基于嵌入式tcpip协议的信息家电的设计与实现.doc

本文由815696649贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 嵌入式网络技术应用 文章编号：（） 基于嵌入式 协议的信息家电的设计与实现 （长沙民政学院）周志光鲍祖尚朱志伟刘定良 ， 摘要：讨论了利用网络芯片将基于系列的单片机接入的实现方法。本文设计的这种嵌入 协议的单片机系统板，具有成本低、占用面积少、使用方便等优点。可为家电上网、以及其他嵌入式应用系统的远程 网络控制，提供一种新的良好的解决方案。 关键词：信息家电；嵌入式；单片机 中图分类号： ： 文献标识码： ， 印 ， ， ， ： 。 ， 息家电就是在传统的家用电器之中融入现代网络通信技 术，使之成为具有信息访问、获取、存储、处理、联网等功能的消 费类电子产品。信息家电的出现改变了传统的家电控制方式， 不仅可以在本地对家电进行控制，而且可以利用浏览器通过 网络实现对家庭内部网络上的家电设备进行控制，并且 可以实现家电设备的自检以及故障数据自动上传给售后服务 部门；还能实现厂家对售出的家电设备进行软件升级。 传统家电设备都有一个共同的特点，即内部嵌入廉价的单 片机。目前这些单片机多是位和位的，甚至是位机。就 家用电器的主要功能而言，这类单片机是够用的，如果仅仅是为 了上网，而改用位机，价格上用户是很能接受的。所 图系统结构框图 系统设计 硬件电路描述 系统电路原理框图如图所示。 以，家用电器连接一定要兼顾廉价的位单片机。本文 方案的目的是让电器制造商们生产出价格低廉的能连接 的家用电器，使这一曾经高不可攀的贵族式产品最终飞入寻 常百姓家。 系统结构 系统结构框图如图所示。 系统的工作流程为：利用单片机控制网络接口芯片 的各项操作，网络数据流通过接口进入 的缓冲区，然后经过处理后被单片机 图系统电路原理框图 是与标准的指令集完全兼容的一种位在 系统可编程 微控制器，它内部含有主 读入到暂存，暂存的数据通过一串口传送到机 或其他设备；在向以太网发送数据时，机或其他设备经 一串口发送数据包至单片机在中开辟的数据缓冲 区，然后通过远程操作将组帧后的数据写入到 的内部，再经接口发送至以太网。当 （）。系统的网络接口控制模块采用公司 的以太网控制芯片。该芯片支持位、位数据总 线；全双工；内置的用于收发缓冲。地 然，单片机也可不受机控制，直接与联系，实现 家电设备自动连接。 周志光：副教授 址总线的低位与锁存后的单片机地址总 线低位相连，接高电平，一全部 接地。此处设置的基地址为，这是因为 啪基地址选择引脚都处于悬空状态（低电平），决定 了的基地址为。是的外部 ，用来缓存以太网数据包，使用它的目的是提高单片机的 数据传输速度和处理复杂的协议。由于以太网最大的数 基金项目：湖南省教育厅科技攻关项目（） 万方数据 鼬罔邮局订眠删元一 嵌入式网络技术应用 中文核心期刊微计算机信息（嵌入式与）年第卷第期 据包有字节，而单片机只有字：了的， 无法存储这么大的数据包，只能放在外部里，以使单片机 能够高速地吞吐数据。 在机和单片机的串行通信电路中加入了芯片 以实现电平和一接口电平之间的转换。主要目的是 显示调试信息。在对系统软件编程时，添加串口中断程序，连接 系统串口到计算机的串行口，利用自带的超级终端 来查看串口数据。这样编程时在一些地方加入串口输出的数 据，当程序运行时在超级终端就可以看到相应的信息，对于调 试程序时一个直观方便的好方法。可编程器件用于 提供片数据存储器的片选信号（、）、 系统优化设计 由于单片机的处理性能有限，所以应尽可能地提高代码运 行效率。所谓效率，就是要求代码和数据存储空间少，运行的指 令周期短。