（硕士学位论文）基于PIC单片机的网络嵌入式系统研究

1、（硕士学位论文）基于PIC单片机的网络嵌入式系统研究 摘 要 相结合的、便携的、实时嵌入式信息处理设备将饱受人们的青睐。嵌 入式系统与hnemet完美结合，可以方便、低廉地将信息传送到世界 任何一个地方。 论文的主题是研究一种具有专用经济性、简洁高可靠性的网络嵌 入式系统。该系统与Intemet无缝连接可以实现远程监控，带有高性 能的温湿度传感器能够采集数据并实时传送。结合盯局域网洞穿 技术以及客户端应用程序使该系统具有便捷实用的优点。论文按照自 底向上的顺序来阐述本课题的研究过程。 首先论文描述了本嵌入式系统的硬件设计和驱动程序的开发。硬 等，同时研究和实现相关的驱动程序，使它们构成了一个有

2、机整体。 然后研究的重点是网络协议栈的开发与实现。为了高效地工作， 结合处理器的特性，所有实现协议栈的语言都是单片机的汇编语言。 研究的网络协议栈包括8023以太网协议，憎地址解析协议，IP 网络层协议和L P传输层协议。其中对趾心地址缓冲表创新地采用 仿LRC算法来管理，而且对网络上不同的数据流采用了智能化过滤 等处理。 再者本课题的研究难点是实现本嵌入式设备与局域网内主机进 行通讯的NAT洞穿技术。通过具有固定口地址和控制软件的服务器 平台，本嵌入式设备能实现局域网洞穿技术。 最后设计了合理实用的应用层简单协议和PC机客户端软件，精 心构建了合理的实验环境，进行了多种网络环境的实验，包括同

3、网段 内和跨网关通讯。实验证明本网络嵌入式系统工作稳定，性能优异。 关键字：实时监控，SPI，12C，网络协议栈，NAT穿透 ABSTRACT The d ofinformation rapidevelopment technologybrings intoaPostPC andrealtimeinformation people era，portable embeddedcombinedwiththeInternetwillbe processingsystem a cantransmitinformation greatpopularityIt conveniently the witht

4、he and to a11oVer world places perfect cheaply combinationofembedded withtheInternet systems Themain ofthis istoresearchadedicatedand topic paper and reliablenetworkebedded economic，pithinesshigh system i functionof The canrealzethe remote system monitoring the andthis includesa throughInternet， sys

5、tem high andhumidi sensofto data performancetemperaturety implement realtimetransmissionIthasthe and acquisition adVantage ofconvenienceand theNATh01e practicabilityby punching andclient The describesthe paper techn0109y application ofresearchfrombottomto process top the ofthehardwareand introduces

6、First，thispaper design the of cedriVersoftheeInbedded The devi system development Contr011erofthe is the MCU Micro Unit system high PICl8F2455 and performance producedbyMicrochipCorporation， devicesincludetheEthernetcontr011er peripheral ENC28J60 and sensor makeitan and humi temperaturedity SHT75，wh

7、ich driVers and the system implement integratedbydesign thedevel andrealizationofnetwork Second， opment s is the ofthis Inordertoenhance protoc01 keystone paper the basedonthefeaturesofthis the performance MCU， 1anguage usedfor thenetwork istheinstructions realizing protocols T ofMCUThenetwork iedin

8、clude8023Ethernet protoc01sappl IP UDP addressres01ution and protoc01，ARP protocol，protoc01 TheinnovationoftheimitatedLRC to protoc01 algorithm ARPaddressbuffertableFurthermoreit the manage adopts intellectualizedmeasuresto thedifferentdataflows process ofnetwork ofthe isthe of the realization Third

9、， difficultypaper NATh01e thatisusedforthecoI删nication technology punching betweentheembeddedandhostswithinalocalnetwork system reali thenetworkhole This embedded can ze system punching aserver withthecontr01software through technology platform andfixedIPaddress a Lastbutnot a and least，reasonable，p

