摘要：针对嵌入式系统在接入互联网时需要占用大量的系统资源以及速度慢等问题，依据TCP／IP协议理论模型，采用SPCE061A单片机作为微处理器，专用芯片E5112作为TCP／IP协议的执行部件，构建了嵌入式系统接入互联网的快速接入平台．实验证明，该平台性能稳定为嵌入式系统接入互联网提供了一条快捷的方式。

关键词：MCU；E5ll2；互联网；TCP／IP；SPCE061A

0   引言

目前，在工业领域主要通过RS232，RS485，CAN总线协议将各个嵌入式设备连接起来，与Internet是隔绝的；虽然在某些领域像公话终端也提供了上网功能，而且由于种种原因这些设备还没大量投放市场；从总体上说大多数嵌入式系统还处于独立应用的阶段，要想利用这些嵌入式设备本身现有的资源将它们连入Internet是比较困难的。目前国内外将嵌入式设备接入Internet大致有三种方案:

方案1：利用网关技术。整个系统通过一个网关与Internet连接，系统中的MCU只使用简单的、与网关通信的协议。该方案的优点是:(a)由于复杂的TCP/IP网络协议是通过网关在PC机上实现的,而MCU只使用较简单的内部协议，因而对MCU的要求相当低，这样就将MCU从复杂的协议中解放出来,致力于应用系统的实现；(b)由于有了网关,整个实时控制系统就有了统一的管理,与Internet相连只需在网关上设一个IP地址,使成本明显降低,同时大大增加了系统的实用性。目前市场上比较流行emWare公司开发的EMIT(Embedded Micro Internet working Technology )技术就是采用这一方案。

方案2：最原始的也是最直接的方案。该方案采用一片MCU实现TCP/IP协议^[1],并作为接入Internet的专用通信控制器,它的作用和方案3中的专用芯片一样将系统接入Internet。只不过方案3采用的是已固化的商业化的专用芯片,系统集成方便,工作量小。而本方案是要自行实现复杂的TCP/IP协议,研发周期将大大增长。但是,由于是自己实现通信协议,就可以针对不同的系统采用不同的协议,这种灵活性非常符合嵌入系统可裁减和量身定做的特点.另外,对于研究MCU系统接入Internet的核心技术来说,这是一个不错的方案。一旦掌握了核心技术,就可根据一些固定的应用,开发出专用的接入Internet的通信产品供用户使用。

方案3：采用TCP/IP专用芯片。该方案将MCU应用系统和内部固化了TCP/IP协议的芯片相结合。MCU应用系统借助TCP/IP专用芯片,通过直接拨号或者与以太网相连的方式接入Internet,硬件电路相对简单,无需其它中间环节的支持。

1   基于SPCE061A的嵌入系统接入互联网的硬件结构

本系统采用方案3，其原理框图如图1．这种设计的优点在于：应用系统设计工程师可以不考虑网络协议，只需解释并执行网络芯片传送过来的指令和数据就可以实现与互联网的连接．这可以使产品的研发周期大大缩短。

E5112^[2]是上海精致公司生产的一款专用上网芯片。它内部封装了TCP／IP协议，并且能通过Modem方式拨号上网。用户端只需外接MPU，并完成API调用即可完成互联网的接入，真正实现嵌入式系统与Internet的连接。可以使PC机通过互联网远程访问嵌入式系统，也可以使用单片机系统将信息通过互联网发送到远端的PC或其他终端上^[3][4] 。

图1.基于SPCE061A的嵌入系统接入互联网的结构图

Fig. 1 The Structure of Accessing to Internet Embeded-system Based on SPCE061A

E5112芯片有以下特性：① 支持工业标准协议：TCP／IP，PPP；② 通用SOCKET：一个用户可以配置的通用SOCKET；③ MCU接口：三线RS232串口；④ 物理传输层接口：RS232串口；⑤ 高速内部时钟速率：外部晶振22.1l84MHz；⑥ 上网速度：56k。MPU对E5112的控制主要是通过向它发送所能接受的帧来完成，即帧是MPU 与E5112进行通信与控制的载体。E5112的帧分为输入与输出两大类，共20种。每种帧都有特定的功能，其帧格式如图2．标志字段恒为0x7e；类型字段表示数据区的数据类型；长度字段表示整个帧的长度，不包括首尾的标志字段；数据区字段表示类型所对应的数据，长度可变，最大不超过512。