但这两者往往很难兼顾。编译器提供了一定 的代码优化，但编译器的优化仅涉及执行速度和代码大小的平 衡，不能使程序达到小而精，因而必须采取一定的优化方案。 对于代码优化主要采取以下措施： 、以逻辑移位代替乘除运算。对于二进制数来说，左移一位 相当于对该数乘以，而右移一位相当于除以。如果要进行乘 以或除以）的运算，则只要循环执行次移位操作即可。用 移位代替乘除，是因为乘除运算的速度比移位运算的慢得多。 、尽可能使用全局变量。由于内部有限，单片机允许 传递的参数受到限制，并且参数传递要占用较多的程序代码空 间，也降低了单片机执行的速度，所以多采用公共的全局变量。 的地址使能信号（）。是带有串行 的监控器，芯片内含字节存储单元，存储了 地址、地址子网掩码、端口号等信息。为网络变 压器，隔离和外部网络，保护了系统电路，并完成网 络信号的传输。 软件设计 由于单片机的资源有限，所以网络协议根据系统应用的需 求作了裁剪，系统中使用了、等部分协议，既 保证单片机接入，又保汪足够小的代码量。协 议的层模型中，链路层部分由以及其驱动程序完 成；网络层和传输层由单片机来处理，应用层则根据需要可以 对于参加运算次数特别多的变量，可以定义为寄存器型，这 样可进一步提高对内存的存取速度。 、在实现协议时，由于系统传送的信令数据不是很多， 为了减少存储器的使用，只使用单个窗口，只对单个数据报 进行发送和确认，从而节约了系统的资源，也使维护变得方便。 在单片机内完成，只实现对哪协议的精简，只支持简单请 求。实现丌甲协议才能实现网页文件的浏览。网页数据 可以存储在中。网页能够完成接收数据、发送网页数 据等。本课题只考虑应用层接收进程的端口号是即，的 情况，如果接收的报文目的端口号不是，就要返回。 、协议开发中，为了尽量减少对存储空间的需求，使用共用 缓存区来存放输入、输出数据。各部分程序之间只提供相互要处 理数据所在的指针，就可以完成数据的传递，节约了大量的存 储空间。 、尽可能减小的使用，编程时将一些固定的数据定 义为代码类型，同样可以有效地减少存储区的使用量。 通过以上措施以及对协议实现的具体优化，程序编译后大 数据处理流程是主程序的主要流程。这部分程序主要负责 响应和处理网络中的数据帧，并根据相应请求作出回应。在设 计上，程序中判断网络中帧的内容时是采取边读取边判断的形 式，而不是一开始就将整过帧读人内存。程序在发现 接收到网络帧后，首先读入以太网的数据头，并根 据其帧类型字段判断该帧是输入请求帧还是帧。对 请求作出相应应答。如果是帧，则还要判断其协议字段 内容，并根据其值转入相应的和响应程序。软件的 主程序流程图如图所示。 小不到，系统的响应速度也得到较大提高。这些措施适合 嵌入到信息家电设备中，为该类设备接人提供了较好 的参考方案。 结束语 系统也可采用其它系列单片机实现，单片机内部 越大越好。该系统目前在空调控制电路中实验，工作稳定，接收 信息正确。本方案具有开发简单快速、灵活等特点，相信能够广 泛应用于智能家电控制、远程工业现场控制、远程智能仪器仪表 测量等领域。 本文作者创新点：讨论了利用网络芯片将基于 系列的单片机接人的实现方法。本文设计 的这种嵌入协议的单片机系统板，具有成本低、占用面 积少、使用方便等优点。可为家电上网、以及其他嵌入式应用系 统的远程网络控制，提供一种新的良好的解决方案。本方案具有 开发简单快速、灵活等特点，相信能够广泛应用于智能家电控 制、远程工业现场控制、远程智能仪器仪表测量等领域。基于该 方案的空调控制实验，目前工作稳定，接收信息正确。 参考文献 】王峰，张宏伟嵌入式技术及其实现方案】微计算机 信息。