实时内核μC/OS-II下的网络监控系统的设计 01 Internet, 人机界面, 网络监控, 浏览器, IP地址

samwalton

随着信息时代的到来，特别是互联网的迅速普及，人们开始越来越多地接触到一个新概念——嵌入式产品。将嵌入式系统接入Internet，不仅实现了设备的远程控制、维护和升级，而且可实现资源共享。 通过网络对设备进行监控，一个外部界面是必不可少的，利用Web浏览器可使用户通过网络对远程系统实现管理和更新，大大简化了人机界面的设计。若在系统中嵌入实时操作系统，将使系统具有极强的可移植性，另外，硬件设备的添加与裁剪也具有极大的灵活性。采用DHCP协议动态获得IP相关信息，使TCP/IP软件不再依赖于存储在芯片中的固定IP地址，这将为大型系统的安装提供方便条件。
　　
本设计的关键是如何在内存资源有限的单片机系统上，利用实时内核μC/OS-II把信息变成可以在互联网上传输的IP数据包，以便通过IE浏览器监控远程设备的状态。

1 网络监控系统概述
　　
本设计采用Internet监控远程设备，整个系统相当于一个网络服务器。客户端通过IE浏览器对该服务器进行访问,实时地获得设备的状态信息，以便对设备进行控制和维护。这样，就要求服务器提供WWW服务，即实现HTTP协议。它应被所有浏览器支持，以保证任何地方的用户都可通过浏览器下达命令。在网络接口上，本系统选择以太网为其运行的网络环境。图1所示为HTTP设计模型。首先，客户端的浏览器与Web服务器使用一个或多个TCP连接，通过80号端口进行通信，浏览器通过HTTP协议浏览事先存储在EEROM中的控制网页，通过该网页传递控制命令到网络服务器，然后服务器对命令进行解析，调用相应的函数以控制外部I/O设备。

整个网络监控系统包括硬件和软件两部分。在硬件部分嵌入了TCP/IP协议栈。因系统资源有限，在保持协议分层体系结构的前提下，应尽量精简协议内容。根据网络监控系统的原理，本系统实现了以下协议：DHCP、HTTP、TCP、IP、ICMP、ARP。

2 硬件平台设计
　　
本设计采用以太网作为网络的运行环境，在硬件上需要有网络控制芯片。目前市面上有许多以太网络控制芯片，但其大多数都耗电量高、功能复杂，不适合用于价格低廉的嵌入式系统中。在这里选用RTL8019AS[1]，其好处是NE2000兼容、软件移植性好、接口简单、不需转换芯片如PCI-ISA桥等。而单片机选择89C55，它有20K的ROM，内部结构简单，只要代码能够移植于它，就能较轻松地移植于其它架构的CPU，比如arm等。图2为硬件原理框图。24C64用来存储物理地址及设备的相关信息等；外部RAM为数据处理提供缓存。系统提供了RS232接口用来进行测试，提供了RJ45接口以便连接到以太网。

3 操作系统的选择
　　
根据监控系统的特点，系统必须满足实时性和并发性的要求，以便更好地支持TCP/IP运行时的调度，所以应用软件应该基于嵌入式实时操作系统。适合于片上的实时操作系统比较多，但是代码公开且适合移植于51系列单片机的却很少，主要有μC/OS-II、RTX51、Small RTOS51等。实时内核μC/OS-II是专门为单片机嵌入式应用而设计的，图3为嵌入式实时操作系统的内部结构图。它主要采用标准的ANSI C语言写成，与硬件有关的部分使用汇编语言编写，以使操作系统能很方便地移植到其它的处理器。可见，使用嵌入式操作系统时,应用软件只与上层的代码有关而与处理器无关，在进行软件移植时仅需对与硬件相关的底层函数进行修改，因此这样的应用软件具有良好的可移植性和稳定的可靠性。在μC/OS-II下编写TCP/IP协议，比传统的前后台系统要方便很多；用它分配内存缓冲区，使用前申请，使用后释放，可有效地利用系统资源。在程序设计时将TCP/IP协议栈做成任务，而用户程序在另外的任务中运行。这样，单片机可在完成原来控制系统功能的前提下，实现网络通信。从代码长度上看， 实现基本功能的TCP/IP协议栈比Linux等其它操作系统优势更大。

4 软件设计
　　
软件设计是网络监控系统设计的重要部分，主要完成RTL8019AS的驱动、μC/OS-II对应用系统的管理及TCP/IP协议栈的实现。
4.1 μC/OS-II操作系统的应用
　　
μC/OS-II可以根据需要进行相应裁剪后移植[2]到51单片机上。用它对系统进行管理，使得程序易读，且便于移植。μC/OS-II主要负责管理网卡初始化、创建系统资源、创建任务等三部分工作。在系统资源的创建上，使用TxSem、RxSem信号量[3]及TxQFIFO队列[3]。
当需要发送或接收数据时，触发RTL8019AS中断，CPU将中断向量进入中断服务子程序，进行事件处理。中断服务子程序根据RTL8019AS内部中断状态寄存器IMR的值确定系统所处状态，通过两个信号量TxSemPost和RxSemPost切换系统任务，使等待相应信号量的一个任务进入就绪态。发送数据帧的过程是通过检查信号量TxSemPost而进行的相应处理，为了保证数据正确到达客户端，这里采用了多次发送机制。