10、racticalsimple usedfor andPCclientsoftwareare protoc01 application1ayer a sound environmentisestablished designed， experiment lot in network anda of Various elaborately， experiments environmentsare whichincludeina network made， single and The showthatthe segmentcrossgatewayexperiments and ofthisembe

11、dded is stable performance systemhigh outstanding Words：realtime Key monitoring，SPI，12C，networkprotoc01s， NATh01e punching 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嚆俊、哆年6月，黟咱

12、 l l 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 黧i翳屯蒜篮善三 导师签名：纵1飙叩劬f“ 基于PIC单片机的网络嵌入式系统研究 1绪论 11研究的背景和现状 人们生活水平的提高和信息技术的飞速发展，数字化、智能化且 远程可监控的嵌入式设备将饱受青睐，它演绎的舞台从信息家电到工 业控制。由于被控对象、测控装置等设备的地域分散性，以及监控任 务的实时性要求，基于111temet远程信息处理和控制是一个很好的解 决方案。 嵌入式系统 EmbeddedSystems 是根据应用的要求，将操作系统 和功能软件集成于计算机硬件系统之中，从而实现软件与硬件一体化 的计算机系统。嵌入式系统出现于60年代晚期，

13、它最初被用于控制 机电电话交换机，如今已被广泛的应用于工业制造、通讯、航空、军 事、消费类产品等众多领域。 目前大部分嵌入式还处于独立应用的阶段，如以MCU为核心的 系统与一些监测、伺服、指示设备配合实现各自的功能。在一些工业 应用和各种消费类电子产品中，为了实现MCU之间的信息交流，常 比较有限，通讯协议简单，并且是孤立于111temet的，这难以满足复 杂、远程和较大范围的监控任务的需求。 近十多年以来，以hltemet为代表的网络技术的出现以及它与其 它相关技术的相互结合，不仅已开始将智能互联网产品带入现代生 活，而且也为远程监控技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络 化监控技术以及具

14、备网络功能的各种新型仪器便应运而生。当前， Intemet已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠 道，如果能够将嵌入式系统连接到Intemet上面，则可以方便低廉地 将信息传送到世界的任何一个角落。因此，顺应“网络服务与“网 络应用的大潮已成为嵌入式系统发展的必然1。 嵌入式系统的Intemet接入技术是嵌入式领域研究的热点之一。 硕士学位论文 嵌入式系统的Intemet接入有如下几种技术模型： 1 通过专用的WEB服务器实现。在现有的嵌入式系统中并不 备，然后再用轻量级网络扩展到多个设备上。 协议，与嵌入式设备轻量级网络 如RS232，RS485，现场总路等 相连接，提供与In

15、terent或局域网的协议转换及路由功能。 3 对于3264位微处理器的嵌入式系统来讲，是通过在嵌入式 系统本身添加网络接口硬件，结合操作系统自带的TCPIP网络协议 栈，并应用相应的接入方案而实现的【4】。 4 考虑到成本、功耗、可靠性以及特定的使用目的，可以使用 8位的处理器并添加网络控制器，自己编写程序实现系统所需的网络 协议。这是比较有挑战的设计任务，本文中就是采用这种方式。 12课题的来源与优势 本课题来源于导师设计的网络嵌入式系统，拥有论文们研发组自 己的知识产权。课题的出发点是设计一种专用性强、低成本、低功耗、 高可靠性、可远程控制的网络嵌入式系统，同时它给用户提供PC机 客户端

16、的控制软件以提高实用性【5】。 考虑到现实生活中具有多种网络环境，论文们设计的系统能较好 地适应大范围的网络工作环境，更难能可贵的是该系统实现了8021x 认证协议，并能穿透玎网关和局域网内的主机进行通讯。 该嵌入式系统突出的优势有： 处理器采用高性能的PICl8F2455，高可靠性，低功耗； 所有软件采用汇编语言实现，处理器的工作效率更高； 总线接口驱动程序全部用软件实现，灵活实用； 网络协议栈自己实现，针对特定通讯的适应性很高； 研究了局域网的NAT穿透技术，可应用的工作范围更广； PC机有专用的客户端控制软件，可操作性强； 基于P1C单片机的网络嵌入式系统研究、 实验是在真实的网络环境中

