摘 要：隨著單片機處理能力不斷增強，嵌入式系統(tǒng)也越復雜，控制系統(tǒng)日趨網(wǎng)絡化，使基于以太網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)研究成為其技術發(fā)展的趨勢。本文以ATmega16單片機和CP2200以太網(wǎng)控制器為主要硬件，TCP/IP為協(xié)議，分析了嵌入式單片機系統(tǒng)接入以太網(wǎng)的可行性，并闡述了其硬件設計，軟件設計與實時性。 關鍵詞：以太網(wǎng);單片機;嵌入式系統(tǒng);TCP/IP;實時性 1 引言 　　嵌入式系統(tǒng)是控制、監(jiān)視或輔助設備、機器和車間運行的裝置，具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，近年來被廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)及通信等領域。嵌入式系統(tǒng)根據(jù)所采用的嵌入式處理器不同可分為兩種：一種是以DSP和32位為微控制器（microcontroller）與微處理器（microprocessor）為主的高端嵌入式系統(tǒng);另一種是8位單片機作為微控制器的低端嵌入式系統(tǒng)[1]。隨著單片機的處理速度提高，存儲空間增大，生產(chǎn)工藝改進，成本降低，及結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點與優(yōu)越性，單片機在未來的嵌入式系統(tǒng)應用中仍有很大的發(fā)展空間。同時，控制系統(tǒng)越來越復雜，功能需求不斷增多，多個嵌入式單片機系統(tǒng)之間需要相互進行數(shù)據(jù)通信，工作人員也要對系統(tǒng)工作情況進行監(jiān)控和管理。這就需要嵌入式單片機系統(tǒng)具有能連接網(wǎng)絡的功能。但目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于獨立應用階段，即使進行多個微控制器之間的信息傳遞，也只是利用一些現(xiàn)場總線進行組網(wǎng)，而這些總線的應用有其局域性，各總線間不能兼容，不能實現(xiàn)更大范圍的連接，而以太網(wǎng)則不受限制。 　　以太網(wǎng)是目前發(fā)展最成熟、應用最廣的局域網(wǎng)技術，將嵌入式設備通過常見的集線器、交換機等設備接入局域網(wǎng)，實現(xiàn)實時的網(wǎng)絡遠程控制與管理，已成為嵌入式系統(tǒng)應用的技術發(fā)展趨勢[2]。在本項目“多維數(shù)控系統(tǒng)”研究中，電火花機床包括運動控制部分、脈沖電源部分和操作部分，這些獨立的嵌入式系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方式進行組網(wǎng)。本文以ATmega16單片機和最新發(fā)布的以太網(wǎng)控制器CP2200為硬件來實現(xiàn)各個嵌入式單片機系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。 2 硬件設計 　　系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要由四大模塊組成，其框圖如圖1： [align=center] 圖1 系統(tǒng)硬件框圖[/align] 　　2.1 單片機選擇 　　目前單片機種類繁多，主要是基于51內(nèi)核或是基于AVR內(nèi)核的單片機。而基于AVR內(nèi)核的要優(yōu)越于基于普通51內(nèi)核的單片機。本文使用的是ATMEL公司生產(chǎn)的基于AVR的單片機ATmega16。AVR單片機采用精簡指令集（RISC）和Harvard結(jié)構(gòu)。AVR單片機一般都帶有看門狗定時器（watch dog），而看門狗定時器可便于程序抗干擾，這在工業(yè)控制系統(tǒng)中，以及在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信中是很重要的。 　　ATmega16單片機的主要特性[3]： 　　a） 131條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期; 　　b） 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash， 512字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM; 　　c） 兩個可編程的串行USART，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器; 　　d） 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器;一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器，6種睡眠模式。 　　