嵌入式以太网服务器原理及其应用

摘 要：本文在研究以太网和传统网络测控系统的基础上，提出了一种把PC机和网络终端连接起来并能给网络终端持续供电的嵌入式以太网通信服务器，并给出详细的设计方案及其具体工作过程，最后还给出了嵌入式以太网通信服务器在“家校通”的实际应用。

关键词：以太网;网络测控系统;以太网通信服务器

1、引言

随着嵌入式系统的迅猛发展和IA（信息电器）的出现，以8位微控制器为核心的嵌入式通过ISP（Internet服务供应商），在不使用PC机或高档单片机的情况下直接接入互联网，将成为未来Internet应用领域发展中的主要趋势之一，它将广泛应用于智能家居系统、仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化、家庭自动化的实时应用等各个方面，其中的技术难点是以MCU为核心的电子设备需要解决接入因特网的问题。

电子设备接入网络改变传统电子设备靠控制台操作的方式，使之进入一种开放、互连的依靠网络进行操作的一种新型的方式和领域，通过网络还可以把原来单独的不同设备互连起来，可以实现各设备间数据的共享。它促进了家庭电器、仪器设备和网络相连的技术发展，对推动家庭的信息化、仪器设备网络化起到了重要的作用。嵌入式以太网通信服务器作为这些终端设备的一个接口，在里面发挥了积极的作用，减少了以太网布线的线路，几个终端可以通过嵌入式以太网通信服务器管理功能以上位机进行通信，节约了线路的成本和数据在以太网上的传输量，提高了工作效率。

2、系统原理

嵌入式以太网通信服务器通常作为一个上位机和终端设备的一个接口，它相当于一个小型的代理服务器，具备以下功能：

· 可以通过以太网给终端设备供电，而不另外接电源线;

· 可以传送、接收 UDP和 TCP数据报以及串口数据;

· 可以响应PING命令，检测当前主机是否可到达或IP是否存在;

· 能与上位机通信也能和终端设备进行通信，实现两者之间数据的跨网段的传输;

· IP地址寻址;

· PC机可以通过串口和网口对其参数进行设置;

· 通过嵌入式Web服务器，可通过浏览器浏览和设置参数。

3、系统实现

通过分析设计目标及嵌入式以太网通信服务器特有的功能，嵌入式以太网通信服务器采取图1所示的架构。各个部分的主要功能如下：

图1 嵌入式以太网通信服务器总体结构图

· MCU主控芯片主要完成程序控制和数据通信;

· 电源模块负责提供系统所需要的各种电源;

· EEPROM完成参数和数据的保存;

· 网卡芯片1负责与上位机通讯，作为系统上联接口;

· 网卡芯片2负责与下位机通讯，作为系统下联接口;

· HUB+PoE是集线器和以太网供电设备组成，负责数据交换和给下位机供电;

· SRAM是用来扩展MCU数据存储区。

3.1系统硬件设计方案

在芯片的选择上，针对目前最常用的8位单片机，系统MCU采用了飞利浦公司的P89C669单片机，这种芯片自带96K的Flash， 指令执行速度是标准80C51器件的2倍。网卡芯片选用RTL8019AS，RTL8019AS芯片是Realtek公司生产的一种局域网处理芯片，也是目前的10M网卡上最常见的一种芯片。EEPROM选用了常用的24C256，可以满足数据量的存储。HUB芯片系统也采用了Realtek的RTL8305S，它是单芯片5端口10/100 M交换集线器控制器。PoE芯片系统采用凌特公司LTC4259A，它是一款具有AC断接功能四路IEEE802.3af以太网供电控制器。SRAM芯片采用512K字节的IS61LV5128作为数据存储区，大大提高MCU处理能力，保证 MCU有足够的数据堆栈运行嵌入式系统程序。

3.2 系统软件设计方案

单片机的程序设计包括C语言和汇编语言两种。在本系统中，采用C51作为程序设计语言。它的优势是明显的，C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言有丰富的库函数、运算速度快，而且可以直接实现对系统硬件的控制，较汇编语言有更好的可读性。

软件部分主要是完成网络数据的收发、转换、串口数据的收发、在单片机中实现嵌入式TCP，UDP，IP，ARP，ICMP和HTTP等协议。协议嵌入后，系统可以和PC机按照标准的WINSOCK函数进行网络数据通信。

4、在“家校通”中的具体应用

“家校通” 是利用现代信息技术实现家庭与学校快捷、实时沟通的教育网络平台，是一套可以有效解决老师和家长之间沟通，帮助孩子健康成长的、集先进的计算机技术和网络技术于一体的信息交流系统。它可以让家长每天都能了解到自己孩子在学校的情况，也可以让家长随时随地的向老师提出建议或反映孩子在家里的表现。这里讲述是以太网通信服务器在其中的一种典型的应用。

图2 “家校通”拓扑结构

4.1 “家校通”拓扑结构

典型的“家校通”由嵌入式通信服务器、网络型读卡机和移动信息管理服务器组成，其拓扑结构如图2所示，嵌入式以太网通信服务器在“家校通”系统中的主要作用是：

· 给它下属的网络型读卡机用以太网供电，使终端不再另外布置电源线，减少了布线成本，使整体更美观和安全;

· 它负责接收下属的网络型读卡机数据，当它接收到数据后，先给网络型读卡机送时间显示，但数据并没有马上转发到以太网，而是把这些数据进行过滤,把有用数据打包，打包到一定量后或等到一定时间后再转发数据。这样做的目的是减少上位机的压力，减少数据来回应答次数，提高了整个系统的稳定性;

· 它负责接收上位机的数据，并把数据转交网络型读卡机;

· 不管它下属的网络型读卡机有多少个, 往上的端口只有一个, 以太网主干线上布线跟简洁;

· 减少了管理服务器的通信压力，管理服务器只用管理网络型读卡器的机号，而不用管理它的IP地址。

4.2嵌入式以太网通信服务器在“家校通”中工作原理

网络型读卡器是由网络通和读卡器组成，网络通有自己的IP地址，读卡器有自己的机号，嵌入式以太网通信服务器也有自己的IP地址和机号。

当读卡器有数据时，会通过网络通送到嵌入通信服务器，嵌入通信服务器收到数据后，提取网络通的地址和读卡器的机号，做成一个动态的IP地址和机号对应表。当PC机有数据给通信服务器时，提取数据中的机号，查找IP地址和机号对应表，然后按照查到IP地址发送数据给读卡器，这样完成了读卡器和PC机之间的通信。

5、结论

本文作者创新点提出了嵌入式以太网通信服务器并对其进行研究实现，事实表明嵌入式以太网通信服务器作为终端设备的一个接口，作用显着，减少了线路的成本，增加了数据在以太网上的传输量，提高了工作效率，具有广泛的应用前景。

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