17、进行，真实可靠。 课题在一开始选材时摈弃了传统的C51系统单片机，因为它已经 过时，性能不强，将来系统需要增加新的功能时会造成瓶颈；同时也 没有采用32位的砌SC处理器，虽然它们功能很强大但是实现的电 路复杂度高，用于论文们的设计需求对资源是个浪费。综合考虑，论 8F2455的单片机，它的功能强大， 文们选用了Microchip公司的PICl 可靠性高，功耗低，实现的电路稳定实用。 为了适应8位处理器的特性和对多种硬件进行直接控制，嵌入式 系统的软件都是用汇编语言来实现的。它省去了使用高级语言时还须 借助第三方编译器的麻烦，同时也带来了更高的工作性能。 本系统中单片机与某些外设的总线通讯用的是

18、比较特殊的协议， 它们不兼容单片机标准的通讯接口模块，所以总线通讯的接口是用软 件来实现的，它不但工作稳定且具有高度的灵活性。 虽然本嵌入式系统是通过连接Intemet来实现远程监控的，但它 也无需实现所有的TCPIP协议栈。针对系统的特定功能，论文采用 的是自己实现所需的网络协议，这样降低了因无需使用的网络协议带 来的代码冗余阳1，同时让系统软件保持“苗条”，这样更易设计和维 护。 目前，人们的大部分通讯终端都是工作在局域网的环境当中，与 局域网中的主机进行通讯面临的一个问题就是如何实现M虹洞穿技 术。为了将本嵌入式系统的应用范围推广，课题就局域网的洞穿技术 进行了研究，并借助具有固定口地址

19、的主机充当第三方的服务器， 本嵌入式系统能实现NAT洞穿技术。 为了增强该嵌入式设备的可操作性，还设计了工作在PC机上的 客户端软件。人们通过客户端软件来与嵌入式系统通讯达到远程监控 的目的，这样不仅适应网络环境而且带来了高度亲和力的操作。 本嵌入式是真实运行的物理设备，在设计好它的软件后，所有的 实验都是在现实的网络环境中进行操作的。为了检验它的工作性能， 论文们实验的网络环境包括同网段内的通讯实验和跨网关的远程通 硕士学位论文 讯实验。真实的实验证明该系统的工作稳定，高效实用。 远程监控嵌入式系统的体系结构如图11所示： l前后台系统 I网络协l NAT穿透| 核心层 控制 ，j 议栈 ，

20、l f 技术 驱动层E疆西羞曩薹重圈 硬件 Hardware 图11远程监控嵌入式系统的体系结构 论文的组织与内容 论文是以远程监控嵌入式系统的研究与实现为主题来阐述，为了 更好地组织本文，做到讲解有序，重点突出，按本系统设计的体系结 构采用了自底向上的描述顺序。论文的章节组织如下： 第一章描述了嵌入式设备实现远程监控的意义，分析了几种接入 111temet的方法；重点讲解本课题所采用的技术优势，从硬件设计到 软件实现都包含着创新和挑战。 第二章首先描述了系统的硬件设计图，然后讲解用软件实现主处 理器与外设通讯的驱动程序，包括SPI和类12C的总线，最后分析如 何实现以太网控制器的高效工作，以

21、及温湿度传感器的控制。 第三章的重点是分析如何实现所需的网络协议栈，采用了从底向 上的顺序，从8023以太网到P协议实现，然后是Ijl P协议的实现。 最后阐述了如何智能化处理网络中不同的数据包。 第四章讲解本论文的难点一局域网NAT穿透技术。先介绍局域 网内主机与网关的NAT映射的类型与原理，再构思一种洞穿局域网 基于PIc单片机的网络嵌入式系统研究 进行通讯的技术，最后提出如何实现这种技术。 第五章研究简单实用的应用层协议的实现，介绍基于客户端操作 软件的设计，最后是精心设计科学合理的网络测试环境，重点分析本 嵌入式系统在不同的网络环境中进行实验的结果。 结束语总结了本文的主要研究工作，并

