原创在嵌入式应用中增加联网功能的系统设计方法

 2007-12-25 20:13  1808 4 4 分类: MCU/ 嵌入式

随着8位微控制器(MCU)处理能力的增强，将嵌入式TCP/IP协议栈集成到MCU中已经非常容易。许多年来，TCP/IP协议栈一直由MCU制造商及其第三方工具供应商提供，这些协议栈是专门针对具有程序内存和RAM的8位MCU开发的。由于对协议栈进行了最优化，8位MCU的联网功能强大。图1显示了一个非常简单的传感器应用，其中一个带有12位A/D转换器的8位MCU被连接至10Base-T以太网接口控制器，并被用于显示传感器信息。

人们通常存在的一种误解是，当10Base-T设备被放置在具有100Base-T设备的网络中时，将使网络速度降低到10Mbps。事实上，现在采用的大多数交换机和路由器将在上行链路中将信道中的10Mbps数据流转换为100Mbps或更快的数据流，因此不会降低网络速度。下面让我们从头开始讨论如何设计这样一个系统。

1. 选择以太网接口

目前市面上已有许多以太网接口器件提供，但大多是针对高速并行总线的。这些器件对于8位MCU而言可能非常棘手，因为他们占用了多个I/O引脚。这迫使设计工程师采用引脚数更多的器件，从而导致TCP/IP协议栈的性能降低(因为以太网接口是由人工操作而不是通过8位MCU上的标准外围器件来操作)。针对这一应用，本文中选用的是Microchip Technology公司的ENC28J60以太网接口芯片(如图2所示)，该器件外型尺寸小(28引脚QFN封装)、具有SPI接口并集成了8KB的RAM。

图1：在简单的传感器应用中，一个带有12位A/D转换器的8位MCU被连接至10Base-T以太网接口控制器。

2. 选择微控制器

对MCU的选择涉及到内存需求和外围器件。一个典型的TCP/IP协议栈需要用到大约20KB的程序内存。这意味着应该采用具有32KB容量的MCU，从而应用程序可以获得12KB的内存。对于网络传感器来说，将12KB用于存储主应用程序代码已经绰绰有余。例如，Microchip Technology公司的PIC18F2523微控制器就提供了一个10通道12位A/D转换器、双路模拟比较器、PWM、SPI、I2C以及USART外围器件。

3. 选择存储器

在创建嵌入式Web服务器时须考虑的一个问题是Web页面将存放在哪里。一些包含一个或两个页面的简单设计可以存放在MCU的内部程序内存中。不过，对于具有更多页面的设计，就需要采用外部存储器。外部存储器可以有几种选择，包括串行EEPROM和闪存。串行EEPROM可提供512Kb的存储空间，而串行闪存器件提供的存储空间高达32Mb。

4. 选择协议

在设计嵌入式TCP/IP应用时的一个重要步骤是选择协议以便传输信息。TCP提供了一个鲁棒性的握手协议来可靠地传输数据。该协议的大小超过用户数据报协议(UDP)的三倍。如果该应用必须支持Web页面，则需要用到TCP协议。

不过，如果该应用仅需与一个采集点交换信息，则可以在UDP协议中加入固件使其更具鲁棒性，但UDP仍比TCP协议要小得多。

其它所需的协议包括DHCP(用来动态配置IP地址)、ARP(解决寻址问题)以及IP协议。对于ping命令，ICMP可能同样很有用。它允许应用响应回声请求或ping命令，这些请求和命令有助于调试网络中设备的连接。图3所示为典型的TCP/IP协议栈。