = 扩j c 展电路j u 吲= 掌 模 块 电源电路b 二二纠工作状态 l 指示电路 图3 1 硬件框图 整个系统的硬件部分主要包括七个部分：m c u 模块；以太网接口电路；c a n 总线 接口电路：与上位机接口电路；m c u 资源扩展电路：电源电路；工作状态指示电路。各 个硬件部分的详细设计如下： 3 2 微处理器的选择 微处理器是整个系统的核心，它的性能直接决定了系统的性能。在本课题中，我们 选用了p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 r d 2 ，p 8 9 c 5 1 r d 2 是8 0 c 5 1 系列单片机中的佼佼者，具有 1 k b 的片上r a m , 1 1 6 4 k b 的非易失f l a s h 程序存储器；具有3 种编程方式，即在系统编程 i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 、在应用中编程御( i n a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ) 以及通 过商用编程器的并行编程。 山东科技大学硕士学位论文 家庭设备控制系统的硬件设计 该器件的1 个机器周期由6 个时钟周期组成因此运行速度是传统8 0 c 5 1 的2 倍，一 个o t p 配置位可让用户选择传统的1 2 时钟周期。该系列单片机是8 0 c 5 1 微控制器的派 生器件是采用先进c m o s 工艺制造的8 位微控制器，指令系统与8 0 c 5 1 完全相同，具体 的一些特性如下： 8 0 c 5 1 核心处理单元 具有6 4 ki s p 和i a p 功能的片内f l a s h 程序存储器 片i 内b o o tr o m 包含底层f l a s h 编程子程序以实现通过u a r t 下载程序 可实现最终用户应用的编程l a p 与8 7 c 5 1 兼容的并行编程硬件接口 每个机器周期为6 个时钟周期标准 可选择1 2 个时钟周期的机器周期 采用6 时钟周期时频率可高达2 0 m h z 相当于4 0 m h z 采用1 2 时钟周期时频率 可达3 3 m h z 全静态操作 r a m 可扩展多j 6 4 k 字节 4 个中断优先级 7 个中断源 4 个8 位f o 口 全双工增强型u a r t 一帧错误检测 一自动地址识别 电源控制模式 一时钟可停止和恢复 一空闲模式 一掉电模式 可编程时钟输出 异步端口复位 双d p t r 寄存器 山东科技大学硕士学位论文家庭设各控制系统的硬件设计 低e m i 禁止a l e 可编程计数器阵列p c a p 8 9 c 5 1 r d 2 是一种具有i a p 功能的单片机，其内存结构具有如下特点： 闪存空问是分块的。6 4 k b 的内存空间共分5 块，由低到高分别为8 k b ( b l o c k o ) 8 k b ( b l o c k l ) 、1 6 k b ( b l o c k 2 ) 、1 6 k b ( b l o c k 3 ) 、2 6 k b ( b l 0 c k 4 ) ： 每一块都可以单独擦除； 在程序中可以调用i a p 功能，对闪存中的每一字节进行单独编程。 p 8 9 c 5 t r d 2 的i a p 功能是靠p h i l i p s 公司提供的b o o tr o j 固件来实现的，p h i l i p s 公司在p 8 9 c 5 1 r d 2 中提供了b o o tr o m 固件，位于o f c o o h o f f f f h 空间，与闪存空间重 叠，但不占用f l a s h 空间，具体分布情况如下图： 一k p r o g r a m p 8 9 c 5l r d 4 0 0 0 2 0 d d o 0 0 0 b l o c k 4 1 6 k b b l o c k 3 1 6 k b b l o c k 2 1 6 k b b l o c k l 8 k b b l o c ：o 8 k b f ：f f f f ：b o o t r o m ： ：jf c 0 0 r 1 k b 】 图3 2 p 8 9 c 5 1 r d 2f l a s h 结构图 b o o tr o m 固件中已经固化有上述擦除和编程等子程序，只要应用程序来调用即可。 也就是况，当微控制器对自身的f l a s h 存储器进行编程时，所有操作的细节都由固化在1 k 字节b o o tr o m 中的代码进行处理，b o o tr o m 与f l a s h 存储器是各自独立的，用户程序 简单调用b o o tr o m 中带适当参数的公共入口即可实现所需要的操作。b o o tr o m 的操作 包括以下内容：擦除程序块，编程字节校验，字节编程保密位等等。当b o o tr o m 打丌 时，它与从o f c o o 到o f f f f h 的程序存储器的地址相重叠可以将b o o tr o m 关闭，这样就 可对这一部分的程序存储区进行访问。 1 5 山东科技大学硕士学位论文家庭设备控制系统的硬件设计 3 3 以太网接口电路设计 以太网接口的硬件电路主要包括两部分电路：微控制器p 8 9 c 5 1 r d 2 与以太网控制器 r t l 8 0 1 9 a s 的接口电路：r t l 8 0 1 9 a s 与以太网的硬件接口电路。 3 3 1 盯l 8 0 1 9 a s 的简介 r t l 8 0 1 9 a s 是由r e a l t e k 公司生产的性价比高且带有即插即用功能的全双工以太网控 制器，由于其优良的性能、低廉的价格，在l o m b p s 网卡中占有相当的比例。r t l 8 0 1 9 a s 的主要性能特点如下： 1 ) 适应于e t h e r