22、阐述了将来进一步的工作 计划。 基于PIC单片机的网络嵌入式系统研究 2硬件模块的驱动程序设计 硬件的设计和外设驱动程序的编写构成了本嵌入式系统的基础， 它们工作性能的优劣将直接影响系统的根本。 21硬件设计 硬件设计是系统的笃实基础，它给软件提供了开发平台。如何保 证系统所需的资源，提高可靠性和抗干扰性等都是考虑的重点，而处 理器的选型和对其合理高效的开发也和硬件紧密联系。 211硬件原理图 远程监控嵌入式系统的硬件设计如图21所示。首先考虑的是选 择合适的微控制器，从本嵌入式系统所要实现的功能到电路设计的复 杂度等多方位考虑，把一些主流的MCU相对比后论文们选择了 功耗低，可扩展性强。在图

23、21中U1就是该单片机。 本嵌入式系统的远程工作是通过Intemet来开展的，所以硬件设 计上必须有网络控制器，而终端设备大部分都是在以太网中工作，综 合考虑ENC28J60这款以太网控制器就成了合理的选择，它位于图21 中的U2单元。 腿901170A是中山市电子有限公司生产的RJ45接口连接器，带 网络变压器和滤波器，该连接器满足正EE8023标准，能够较好的控 制电磁干扰。通过玛01170A系统可以连接到以太网上了，在图21 中是以实名标出的。 目前该嵌入式系统的监控内容主要是温度和湿度，选用的是 能力强的特点，在图21中是以SHT75实名标出。 为了方便实验调试和将来外围设备的扩展，硬

24、件设计时预留了多 个连接器口，在图21中清晰可见。其中，connl是连接外部存储器， 硕士学位论文 conn24是便于调试用的接口，USBco彻ector是USB设备的外部接 collllector是在线编程接口，Powercom是系统外接电源的 口，Prog 图2-l网络嵌入式系统的电路议计图 为了将来能够处理大批量的数据，如视频监控中的图像采集，本 系统中特地增加了两片铁电存储器FM31256，它的读写速度快，没 有写等待时间；功耗低，静态电流小于1mA，写入电流小于150nA； 擦写使用寿命长，芯片的擦写次数为100亿次。如图21中的U3和 U4所示【。 硬件设计结构清晰，为硬件系统的标

25、准化、模块化打下良好的基 础，可靠性及抗干扰能力强。系统中的相关器件性能匹配，系统扩展 与外围设备的配置水平充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余 地【8】，以便进行二次开发。富余的端口做成插座形式的接口电路，极 大地方便了开发人员和维护人员的工作阳1。 基于PIC单片机的网络嵌入式系统研究 212主处理器的介绍 器简洁，低功耗的优点，又有32位处理器所拥有的出色的计算性能。 它具备所有PICl8单片机固有的优点一优惠的价格和出色的计算性 能，还具有高耐久性和增强型闪存程序存储器。除些之外，PICl8F2455 还引进了增强的功能，使得该系统单片机成为许多高性能和节能的明 智选择。它的优点有

26、n训： ?故障保护时钟监视器：该选项不停地监视主时钟源，将其与 内部振荡器提供的参考信号作比较。如果主时钟发生了故障，单片 机会将时钟源切换为内部振荡器电路，使器件可继续低速工作或安全地 关 ?双速启动：该功能允许在上电复位或从休眠模式唤醒时将 内部振荡器用作时钟源，直到主时钟源可正常工作为止。 ?存储器耐擦写能力：程序存储器和数据EEPI的M的增强型闪 存单元经测试，能经受数千次擦写，程序存储器最高可达100，000 守地估计在40年以上。 ?自编程性：这些器件能在内嵌软件控制下对各自的程序存储空 间进行写操作。通过使用位于受保护的引导模块 程序存储器顶端 中的引导加载子程序，应用程序可实现