，： 孟蕾，陈文艺嵌入式实现的研究与分析】西安邮电 学院学报，： 著，路晓村、徐宏等译嵌入式系统应用 图主程序流程图 一元，年邮局订阅号： 层协议】北京：电子工业出版社，几嘈专第页） 万方数据 嵌入式操作系统应用 中文核出期刊微计算机信息（测控自动）年第卷第期 机信息，： 微 技术文档 作者简介：王典洪，男，年月，汉族，湖北省仙桃市，教授， 博士生导师，从事检测、控制，与智能仪器方面的研究；熊月华， 女，年月，汉族，硕士研究生，主要研究方向：智能仪器与 智能控制；梁娟，女，年月，汉族，硕士研究生，主要研究 方向：智能仪器与智能控制。 ： ，（）， ， ， ，主要是按照自己定义的字符，代表不同的电机完成转动。 （）； ） （）； 然后在 、是其它的一 些操作，主要是按照上面的方法对端：进行操作。传人的是存 放结果的地址，供应用程序使用。 ， 驱动的封装和添加到 中 通过上面的工作，能编译个函数，下面我们要为他 建立一个接口文件，告诉链接程序需要输出什么样的函数，为 此要建立一个自己的文件，可以用记事本建一个，取名 ： 。 ， ； ， （）， （）， ， ： ； ， ， ： （湖北武汉中国地质大学机电学院）王典洪熊月华 梁娟 通讯地址：（湖北武汉中国地质大学机电学院）王典洪 （收稿日期：）（修稿日期：） （上接第页） 作者简介：周志光（一），男，汉族，副教授，年毕业于国防 科学技术大学，获硕士学位；研究方向：嵌入式系统应用。 ， ， ： （一）， ； ： 湖南长沙民政学院电子信息工程系）周志光鲍祖尚 朱志伟刘定良 （ 然后修改 的工程下的文件，添加下面 的代码： 【】 ”： ” ” ， ， ） ， 通讯地址：（湖南长沙民政学院电子信息工程系）朱志伟 （收稿日期：）（修稿日期：） ”： 最后编写自己的文件。添加一个 ，复制注 册表到 的系统目录下面。加一个 ，把编译的 文件添加到系统内核中去。在 中添 加特征到系统选项中去。生成系统的时候，添加自己的 特性，重新编译系统，就拥有电机的驱动了。 变糍器点软靡磁器麈餍铹 凡有电机的地方，均需要软启动器与变频器，一是安全、 二是节能、三是环保。冶金、石化、化工企业的大设备运行， 结论 本文介绍了 的驱动结构，并给出了基于 的 驱动程序部分源代码。实验证明该设计是可行的。本文作者 创新点：在 系统下进行底层设备驱动开发，采 用流接口的方式，实现了三星公司内核的芯片￥ 结合，具有接口的驱动能力。 参考文献： 陈向群等 系统分析及实验教程北京：机械 工业出版社 】周毓林等 内核定制及应用开发北京：电子工 业出版社 港口、码头、矿山的装载机械、掘进机械、水泥厂的窑炉动力 机械、破碎机械，机床厂的各种设备与产品，电力（发电与 运行）机械，铁路行业的电力机车、内燃机车与货场的行 车，轻工动力机械、造纸机械、印刷机械、大厦中的电梯、中 央空调装置、恒压供水装置，各种窑炉的控割设备、大型闸 门起吊设备，各种伺服阀门、大型雷达动力驱动系统，有轨、 无轨城市电车。电机无处不在，变频器与软启动器的用 场无所不在。高压变频、中低变频、直流调速、交流变频、交 交变频、伺服驱动、各种启动、励磁、电源解决均在本书之 中，既符合设计使用人员查阅，又适合采购主管人员查询。 好书大家拥有，个实用案例与大量的广告总会有适应 您的一款。 本书已出版。大开，每册定价元（合邮费）。预购 者请将书款及邮寄费通过邮局汇款至 地址：北京海淀区皂君庙号院鑫雅苑号楼室 微计算机信息编辑部 邮编： 电话： ： ： （） ： 【董宇新基于 的设备驱动程序设计微计算 ： 一元年邮局订阅号： 万方数据 基于嵌入式TCP/IP协议的信息家电的设计与实现 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数： 周志光， 鲍祖尚， 朱志伟， 刘定良， ZHOU ZHIGUANG， BAO ZUSHANG， ZHU ZHIWEI， LIU DINGLIANG 410004,湖南,长沙民政学院电子信息工程系 微计算机信息 CONTROL & AUTOMATION 2007，23(17) 4次 参考文献(3条) 1.