用51内核网络单片机构成的远程监控系统

引 言 在工业控制、信息家电等应用领域，存在大量的嵌入式设备，而这些设备很多只有串口、CAN总线等简单的网络接口，通信能力有限，有的甚至处于孤立运行状态。如何让这些以单片机为核心的嵌入式系统接入以太网，并通过网络对它们进行远程监控，是当前电子世界中的研究热点。TCP/IP在Intemet和大多数局域网中的成功应用，已经证明了其强大的功能。如果实现TCP/IP协议和嵌入式系统的结合，嵌入式系统联网问题就能得到有效解决。目前，嵌入式系统联网主要有如下几种方案：①EMIT，以PC或其它高档计算机为网关，将CAN、RS-232等设备接入重量级网络；②采用32位MCU+实时操作系统，高档MCU功能强大，可以实现复杂操作，但需要有RTOS支持，这种方案的成本和对开发人员的要求较高；③采用Scenix的8位MCU，加上虚拟软件包，实现多任务操作系统，运行TCP/IP协议栈。 本文提出的基于网络单片机的嵌入式远程监控系统方案，可以实现串口、CAN总线等轻量级网络和以太网的互连。该方案具有体积小，性价比高的特点。 1 系统的组成 基于网络单片机的嵌入式远程监控系统由主控制器、以太网接入模块、CAN网络接入模块、1-Wire网络、串口网络、存储器电路、实时时钟、电源模块和监控电路等功能模块组成。其原理框图如图1所示。 (1)主控制器 采用原Dallas公司的高性能51内核的网络单片机Ds80C400，内部集成了1个10/100M以太网控制器(MAC)，3个通用全双工串口，1个CAN2.0B控制器，1个1.Wire控制器。MCU内部64KB的ROM程序中包含完整的TCP/P V4/6协议栈；可访问16MB存储空间；具有专门的低位地址口；4个数据指针；有2x/4x时钟加倍器，最高工作频率可达75MHz。 (2)以太网接入模块 利用集成的MAC，通过物理层器件PHY和以太网相连；MAC具有标准的媒体无关接口MII。设计中PHY采用具有自动协商功能的DP83846A，外接网络变压器20F001N。在工作过程中，可以通过MII管理总线设置工作模式。PHY和以太网控制器的连接如图2所示。 MAC具有专门的接收发送缓冲区，可以通过MOVX进行访问；MAC还具有缓冲区控制单元BCU、命令／状态寄存器CSR、地址检测模块、电源管理单元等组成，主要由BCU负责以太网的收发活动，减少了CPU的参与，保证了以太网收发的效率。 (3)CAN网络接入模块 通过集成的CAN2．0B控制器，外接CAN收发器和CAN网络相连。设计中使用的是TI的SN65HVD230，它具有低成本、低功耗的特点。 (4)1-Wire网络 通过1一Wire总线控制器和1-Wire只读存储器DS2502-E48相连，给以太网控制器提供物理地址(MAC地址)。 (5)串口网络 通过单片机内部集成的全双工串口，可以和串口设备相连。为了和外部的RS-232电平相匹配，外接收发器MAX560CAI(也可以采用MAX232、MAX3233等)，它具有4个输入、5个输出。单片机的串口0用来和开发机相连，串口2作为DTE，具有完整的流控制线，用来和串口设备相连。 (6)电 源 电路中各种器件的工作电压有3．3V、1．8V和5V等，采用MAX832、MAX682和MAXl792，分别提供3．3V、5V和1.8V电压。 (7)监控电路 选用MAX825T(门限电压3.08V)来监测主控制器的3.3V电源电压，当电压低于3.08V时，产生可靠复位。 (8)实时时钟 给系统提供准确的时间，便于了解系统状态，比如获取数据采集的时间等。 (9)存储器单元 Ds80C400具有专门的低位地址线P7口和专门的工程序存储器片选信号(CEO～CE7)和数据存储器片选信号(PCEO"PCE3)，可寻址16M的程序空间和4M的数据空间。选用AM29F040B一70(Flash，2片)作为程序存储器，HM6285 12LFP-7(SRAM，2片)作为数据存储器。将SRAM和Flash分别接在面、面、面、面。内部64KB的R0M在系统启动时，对SFR进行初始化，从而SRAM、Flash分别映射到表i所示的空间。DS80C400内部和各种控制器相关的存储区及ROM的地址映射如表2。这些缓冲区在芯片内部，具有丰富的访问和操作指令，系统具有较高的集成度和吞吐量。 2 程序设计方法 DS80C400中集成了64KB的ROM，具有工业标准的TCP／IP v4／v6协议栈、占先式的调度程序和网络引导程序、串口引导装载程序。网络引导程序和串口引导装载程序可以装载应用程序。在应用中通过外部引脚的配置，选择内部ROM的执行流程。系统启动时，ROM对单片机的串口0进行初始化，MCU通过串口0和开发主机通信，向F1ash写入程序。 网络引导程序利用内部的TCP／IP协议栈和任务调度程序，可以通过以太网进行应用程序下载，实现程序在线更新。应用程序使用Java来开发，借助Dallas公司提供的软件开发工具包TINI SDK，大部分工作在开发主机上完成；可以使用免费的Java SDK工具或集成开发环境，提高编程效率。TINI SDK将DS80C400中的硬件部分虚拟为Java的类，从而将对实际硬件的操作，转变为对对象方法的调用，使用Java不要求开发者深入了解系统的硬件构成。TINI SDK提供了Java程序的运行环境，在主机上开发Java应用程序经过转换，即可在目标系统上运行。在运行环境的支持下，可以开发功能完善的嵌入式Web服务器，从而实现设备运行状态的远程监测和控制。DS80C400中具有1KB的扩展堆栈空间，具有支持高级语言开发的物理基础。TINI SDK正是在这个基础上，提供了Java运行环境，从而可以开发多线程应用程序。以开发串口设备到以太网服务器的数据流传输程序为例，其中包含主线程和发送、接收线程。程序结构如图3和图4所示。 3 结论 该系统不仅可以拓展嵌入式设备的通信能力，将RS-232、CAN等轻量级网络和以太网相连，比如实现串口设备和以太网服务器的数据流传输，通过以太网服务器对串口设备进行监控；也可以取代原有控制设备，直接来控制现场设备，可利用该系统实现网络传感器、远程控制设备运行、远程数据采集等。系统还具有较大的扩展余地，可以根据应用需要进行扩展，如改变存储器的容量等。系统实现时，要根据具体需要选择合适容量和存取时间的存储器，采用合适的寻址模式；选取合适的接口电路并确保正确的连接和配置。另一方面，该芯片的集成功能较多，系统出现问题时，定位比较困难。但该方案不依赖PC或高档单片机，实现8位机直接接入Internet；所需外围器件少，系统成本低；开发周期较短，开发成本相对较低，具有实际应用价值。