近年來以單片機（Micro Computer Unit，MCU）為代表的嵌入式系統在工業探測系統、智能儀器、安防系統、智能家電和信息家電領域得到了廣泛應用。
如果嵌入式系統能夠連接到Internet 上，則用戶可以方便、快捷、低廉地通過網絡進行遠程控制、監測和信息傳送。Internet 技術和嵌入式技術的相互融合，不僅為嵌入式系統的設計和開發帶來了前所未有的發展空間和機遇，也使得 Internet 應用進入了嵌入式Internet 時代。據專家預測，未來在 Internet 上的新增業務和應用中，將有 45%的增長來自于小型嵌入式系統。因此，嵌入式系統的 Internet 接入技術，將會有極其廣闊的應用前景。如何利用單片機接入Internet 網絡成為未來最熱門的技術之一。
1 單片機嵌入式Internet接入技術
Internet 網絡通信中，TCP/IP 協議簇非常龐大，需要占用大量的系統資源。單片機的缺點是資源有限，無法容納下Internet 的TCP/IP 協議簇。因此單片機實現嵌入式接入Internet 技術的關鍵是如何在單片機等嵌入式設備的有限資源上實現Internet 的網絡通信協議棧。其難點在于：如何利用單片機自身有限的資源對信息進行TCP/IP 協議處理，使之變成可以在Internet 上傳輸的IP 數據包。目前許多研究機構都在積極探討利用MCU 實現接入Internet 技術，出現了多種單片機嵌入式Internet 技術方案，這些技術實現方案可以歸為以下幾類。
（1） 使用專用的嵌入式芯片。專用嵌入式芯片是一種內置了通信和控制功能的單片機，可以實現實時多任務操作。比傳統的單片機硬件提供更強的系統設計靈活性。這樣的芯片有Ubicom 公司的IP2022 芯片，MOXA 公司的Nport Express 芯片等。這類芯片功能強，能夠實現多種網絡協議，一般提供有相應的TCP/IP 網絡協議棧。但是這種芯片價格偏高，用戶需要支付軟硬件費用，不易于實現市場的廣泛應用。
（2） 嵌入式系統組成專用網通過PC 網關接入Internet.小型嵌入式系統通過總線技術組成專用網絡，采用一個PC 機作為網關，該 PC 將專用網發送來的信息通過專用軟件轉換為TCP/IP 協議數據包，然后發到 Internet 上以實現遠程通信。該方案是早期采用得較多的技術。但是這種方案的缺點是要使用一臺專用的PC 機，顯然它只適用于某些工業數據采集系統，不易于向信息家電和網絡化智能儀器儀表等領域推廣。
（3） 使用普通單片機和網絡控制芯片。這種方法實現起來比較簡單，而且可根據實際需要進行功能擴展，但是需要在單片機上實現嵌入式TCP/IP 網絡協議，軟件編程的工作量比較大。由于采用普通單片機，所以其優點是成本低，單片機體積小，易于以極高的性價比向諸多需要實現嵌入式接入Internet 的場合推廣。本文設計的系統就是采用這種技術方案，下面將重點分析其硬件和軟件設計。
2 單片機與網卡的接口電路
2.1 系統總體設計
圖1 系統總體設計。
系統選用最常用的MCS 8051 系列單片機，此類型單片機價格低廉且應用廣泛。網卡選用臺灣Realtek公司生產的ATL8019AS 以太網控制器芯片。由于Internet 網絡協議的程序代碼量較大，所以系統除了單片機和網卡外，還增加了一些外圍電路。包括用作數據緩存的RAM 存儲器和RS232 接口，前者用作數據緩存器，后者作為單片機與現場設備進行數據交互的接口。系統總體功能設計如圖1 所示。
在上述系統設計中，單片機主要完成Internet數據的解包和串口RS232 數據的封包。遠程PC 機傳輸來數據包經過Internet 物理媒介到達以太網控制芯片 RTL8019AS 內，RTL8019AS 執行地址解析協議，然后交給 C8051 單片機，單片機執行TCP/IP 協議模塊，去掉 TCP/IP 報頭后將數據通過RS232 串行口交給數據采集系統的現場設備。反之，如果是現場設備發送數據到單片機，那么單片機將數據按照TCP/IP 協議格式封包后送入RTL8019AS，由網卡芯片傳輸到Internet 中。通過上述方式，單片機完成與Internet 的交互，從而實現數據采集系統的互聯網遠程控制。
2.2 標單片機與網卡的接口電路