2.2 以太網(wǎng)控制器選擇 　　目前大多數(shù)8位的單片機都不集成有以太網(wǎng)控制器，需通過專用的以太網(wǎng)控制器才能接入以太網(wǎng)。CP2200以太網(wǎng)控制器采用silabs公司最新生產(chǎn)的單芯片以太網(wǎng)控制器。 　　CP2200可以提供目前應用最廣泛的局域網(wǎng)技術，是業(yè)界體積較小和效能較高的以太網(wǎng)控制器。CP2200最多能夠?qū)⑺璧碾娐钒迕娣e減少90%，讓系統(tǒng)成本和復雜性減至最少，使得系統(tǒng)更好地連入以太網(wǎng)中。其基本結(jié)構(gòu)如圖2。 [align=center] 圖2 CP2200的基本結(jié)構(gòu)[/align] 　　CP2200以太網(wǎng)控制器的主要特性如下[4]： 　　a） 內(nèi)含IEEE802.3并兼容10Base-T以太網(wǎng)媒介存取控制器（MAC）和實體層（PHY）; 　　b） 預先設定了一組獨一無二的48位MAC地址，故可以省下多數(shù)嵌入式系統(tǒng)在產(chǎn)品制造過程中所需執(zhí)行的編程步驟; 　　c） 支持自動協(xié)商功能（auto-negotiation），網(wǎng)絡通常必須透過這種機制了解控制器所支持的以太網(wǎng)功能，沒有這種機制或使用者控制開關，網(wǎng)絡就會選擇預設的最低通訊能力而使得應用產(chǎn)品的頻寬和效能無法發(fā)揮; 　　d）提供高效能的并列式外部內(nèi)存界面，高達30Mbps的操作速度可大幅縮短通訊時間，使得搭配的微控制器能以更高效率執(zhí)行通訊協(xié)議或其它程序; 　　e）能在-40℃到+85℃溫度范圍操作，電流消耗僅70mA，相當于其它產(chǎn)品的1/3; 　　2.3 硬件電路連接設計 　　該部分設計提供了ATmega16與CP2200的主要電路連接，提供了一個RJ-45接口用于連接以太網(wǎng)和一個串行接口（MAX232）連接下一級網(wǎng)絡或者現(xiàn)場設備。其硬件連接如圖3， [align=center] 圖3 硬件設計連接電路圖[/align] 　　圖中省略了一些抗干擾元件電路與復位電路設計。 　　ATmega16具有4個I/O雙向接口（PA，PB，PC，PD），CP2200提供了專門的用于8位模式的地址端口（A0-A7）。這里用ATmega16的PA0-PA7與CP2200的地址端口A0-A7直接相連。端口PC0-PC7與CP200的數(shù)據(jù)總線端口D0-D7直接相連。ATmega16通過PB0-PB7端口實現(xiàn)對CP2200的工作方式控制。引腳SS與CP2200引腳CS相連，實現(xiàn)片選功能。ATmega16的引腳MISO與MOSI分別和CP2200的引腳RD與WR以相連，實現(xiàn)單片機對以太網(wǎng)控制器的讀寫操作。ATmega16通過引腳PD14（RXD）、PD15（TXD）分別與MAX232引腳R1OUT、T1IN相連實現(xiàn)單片機對串口的讀寫操作。 　　CP2200采用Non-Mutiplexed 模式，并支持Intel和Motorola Bus 模式。當MUXEN與MOTEN都為低電平時，為Intel模式。CP2200通過隔離變壓器連接到RJ-45接口，實現(xiàn)與以太網(wǎng)的連接。CP2200可以使用硬件中斷和軟件中斷，這里使用硬件中斷，故CP2200引腳INT與ATmega16的引腳PB2（INT3）相連。 3 系統(tǒng)軟件分析設計 　　以太網(wǎng)使用802.3標準和TCP/IP協(xié)議。802.3標準位于IOS/OSI的第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）。所使用的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)為IEEE802.3 幀結(jié)構(gòu)（表1）。 　　表1 IEEE802.3幀結(jié)構(gòu) 　　其中：目的地址是幀發(fā)往的站點地址，每個站點都有自己唯一的地址;數(shù)據(jù)長度是要傳送的數(shù)據(jù)的總長度;協(xié)議首部是數(shù)據(jù)字段的一部分，含有更高層協(xié)議嵌入數(shù)據(jù)字段中的信息;數(shù)據(jù)字節(jié)的長度可從0-1500個字節(jié)，但必須保證幀不小于64個字節(jié)，否則就要填入填充字節(jié);幀校驗采用CRC碼。 　　