图2. E5112帧格式

Fig. 2  Formation of E5112 Frame

MCU与E5112进行通信与控制的方式有以下3种：① MCU将信息组成帧或要接收帧时，可以利用芯片提供的“基本读写字节API函数”完成帧的发送或接收；② 利用芯片提供的“帧API函数”，可以将MPU要发送的信息或命令自动地封装成帧；③ 为了方便地登陆互联网，还可以利用芯片所提供的“socket API 函数”。本系统的程序设计中大量使用了socket API 函数，因此，程序得到了简化。

图3. 系统硬件接口电路

Fig. 3 The Connection of System Hardware

2   硬件组成

SPCE061A单片机是由台湾凌阳科技股份有限公司生产的具有SOC系统的微控制器^[5]，该控制器内置A/D转换、SIO口等。SPCE061A的CPU时钟频率为0.32MHz - 49.152MHz，比51的12MHz的时钟频率要快，对于控制网络控制芯片这样速度比较快的器件有速度上的优势；虽然凌阳单片机的SPCE061A的主要优势在语音处理和数字信号处理方面，但是它的高CPU频率使它在与Internet相连的时候有比较快的速度，它的16位数据格式以及内部大容量的2k SRAM和32k FLASH为协议的处理提供了足够的内存和程序存储空间，因此它比以前更常用的8位51系列单片机更适合于本设计。硬件电路如图3.所示。

图4.系统数据流模型图

Fig. 4 The Illustration of System Data Stream Model

3   基于SPCE061A的嵌入系统接入互联网的软件系统设计

本设计的软件部分就是按照所选的这些协议进行编写的。凌阳SPCE061A的编译器支持C语言，但它的C语言对硬件没有直接的定义，虽然可以通过定义指针来对地址进行直接到操作，但是众所周知C语言里最难的就是对指针的使用。凌阳SPCE061A的编译器有一个优点就是支持C语言和汇编语言的混合调用，这就给我们提供了另外一种设计方案，就是对于硬件的操作采用汇编编写，在协议模块中直接调用用汇编编写的硬件子程序。

SPCE061A与E5112的数据流模型如图4所示。它将来自以太网的IP包，逐层解除报头，取出测控命令，并进行通信协议转换，重新组织成数据帧，发送给控制系统。另一方面，将来自底层的数据帧中取出测控数据，对其进行逐层封装，依照通信协议，向以太网发送。

嵌入式系统运行后，可以将PC机上的测试程序启动，该PC机可以是同一局域网内的，也可以是局域网之外的，但是必须连接在Internet上。试验开始，系统初始化，为了验证嵌入式系统与Internet的连通性，在收到数据包的时候，将接收到的数据回送给源机。

4   结语

该系统具有很好的通用性，它只是搭建了一个嵌入式系统连入Internet的平台，系统为做其它的应用留下了接口，也留下了足够的系统资源，在此基础上可以做很多实际的应用，可以通过串口与其它嵌入式设备连接，也可以只作为嵌入式系统与Internet连接的中间平台，因而本系统的应用很广泛。

参考文献：

[1][美]M.Tim-Jones.嵌入式系统TCP/IP应用层协议.北京:电子工业出版社.

[2]上海精致科技有限公司．E5112用户手册[Z]，2003．

[3]余锡存，曹国华．单片机原理及接口技术[M]．西安电子科技大学出版社，2000．

[4]卢虎，李勇．嵌入式WebServer技术及实现 ．单片机与嵌入式系统应用，2003，(16)．

[5]薛钧义等. 凌阳十六位单片机原理及应用. 北京航空航天大学出版社，2003.