單片機是本系統的核心，因此單片機與網卡的接口電路非常關鍵。本系統選用8051 系列單片機，是因為8051 單片機是最常用的單片機，其價格低廉且應用廣泛，在工業設備應用中易于降低系統成本。同時8051 編寫程序簡練，程序調試方便。8051 單片機與以太網控制器芯片的連接電路如圖2 所示。
圖2 單片機與以太網控制芯片連接圖。
8051 單片機P0 口的8 位數據總線D0-D7、P2口的5 根地址線A8-A12、讀信號線RD、寫信號線WR、2 個定時器控制端T0、T1 分別與Realtek8019AS 的各信號線對應連接。Realtek8019AS 芯片工作在8 位總線方式。8051 單片機驅動網絡控制芯片RTL8019AS，經網絡隔離濾波器HR901170A 后實現Internet 接入。
3 TCP/IP協議棧在單片機上的實現
3.1 嵌入式TCP/IP 協議棧
TCP/IP 協議是Internet 的核心協議。單片機實現嵌入式接入 Internet 必須要在單片機上實現TCP/IP 協議。由于TCP/IP 協議簇異常龐大，而單片機片內資源有限，所以要在單片機上完整實現TCP/IP協議是不可能的。目前許多公司根據不同的嵌入式設備開發了面向商用的嵌入式TCP/IP 協議棧，這些協議棧缺點是面向特定公司生產的芯片，且需支付昂貴的軟件使用費。如果采用這類協議棧則使得設計的單片機嵌入式Internet 系統不具有性價比上的優勢。經過對比，最后在本系統中選用開放源代碼的TCP/IP協議棧uIP0.9 作為設計核心。uIP0.9 是一個適用于8/16 位單片機上的小型嵌入式TCP/IP 協議棧，感興趣的用戶可以免費在網絡上下載其源代碼并對其進行修改，以適應不同的應用需要。uIP0.9 協議棧采用模塊化設計，保留網絡通信所必要的協議機制，大大減少了協議代碼量（代碼量在幾千字節左右），只需要幾百字節的內存就可以順利運行，降低了協議對系統資源的要求。uIP0.9 完全適應當前的單片機嵌入式系統。
3.2 uIP 的體系結構
uIP 協議根據嵌入式系統的需要，去掉了TCP/IP協議中許多不常用的功能，保留網絡通信中所需要的ARP（可選）、IP、ICMP、TCP、UDP（可選）等最核心的部分。協議全部用C 語言編寫，其代碼占用量極少，對RAM 資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP 核心模塊代碼大小為3304 字節，使用的RAM 只需要360字節。其應用層接口和設備驅動層接口非常簡單。
uIP 協議將設計重點放在IP、ICMP 和TCP 協議的實現上，而將UDP 和ARP 協議實現作為可選模塊。uIP協議的體系結構如圖3 所示。
圖3 uIP 協議棧結構圖。
3.3 uIP 的底層設備驅動接口和應用程序接口
uIP 是一個僅包含三層網絡層核心協議的協議棧，uIP 自身不包含任何類型的底層網絡驅動和上層應用程序，它只提供接口函數供用戶開發使用。因此為了完成與網絡設備的交互，用戶必須根據網絡設備的類型，在uIP 中自行實現對底層網絡設備的驅動。對本例來說，網絡設備是RTL8019AS 網卡，因此需要在uIP 中實現對RTL8019AS 網卡的驅動。如果用戶需要在Internet 上通過http 協議瀏覽和獲取現場數據，還必須在uIP 上實現基于HTTP 協議的WEB 應用服務。
RTL8019AS 網卡驅動首先是對網卡芯片的上電初始化，通過函數init_8019as（）進行，用于設定網卡物理地址，設定收發緩沖區位置和大小等。其次是發送數據函數eth_send（）和接收數據函數eth_rcve（）。
而uIP 協議棧則通過內核中的uip_input（）函數實現對底層網絡設備的驅動，該函數是uIP 協議的底層設備入口。它包含兩個全局變量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的數據包，后者表示接收發送緩沖區里的數據長度。uip_input（）函數處理從網絡設備驅動發送來的IP 包。處理結束后返回變量uip_len，如果uip_len 是0，則沒有數據要發送。不為0 則調用網絡設備驅動程序eth_send（）函數來將uip_buf 里的uip_len 長度的數據發送到以太網上。eth_rcve（）函數將接收到的數據存儲到緩存uip_buf 指定的緩沖區中，系統調用uip_input（）函數，并在需要時調用應用程序。