TCP/IP協(xié)議采用分層的結(jié)構(gòu)（以OIS為參考模型），從下到上為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層以及應用層。物理層與數(shù)據(jù)鏈路層可以有以太網(wǎng)控制器完成。網(wǎng)絡層包括IP、ARP、ICMP協(xié)議，主要完成IP尋址，負責將源主機的報文分組發(fā)送到目的主機。傳輸層包括TCP、UDP，主要功能是負責應用進程之間的端-端通信，目的是在聯(lián)網(wǎng)中源主機與目的主機的對等實體之間建立用于會話的端-端連接。用戶的主要程序位于協(xié)議的最高層，即應用層，主要用來完成數(shù)據(jù)的采集與處理，主要協(xié)議有TENET、FTP、SMTP、DNS。 　　單片機與以太網(wǎng)控制器之間的通信訪問模式有中斷和查詢兩種方式，為了避免主程序的不斷查詢和簡化程序，可采用中斷方式[5]。在中斷方式下，以太網(wǎng)接入驅(qū)動程序主要由以太網(wǎng)控制器中斷服務程序、發(fā)送數(shù)據(jù)模塊（圖4）和接受數(shù)據(jù)模塊（圖5）組成。在CP2200開始工作之前，系統(tǒng)需要對它進行一定的初始化，以確定CP2200的工作模式。 [align=center] 圖4 發(fā)送數(shù)據(jù)模塊 [/align] [align=center] 圖5接受數(shù)據(jù)模塊[/align] 　　在實現(xiàn)嵌入式單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡互聯(lián)時，除了一些驅(qū)動程序外，主要的是要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，主要流程如圖6，它的主要功能是有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，生成TCP組和IP組，送于CP2200發(fā)出去;有數(shù)據(jù)接收時，解析IP/TCP組，并送于應用層作進一步處理。 4 以太網(wǎng)實時性問題 　　實時性是指系統(tǒng)對外界激勵及時做出響應的能力，常用系統(tǒng)對外界激勵的響應時間定量描述。以太網(wǎng)采用的是一種隨機訪問協(xié)議，即載波偵察聽多路訪問/沖突檢測—CSMA/CD。在通信負載較小的條件下，CSMA/CD法的響應熟讀很快，具有很好的實時性。但是，當以太網(wǎng)應用于工業(yè)或者通信負載較大的條件下，CSMA/CD將產(chǎn)生無法預見的延遲特性，即不確定性問題，不能滿足實時性要求。其改善實時性的方法一般主要從軟件或硬件方面上考慮。軟件方面有采用實時操作系統(tǒng)，RT-CSMA/CD，IEEE1588[6]等。這方面的技術已取得一定的進步，在一些領域已有應用，但是還有一些問題需要解決。硬件方面一般采用以太網(wǎng)交換機，通過交換機構(gòu)建一個全雙工交換式以太網(wǎng)。此技術應用較廣，相對較成熟。 [align=center] 圖6 網(wǎng)絡互連程序流程圖[/align] 5 結(jié)束語 　　嵌入式系統(tǒng)通過以太網(wǎng)技術不僅能夠完成對現(xiàn)場設備或其他子系統(tǒng)的控制，監(jiān)視和管理，還可以通過網(wǎng)絡實現(xiàn)跟上位機或其他系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)通信與控制功能，而且系統(tǒng)穩(wěn)定，控制方便，成本低?；贑P2200的嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口就能達到這種目的。 　　本文作者創(chuàng)新點在于不僅對基于CP2200的嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口設計進行了硬件、軟件分析，而且還簡述了以太網(wǎng)實時性問題和改善的方法。 參考文獻 　　[1] 程小輝，李明強，沈旭 基于AT89C51單片機嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的設計[J].自動化與儀器.2005.4. 　　[2] 付沖，陳英等一種通用嵌入式系統(tǒng)以太網(wǎng)接口的設計以實現(xiàn)[J].山東大學學報，2005.6（3）.93-97. 　　[3] ATMEL Corporation AVR Embedded Web server[Z].USA： ATMEL Corporation 2003. 　　[4] Silicon Laboratories Inc.CP2200/1 Complete Datasheet [Z]. 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