27、现场自论文更新。 展，添加了8条新指令和变址寻址模式。 ?增强型可寻址USART：此串行通信模块可进行标准的RS232 通信并支持LIN总线协议。其他增强的功能包括自动波特率检测和分 辨率更高的16位波特率发生器。 ?10位刖D转换器：此模块具备可编程采集时间，从而不必在选 择通道和启动转换之间等待一个采样周期，因而减少了代码开销。 ?专用ICDICSP端口：这些器件包含一些不与其他单片机功能 硕士学位论文 复用的编程引脚和调试引脚。选择特定的封装类型可以使用这些引 脚。这一功能允许用户开发对IO要求较高的应用，同时能够进行在 线编程和调试。 213主处理器的软件设计 对一个处理器的软件设计主

28、要考虑的两点是：数据寻址和中断处 理。熟练地掌握处理器的体系结构是设计高质量程序的前提， PICl8F2455的单片机是基于哈佛结构的存储系统，如图22所示， 它的程序存储器和数据存储器是分开的，再加上它独特的中断处理系 统就构成了本小节讨论的重点【11】。 数据存储器 程序存储器 图22“哈佛”结构示意图 1 程序存储器的合理利用 指令。它的程序存储器容量比较大，在程序设计中可以考虑创建数据 结构和查找表【12】。 查找表可以很方便地存储常量数据，实现它的方法有两种，计算 GOTO和表读写。计算GOTO是通过向程序计数器加一个偏移量来 实现的。使用表读和表写，每个程序字可以存储2个字节的查找

29、表数 储从程序存储器读取或写入的数据。每次写入读出程序存储器的数 据为一个字节。 2 数据存储器的高效寻址 PICl8F2455器件中的数据存储器是以静态RAM的方式实现的， 基于p1C单片机的网络嵌入式系统研究 共有2048个字节。存储容量较大的数据存储器需要有效的寻址机制， 以便对所有地址进行快速存取。理想状况下，这意味着没有必要为每 次读写操作提供整个地址。PICl8F2455是使用洲分区机制实现快 速存取的，该机制将存储空间分成连续的16个256字节的存储区。 根据不同的指令，可以通过完整的12位地址，或通过8位低字节地 址加4位存储区指针来直接寻址每个单元。 PICl 8F2455指

30、令集中的大部分指令都使用存储区指针即 Select BSR BankRe西ster ，利用其低4位来选择RAM中的分区。然 而，这种直接寻址得很小心地给BSR赋值，不然就会带来寻址错误， 而且它也不利于在循环语句上自动增减。相比较而言间接寻址就是很 好的寻址的方式了。 间接寻址允许访问数据存储器中的单元而不需要在指令中给出 Select 一个固定的地址。这是通过使用文件选择寄存器FSR File 为特殊功能寄存器位于删中，所以也可以在程序控制下直接对它 们进行操作。这使得FSR对于在数据存储器中实现诸如表和数组等 数据结构非常有用【13】。 每对FSR寄存器有5个额外的间接操作数，它们是不能直

31、接读 写的“虚拟寄存器，有了它们程序中的数据寻址就变得高效便捷了。 ?nDF：访问FSR值，相当于C语言中的珠P P是指针变量 ?POSTDEC：访问FSR值然后将它减1，相当于木PL ?PREINC：访问FSR的值然后将它加l，相当于木P+ ?PREINC：将FSR的值加1再使用该值，相当于木+P ?PLUSW：给FSR加偏移值后再使用该值，相当于木 P+m 有了上述间接寻址操作寄存器就可以无须考虑删空间中的 Bank且可以在动态更新变量的地址，这对于数据存储器内部实现数 组和链表等数据结构十分便利【141。 3 中断的安全处理 PICl8F2455处理器提供多个中断源及一个中断优先级功能，

32、可 硕士学位论文 以给大多数中断源分配高优先级或者低优先级。高优先级中断向量地 事件将中断所有可能正在进行的低优先级中断。 首先一个巧妙的办法是将控制中断的10个寄存器中的位使用由 MPLAB DE提供的MicroChip头文件命名，这使得汇编器编译器能 够自动识别指定寄存器内这些位的位置。 其次对于中断的现场保护快速和安全需要精心设计，从原则上来 说凡是在中断服务程序中都可能发生写操作的寄存器都要予以保存， 但这样一来就需要很大的空间来存储现场。一个好的办法是，对于高 优先级的中断可以将Status、啪G和BSR重要寄存器保存在快速 寄存器堆栈，使用I也TFm和FAST指令从中断返回时，这些

