基于C8051F020的遠程多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)

引言

隨著Internet的發(fā)展和應用，越來越多的嵌入式系統(tǒng)接入網絡。然而，大部分嵌入式系統(tǒng)都是作為B/S模式中的應用服務器，必須隨時對客戶機的請求做出回應，要求具有較強的實時性。mC/OS-II是近年來發(fā)展迅速的一個開放源碼實時操作系統(tǒng)，具有移植性好、可裁剪、可固化的優(yōu)點。將mC/OS-II引入網絡嵌入式系統(tǒng)，既可以實現(xiàn)系統(tǒng)的實時性要求，同時可以提高系統(tǒng)的可靠性，易于調試程序。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

圖2 系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議部分程序流程圖

系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)設計中采用美國Cygnal公司生產的集成混合信號SoC芯片C8051F020，其內核與8051兼容。當它工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率 25MHz 時，峰值速度可以達到 25MIPS。C8051F020除了256B的內部 RAM，還另有位于外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間的 4KB的 XRAM，以及64KB可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器。因此，它有足夠的RAM空間用于存放1500B的以太幀，以及μC/OS-II中再入函數(shù)的模擬棧。C8051F020除了有標準8051的端口（ P0、P1、P2和P3）外，還附加4個端口（P4、P5、P6和P7），內部還有很多的功能器件。

系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖1所示。網卡芯片使用臺灣 Realtek 公司生產的RTL8019AS。在系統(tǒng)中用到的網卡地址為十六進制的0300H~0310H，因此，C8051F020的P7口采用復用方式與RTL8019AS的數(shù)據(jù)/地址線相接，網卡的SA8腳則直接與高電平相接。C8051F020的 P5.2與RTL8019AS的復位端相連，用來復位網卡。RTL8019AS則外接一個隔離LPF濾波器，通過RJ45接口接入以太網。多個單總線溫度傳感器DS18B20共享一條總線，由 P3.0口進行控制。

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)

介質訪問層主要由以太網控制器 RTL8019AS來實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用IEEE802.3 標準，只處理接收地址與本機物理地址相符或為廣播地址的以太幀，并只對ARP、IP數(shù)據(jù)報進行處理。

網絡層實現(xiàn)IP、ARP和ICMP 協(xié)議：IP 數(shù)據(jù)報的首部保留 20 字節(jié)的基本控制信息，每個IP數(shù)據(jù)報包含一個分片；實現(xiàn)完整的ARP 協(xié)議；對于ICMP協(xié)議, 只實現(xiàn) ICMP 中類型號為 0 ,代碼為 0 的 Ping 應答協(xié)議。

傳輸層實現(xiàn)TCP協(xié)議。在系統(tǒng)中，TCP 協(xié)議只用于支持 HTTP 協(xié)議，由于在連接時一直處于被動服務的狀態(tài)，因此在設計中省去了SYN - SENT 狀態(tài)和CLOSED狀態(tài)，讓它一開始就處于 LISTEN 狀態(tài)，來監(jiān)聽客戶端的連接請求，避免了主動打開的操作，可更高效地服務于客戶機。而當服務器發(fā)出數(shù)據(jù)報時，系統(tǒng)并不存儲，只是記錄下該數(shù)據(jù)報的狀態(tài)信息。由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸量少，滑動窗口可設置為一個固定值（1 500 字節(jié) ）。

應用層實現(xiàn)HTTP 協(xié)議。現(xiàn)場監(jiān)測設備與用戶的交互式數(shù)據(jù)交換通過 HTTP 協(xié)議來實現(xiàn)，HTTP在端口80上使用TCP的服務。系統(tǒng)TCP/IP協(xié)議部分程序的流程圖如圖2所示。

mC/OS-II對TCP/IP協(xié)議及溫度監(jiān)測的實時管理

mC/OS-II在C8051F020單片機上的移植

mC/OS-II的移植，要求所用的C編譯器支持混合編程，在這里選用 KEIL C51集成開發(fā)環(huán)境。由于mC/OS-II是可剝奪的實時操作系統(tǒng)，任務隨時會被另一任務中斷，一段時間后再可以運行。為了防止在任務切換過程中相應數(shù)據(jù)被破壞，mC/OS-II中使用了大量的可重入函數(shù)。在KEIL C51中，Cx51編譯器為再入函數(shù)生成模擬棧，通過這個模擬棧完成參數(shù)傳遞和存放局部變量。根據(jù)再入函數(shù)所采用的編譯模式（SMALL、COMPACT、LARGE），模擬棧可以位于片內或片外存儲空間。對于本系統(tǒng)，模擬棧對RAM空間的要求較大，故選用LARGE模式。可直接利用芯片上集成的XRAM（4K），無須另外擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。通過配置STARTUP.A51文件進行設置：

XBPSTACK EQU 1 ; //選用LARGE模式

XBPSTACKTOP EQU 1000H ; //設置再入棧棧頂指針

在移植過程中主要完成對以下五個文件的修改：與CPU相關的文件OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C、OS_CPU.H和與應用相關的文件OS_CFG.H、INCLUDES.H。

其移植過程在這里不是重點，下面簡要介紹與應用相關較緊密的部分設置。

0S-CPU.H：

#define OS_CRITICAL_ METHOD 1 //中斷方式1

#if OS_CRITICAL_METHOD == 1

#define OS_ENTER_ CRITICAL() EA=0

//關中斷

#define OS_EXIT_CRITICAL() EA=1 //開中斷

#endif

OS_CFG.H：

OSTimeDlyHMSM()函數(shù)使應用程序無需知道延時時間對應的時鐘節(jié)拍數(shù)，直接按小時、分、秒、毫秒來定義時間，方便對任務運行時間進行管理。