uip_periodic（）可以理解為是一個周期時鐘函數，通常每一秒執行一次，單片機用它周期性地輪詢各連接。因為uIP 協議要處理許多定時事件，例如包重發、ARP 表項更新。當周期計時激發，每一個TCP 連接調用uip_periodic（），其TCP 連接編號作為參數傳遞給uip_periodic（）函數。uip_periodic（）函數檢查參數指定的連接的狀態。當uip_periodic（）函數返回后，會檢查uip_len 的值，若不為0 則將uip_buf 緩沖區中的數據包發送到網絡上。
uIP 協議的應用程序接口用于實現web 之類的應用服務。uIP 定義了一個宏UIP_APPCALL（）作為該接口，供用戶使用。當用戶要編程實現某應用服務時，只需要將宏UIP_APPCALL（）定義成實際的應用程序函數名。uIP 在接收到底層傳來的數據包后，若需要送上層應用程序處理，它就調用UIP_APPCALL（）。不同的連接則通過判斷當前連接的端口號來確定。同時uIP 還提供一些應用程序接口函數供用戶編程時使用。常用的uIP 應用程序接口函數有：關閉連接接口函數uip_close（）；輪詢接口函數uip_poll（）；打開連接接口函數uip_connect（）等。通過調用不同的應用程序接口函數，用戶可以實現相應的功能。
4 單片機主程序的設計
完成了底層設備驅動模塊和應用服務程序模塊的添加以及對uIP 進行了正確配置之后，軟件編寫的主體部分是單片機主程序函數。主程序視用戶需要達到何種功能而定。對于本例通過以太網卡接入到Internet實現WEB 應用服務來說，單片機主程序首先啟動初始化工作，包括定時器初始化、網卡芯片初始化、UIP 協議棧初始化、用戶應用程序初始化等等［5］。在完成初始化之后，主程序將不停的進行查詢，如果網卡上有新的IP 數據包到達則送uip_input（）函數處理；如果沒有新數據包到達則由uip_priodic（）函數處理定時事件。由于uIP 協議棧采用C 語言編寫，所以為了方便單片機主程序與uIP 協議交互，單片機主程序也采用C 語言作為開發語言。下面是單片機主程序的部分設計代碼。
TCP/IP 協議棧的鏈路層部分由網絡控制器RTL8019AS 完成，網絡層和傳輸層由單片機來處理。
應用層則根據需要可以在單片機內完成，也可以由單片機轉給用戶或終端設備完成。除了WEB 服務之外，其它應用層服務像SMTP 協議支持功能也可以根據需要編寫相應的代碼。
5 系統測試
在完成上述工作的基礎上，我們為市區中心停車場設計了一個停車監測管理系統。由于市區中心停車場業務量非常繁忙，車位經常飽和，不僅管理人員而且客戶經常需要實時掌握該停車場的停車位空閑信息。數據采集系統的前端通過傳感器監測各停車位的空閑狀態。并及時將信息反饋到單片機，反饋的信息包括停車位空閑狀態，停車起始時間和時長等。據此監測系統計算整個停車場空閑停車位的個數，并將信息返回到客戶端，同時以公告信息形式顯示在停車場出入口的LED 顯示屏上。方便客戶作出決策。根據停車時長計算的計費信息也可以顯示在客戶端上。結合上述要求，我們在單片機上實現了一個嵌入式Web服務器。Http 網頁能夠完成接收數據、發送網頁數據、關閉連接等應用，并且能夠動態實時地進行數據更新?？蛻舳耸褂米畛Ｓ玫腤indows 操作系統和Internet Explorer 瀏覽器，客戶端不需要安裝其它特殊的服務程序。系統僅設置為最多4 個并發客戶端訪問單片機Web 服務器。圖4 是訪問單片機Web服務器的結果。
圖4 客戶端訪問單片機Web 服務器。
6 結語
嵌入式網絡通信是近幾年來嵌入式工業的新興應用領域。由于MCS-51 系列單片機具有悠久的歷史和廣泛的應用，其低廉的價格，以及uIP 協議?？梢悦赓M使用，所以采用本設計方案的產品具有成本低，附屬硬件少，使得終端價格不會因嵌入式接入Internet而增加太多。具有極高的性價比，易于推向市場。目前根據此技術開發的系統已在市區繁忙的停車場監測系統得到成功應用。只須稍加改進即可應用于基于51內核的其它單片機系統。本系統能夠有助于智能信息家電、生產設備監測監控等的工業應用以較好的性價比實現嵌入式Internet。