王峰.张宏伟.秦霆镐.王建 嵌入式Internet技术及其实现方案期刊论文-微计算机信息(测控仪表自动化) 2003(12) 2.孟蕾.陈文艺.宋焕生 嵌入式TCP/IP实现的研究和分析期刊论文-西安邮电学院学报 2004(1) 3.M Tim Jones.路晓村.徐宏 嵌入式系统TCP/IP应用层协议 2003 相似文献(10条) 1.期刊论文 牟英峰.徐殿国.张东来 基于嵌入式TCP/IP协议栈的信息家电连接Internet单芯片解决方案 -电子技术 应用2002,28(6) 以分析和实验为基础,研究了嵌入式TCP/IP协议栈SX-Stack的结构及运行原理,提出了使用SX-Stack构造单芯片嵌入式网络服务器,将信息家电接入 Internet的新方案.该服务器的组成、构造方法和工作原理,并比较现有的使用PC/网关设备的接入方案,分析了该方案的优点.单芯片嵌入式网络服务器中 SX-Stack与用户应用程序的接口方法,用户登录软件及信息家电监测软件的设计方法. 2.期刊论文 黄红梅.汤荣江.罗嵘.HUANG Hongmei.TANG Rongjiang.LUO Rong 基于电力线的信息家电组网方案 -计 算机工程2005,31(7) 以分析和实验为基础,研究了Sx_stack的运行原理和SC1128电力线芯片的功能,提出了以Sx stack构造嵌入式Web Sever,利用SC1128实现以电力线作 为传输媒介的信息家电组网并接入Internet的新方案,并对其进行了分析和讨论. 3.学位论文 夏潇 基于Garfield处理器嵌入式TCP/IP协议栈的研究与实现 2006 随着INTERNET的飞速发展和信息家电及后PC时代的概念的提出，使得嵌入式系统的网络化成为不可抵挡的趋势。人们不再满足于单机系统，这使得 包括个人数字助理在内的支持通信的手持设备的诞生。TCP/IP协议栈是当前计算机和嵌入式系统通川的网络协议栈。由于ASIXOS嵌入式操作系统没有相 应的协议栈支持，限制了ASIXOS的应用。因此，我们需要构建TCP/IP协议栈来实现自己的网络操作系统。 本文首先根据网络协议栈的分层结构确 定了自己的开发目标： 1遵守IPv4协议规范。 2支持通用的网卡RTL8019AS3向刚户提供BSD套接字接口4向用户提供DNS域名解析系统 课题在东南人学ASIC工程中心的Garfield处理器和ASIX OS嵌入式操作系统上面构建了一个嵌入式TCP/IP协议栈。在该网络操作系统上面，课题选择了域 名解析系统作为具体的应用实现。论文首先介绍了ASIXOS，Garfield平台和TCP/IP协议栈的实现框架。之后，以TCP/IP层次结构为指导，从最低层的数 据链路层的开始，对它的实现作了详细的讨论，包括了网络设备RTL8019AS和PPP设备驱动程序的编写。在研究了数据链路层的实现之后，深入研究了 IP协议的实现，并且对于IP的路由和地址解析协议的实现进行了透彻的分析。接着对传输层TCP，UDP协议和BSD套接字接口的实现进行了研究。在完成了 前面的研究后，又对BSD套接字接口和网络速度进行了全面的测试，还实现了DNS应用。在论文的最后对于整个工作作了归纳和总结，针对实现中的问题 提出了解决办法，并对将来的发展方向进行了展望。 