#define OS_TIME_DLY_ HMSM_EN 1

//允許使用函數(shù)OSTimeDly HMSM()。

由于每個嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)可以同時與多個PC機連接，向不同用戶提供信息，因此可在OS_CFG.H頭文件中定義一個包含各種連接信息的結構變量。當TCP報文到時，使用連接狀態(tài)信息檢查是否與已存在的連接相符，如果不存在則建立新的連接。這種處理可以使嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)同時處理來自同一或不同PC機的連接。

typedef struct

{

　　 INT32U ipaddr;

　　 INT16U port;

　　 INT8U timer;

　　 INT8U inactivity;

　　 INT8U state;

　　 char query[20];

} CONNECTION;

在ARP協(xié)議部分，嵌入式系統(tǒng)將收到的IP數(shù)據(jù)報的物理地址存放在一結構變量中。如果是向同一PC機發(fā)送數(shù)據(jù)報，不需要再次發(fā)送ARP請求就可得到目的主機的物理地址，減少了建立連接的時間。

typedef struct

{

INT32U ipaddr;

INT8U hwaddr[6];

} ARP_CACHE;

在其中設置每個嵌入式系統(tǒng)的MAC地址、IP地址、子網掩碼和網關地址。

mC/OS-II中任務創(chuàng)建及優(yōu)先級設置

C8051F020的XRAM做輸入/輸出數(shù)據(jù)的內部緩沖區(qū)，RTL8019AS內部的16K SRAM做單片機的外部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，存儲輸入/輸出以太幀隊列。這樣C8051020就可以采用查詢方式讀取以太幀，并有充足的時間處理數(shù)據(jù)。由于輸入幀的大小不定，同時在ARP數(shù)據(jù)報發(fā)送或接收時，輸出幀必須存在輸出緩沖區(qū)中，因此，輸入/輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在C8051F020的XRAM中使用動態(tài)分配，由KEIL C51 提供的malloc()和free()函數(shù)完成。網頁存儲于單片機的FLASH存儲器中。當嵌入式系統(tǒng)向PC機發(fā)送網頁時，先將網頁從FLASH存儲器中取出放入XRAM，再根據(jù)用戶請求進行整理后放入RTL8019AS的SRAM，并發(fā)送到以太網上。

作為網絡服務器，C8051F020需要注意以下幾點：

1) 服務器向一客戶機發(fā)送ARP查詢分組后，如果在0.5秒內未收到ARP響應分組，則重發(fā)。

2) 如果TCP連接在0.5秒內未被激活，則調用初始化斷開連接程序，防止兩個TCP之間的連接處理長時期空閑。

3) 為了控制丟失數(shù)據(jù)報，TCP在規(guī)定時間（0.5秒）內如果沒有收到確認包 ,就重組這個包并發(fā)送 ,這樣不需要占用存儲區(qū)來存儲包。當收到客戶機接收到信息包的確認報后 ,就斷開連接。

mC/OS-II對系統(tǒng)的管理是通過對任務的管理來實現(xiàn)的。它把整個程序分成許多任務，每個任務相對獨立。然后在每個任務中設置超時函數(shù)，一旦任務的延時時間到，任務必須交出 CPU 的使用權。根據(jù)需要，系統(tǒng)中創(chuàng)建了5個任務，設置如下：

任務1：OSTaskCreate(eth_ arive,0,mystack1[0],4);// 查詢RTL8019AS，是否有以太幀到達。

OSTimeDlyHMSM(0,0,0,500);// 延時0.5秒

任務2：OSTaskCreate(arp_ retran,0,mystack2[0],5);//重發(fā)ARP分組

OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0); // 延時1秒

任務3：OSTaskCreate(tcp_ inact,0,mystack3[0],6);// 初始化斷開連接

OSTimeDlyHMSM(0,0,1,500);// 延時1.5秒

任務4：OSTaskCreate(read _temp,0,mystack3[0],7);// 讀溫度值

OSTimeDlyHMSM(0,0,2,0); // 延時7秒

任務5：OSTaskCreate(tcp_ retran,0,mystack3[0],8);//TCP數(shù)據(jù)報重發(fā)

OSTimeDlyHMSM(0,0,2,500);// 延時2.5秒

結語

將網絡功能嵌入到溫度監(jiān)測系統(tǒng)中，可在網絡中接入多個節(jié)點，每個節(jié)點連接多個單總線傳感器，以此實現(xiàn)真正的多點溫度監(jiān)測，以滿足用戶的需要。由于DS18B20是單總線溫度傳感器，本身的溫度測量有些延時，因此在傳輸溫度數(shù)據(jù)時需要幾秒鐘的等待時間，但對整個系統(tǒng)的影響不大。采用嵌入式實時操作系統(tǒng)mC/OS-II，提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，有利于用戶的管理和對溫度的實時監(jiān)測。

用戶可以利用廣泛存在的以太網資源，通過瀏覽器直接訪問節(jié)點，提高系統(tǒng)的開放性和互操作性，降低監(jiān)控運行維護成本、提高監(jiān)控運行維護效率。因此，基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的嵌入式網絡有著廣闊的發(fā)展前景。