33、寄存器 堆栈中的值会被重新装回对应的寄存器。 但对于低优先级中断就得构建软件堆栈区来存储Context 处理器 的寄存器组 了，它无法可靠地使用堆栈寄存器。如果在为低优先级 中断提供服务时，发生了高优先级中断，则低优先级中断存储在堆栈 寄存器中的值将被覆盖。 最后，进入中断服务程序之后，就可能通过查询中断标志位来确 定中断源。在重新允许中断前，必须用软件将中断标志位清零，以避 J-。 免重复响应该中断【15 22SPI通讯的实现 式实现单片机与外围器件或单片机之间的数据通信。SPI通信有4种 时钟相位组合，分别代表时钟和数据发送接收的相位对应关系。SPI 通信是全双工的，发送或接收数据都是高位

34、在先，在数据发送的同时 进行数据接收。由于具有严格完整的规范与独立的系统结构，SPI总 线器件的编程操作变得更加简便。 的，本课题用软件实现SPI通信。本设计都是实现主模式同步串行通 基于PIC单片机的网络嵌入式系统研究 信，亦即通信由单片机主动发起，时钟由单片机自己产生【161。 1 ENC28J60的SPI时序 ENC28J60可以与许多单片机上的串行外设接口SPI直接相连。 此器件仅支持SPI模式O，0，不支持时钟极性的选择。SPI端口要求 SCK在空闲时保持为低电平，在SCK的每个上升沿，数据从SI引脚 打入ENC芯片内部，在SCK的下降沿，数据得以更新并从SO引脚 输出。当执行操作时

35、cs引脚必须保持低电平，当操作完成时返回高 电平。其具体的时序如图23所示： 一 CS 、 一 八 厂 SCK f ，八，八 SI 而sB LsB二 二 SO Ms谚 L： 图2-3SPI模式O。O的时序波形图 2 PIC2455单片机与ENC28J60引脚连接 的引脚S0、SI、SCK、CS。因为单片机是主动方，它负责所有的数 据发送和控制，所以编程就是对PICl8F2455的IO引脚进行操作。 从图23中论文们可以针对ENC28J60的时序写出单片机引脚时 序控制的状态机图，见下面的图24。 硕士学位论文 图2_4引脚时序控制的状态机 3 PIC2455与ENC28J60用SPI通讯的实现

36、代码 因为SPI通信的速度只有上限规定，至于多慢则无所谓，只要编 写软件在选定的变通IO引脚上按一定的顺序输出数据电平或时钟脉 冲，它的通信代码如下所示： 群defineSDI pOnb，2 ；预定义端口RB2为SDI引脚 #defineSDOpOrtb，3 ：预定义端口RB3为SDO引脚 #defineSCKporIb，4 ；预定义端口RB4为SCK引脚 群defineCS portb，5 ：预定义端口RB5为CS引脚 spl： movlwbOO0001OO ：设置端口的输入输出方向 mOv、 lrftrisbO ；SDI为输入，SCK和SDO为输出 movhvb00000000；设PORl

37、限输出全零 mov、vf pOrcb，0 movlw0x00 Spi-out： ；发送与接收的子程序 movwf ；将要发送数据放入移位缓冲器 spi_bu位r，0 movlw8 movwfb沁ount-0 ：将立即数8放入位数计数器 bitout： bcf sckO ：sCK产生下降沿 rkfspi-bu行er，0；移位缓冲器左移一位 btfSs spib愉r，0 ：检测要发送位是O还是1 gmo spi_bit0 ；是O，转到相应的处理程序 bsf sd00 ；是l，将SDO置l got0 $+3 14 基于PIC单片机的网络嵌入式系统研究 23网络控制器高效工作的实现 以太网控制器，它具有自身的特性，只有熟练地掌握它的特点才能高 效