论文构建的TCP/IP协议栈系统已在Garfield系统上的稳定运行，通过了BSD套接字接口功能 测试，包括创建套接字、绑定套接字、接收连接、监听套接字、删除套接字等；对协议栈的速度进行了测试；实现了DNS域名系统。 4.期刊论文 李永.LI YONG 一种信息家电接入Internet的解决方案 -微计算机信息2008,24(8) 本文通过分析和比较几种嵌入式设备接入 internet 的解决方案.然后采用直接利用8位 MCU 实现信息家电接入 Internet.该方案实现了远程PC对信 息家电的监控和控制,论述了该方案实现信息家电接入 Internet 的设计原理、嵌入式TCP/IP协议栈、硬件设计和软件设计. 5.期刊论文 陈武.雷航 基于精简TCP/IP协议栈的信息家电网络服务器 -单片机与嵌入式系统应用2004(6) 通过分析和实验,研究嵌入式TCP/IP协议栈SIC33-Stack的结构及运行原理,给出以SIC33-Stack构造单芯片嵌入式网络服务器,将信息家电组网及接入 Internet的实现方案.研究单芯片嵌入式网络服务器中SIC33-Stack与用户应用程序的接口方法,用户登录软件及信息家电监测软件的设计方法. 6.期刊论文 李永.LI Yong 一种基于8位MCU的嵌入式Internet应用方案 -电子工程师2008,34(2) 研究一种基于8位MCU的嵌入式Imternet应用方案,解决一类数据通信量不大、实时性要求不高的信息家电接入Internet的问题.采用AT89C55作为信息 家电接入Internet的MCU,RTL8019AS控制以太网帧的收送,A/D和电平转换芯片实现数据的采集和电平转换,实现远程PC对信息家电的监测和控制.介绍了基 于8位MCU的嵌入式Internet应用方案的系统结构、嵌入式TCP/IP协议栈、系统硬件和软件设计.对基于该方案实现的一个嵌入式Internet应用进行了测试 . 7.期刊论文 陈立家.焦战立.熊文龙.Chen Lijia.Jiao Zhanli.Xiong Wenlong 基于精简TCP/IP协议栈网络服务器 的实现 -武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2007,31(3) 研究了嵌入式TCP/IP协议栈Lwip的结构及运行原理,给出基于S3C44BOX+RTL8019AS的嵌入式网络服务器的实现方案,该方案实现了信息家电或远程工 业控制设备组网及接入Internet.研究了嵌入式网络服务器中TCP/IP协议栈用户程序的接口方案,以及信息家电和远程工业控制监测软件的设计方法. 8.期刊论文 白典章.夏锴.Bai Dian-zhang.Xia Kai 基于WEB的家电远程控制器 -山西电子技术2008(2) 利用现有的嵌入式网络技术、单片机技术、WEB技术(主要采用了http协议和asp技术)和红外遥控技术,设计了一个较实用的信息家电控制系统.本系 统采用模块化设计方法,将系统分为通信、控制和升级三个子系统,各个模块不仅可以共同实现系统功能,还能独立完成部分功能,因此可用于扩展其它相 关系统的功能. 9.学位论文 曹国强 基于实时操作系统的嵌入式TCP/IP的研究与实现 2006 嵌入式系统广泛应用于控制领域、消费电子产品等各个行业，己成为现代电子设计的一个大的方向。Internet的飞速发展和信息家电以及后PC时代 概念的提出，使得信息终端的多元化已经成为不可抵挡的趋势。随着嵌入式系统中软件比重不断上升，对开发人员、应用程序接口和程序档案的组织和 管理成为了一个重大课题。为此，必须引入嵌入式操作系统来解决嵌入式软件开发的难题。 本论文分析了具有实时性、源码公开的嵌入式操作系 统C/OS-，了解了其