基于51单片机嵌入式web服务器.docx

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基于51单片机嵌入式web服务器

1绪论

嵌入式Internet是几年前发展起来的一项新兴概念和技术。

在工业测控领域，1999年成立的“工业以太网协会（IEA）”正在积极致力于工业以太网现场总线的研究开发[1]。

与其它现场总线相比，采用以太网接口芯片和TCP／IP协议实现的嵌入式WEB服务器可以使各种家电设备、PDA、仪器仪表、工控设备和数据采集设备很容易地连接到Internet，这样就能够利用Internet实现对各种嵌入式设备的低成本远程访问和资源共享。

嵌入式设备在价格、体积、实时性以与可靠性等方面都具有优势，但嵌入式系统的资源有限，在占用较小资源的情况下如何实现TCP／IP协议簇中的相关协议已经成为嵌入式网络开发的一个重要问题。

本文在精简的TCP协议上实现了协议，采用协议可以使不同的设备具有一样的访问接口。

整个系统占用资源少，能够完成常用的相关网络通讯功能。

1．1嵌入式系统的发展与现状

嵌入式系统泛指单片机和微处理器构成的电子设备。

它出现至今己经有30多年的历史[2]。

嵌入式技术在经历了以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，和以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统以与以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统这三个阶段后。

而今正在进入以Internet为标志的嵌入式系统.这是一个正在迅速发展的阶段。

目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以与Internet技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与工Internet的结合将代表嵌入式系统的未来。

其主要应用领域可以包括:

①工业自动化:

工业现场应用了大量的8,16,32位嵌入式微控制器，其网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，在工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工等系统中具有广阔的应用前景;

②智能大厦:

随着计算机的普与应用以与网络和自动化技术的发展，大厦所有的公共设备都将采用嵌入式智能系统来提高大厦的服务能力，嵌入式系统的应用可实现大厦各种操作和信息的共享，实现按需控制;

③智能仪器:

参考PC机主板设计方法设计的嵌入式计算机智能仪器应用系统通用性强，并可根据不同要求，选择其中的全部或部分电路，只需对软件做部分修改或删除，简化系统，大大提高了开发效率，降低了开发成本，具有广阔的应用空间;

④信息家电:

21世纪是数字化网络的时代，计算机、通信、控制“3C"技术相互融合，各类消费类电子产品随着数字化技术与联网的普与而走向数字化、网络化。

嵌入式计算机是实现电子产品数字化、网络化的技术基础。

随着数字化进程的日益加深，人们的家居生活越来越明显地印上了“网络的烙印”，最突出的表现就是数字家电开始走向数字化、网络化。

本文将研究的单片机+TCP/IP软件的方法就可以使嵌入式系统上Internet，使嵌入式设备之间可以相互通信。

这种技术现今已用于工业自动化，POS（电子收款机系统）网络与电子商务，智能公路等方面。

1．2嵌入式系统的特点与应用

嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统通常具有如下特性[3]：

·完成单一或一组紧密相关的特定功能；

·具有高性能和实时的要求；

·系统作为设备的一部分，其运行一般不需要人工干预；

·系统的电源要求具有较高的可靠性和安全性；

·处理器的选择是嵌入式系统设计的关键一步。

嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机。

在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

随着“后PC”时代的来临，嵌入式系统技术已经成为无所不在的推动力量，为人们的生活、工作带来一个又一个的变革。

嵌入式产品成为信息产业的主流.

1.3嵌入式WebServer的系统设计

1．3．1单片机系统接入Internet方案

目前，国外嵌入式仪器接入Internet主要有以下三种方案[4]:

一是使用嵌入式操作系统，即由TCP/IP协议栈十嵌入式操作系统十高速32位处理器做成的嵌入式仪器。

因为32位处理器有足够的资源可以扩充利用，RAM和ROM可以做得足够大，整个TCP/IP协议族可以做到系统里面去，甚至可以嵌入一个带TCP/IP协议族的操作系统。

所以32位微处理器除了可以实现复杂功能外，还能较容易的进行网络通信的TCP/IP协议处理，因而可以成为直接接入Internet的网络仪器。

但其缺点也是明显的，32位微处理器开发难度大，开发工具昂贵，并且大多用在高端产品里，在成本较低的嵌入式系统里现在用的还比较少。

二是代理服务器方案。

它由低档8位机组成嵌入式仪器，采用专用网络（RS-232,RS-485,CANBUS等）把若干嵌入式仪器连在一起，该网络再与PC相连，由此组成PC网关专用网。

此时把PC作为网关，并由PC把该网络上的信息转换为TCP/IP协议数据包，发送到Internet上实现信息共享。

这样虽然可以使嵌入式仪器连到Internet,但必须用一台PC机或类似PC机的设备作为网关来实现协议转换，即把其它协议的信息转换成适合在Internet上传输的数据包。

这样虽然也能实现信息共享，但其成本较高。

三是直接实现方案，即在8位单片机中直接实现TCP/IP协议来实现Internet的接入功能。

利用这种方案的好处是省去操作系统和网关的费用，大大节约系统资源。

缺点是增加了开发难度，技术实现上有一定困难。

1．3．2嵌入式Internet的研究意义与目的

目前国单片机的应用非常广泛，大多数系统是以51单片机为核心，与检测、伺服、显示设备配合起来实现监控功能。

数据的传输大多采用RS-232,RS-485以与各种现场总线，这些方式有些通信速度不够快，有些距离不够远，且各种总线之间难于实现互连和互操作。

以太网作为目前应用最为广泛的局域网，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。

同时，随着Internet的普与，现代通信技术的进步，基于TCP/IP和Client/Server架构的分布式监控技术也日趋成熟。

借助以太网和Internet技术，把嵌入式系统连接到Internet上，就可以方便、低廉地把信息传送到世界的任何一个地方。

因此，对于以单片机为中心的嵌入式设备，如何充分利用现有的Internet网络实现远程监控，已成为当今电子世界中的热门话题。

随着电子设备智能化要求的提高和各种功能强大的微处理器的推出，嵌入式系统逐渐成为许多电子设备不可缺少的一部分，并处在前所未有的发展期，而互联网概念跳深入人心更为嵌入式系统与互联网的结合提出了要求。

嵌入式系统接入Internet以后，不仅可以实现设备的远程控制、维护和升级，而且从另外一层意义上讲，接入Internet的设备己经成为网络共享资源的一部分.

2硬件设计与分析

2.1硬件的总体设计

图2-1-1是整体的系统结构框图,涉与到本次设计中用，以与各个芯片间的连接关系，下文将介绍硬件怎样实现其功效：

图2-1-1系统结构框图

接口电路主要由MCU、网络控制器、RJ45、RS232等构成。

原理图如图2-1-2所示：

RS232C8051F020RTL8019AS

图2-1-2原理图

MCU与计算机之间通过RS232标准总线进行数据通讯，本设计采用电平转换芯片MAX232实现他们之间的电平兼容，而MUC与局域网之间是通过采用无屏蔽双绞线的RJ45接口，RTL8019已置了10BASET的收发器，故接口部分电路比较简单，只需要外接1个隔离滤波器PPTTPN+、TPN-为接收线，TPOUT+、TPOUT－为发送线，经隔离后的4根线与RJ45接口相连。

单片机实现TCP/IP涉与的元件主要是接口层单片机和网卡芯片。

单片机的选择主要考虑存大小，是为了让单片机有足够大的RAM空间来处理至少一个以太网帧，通过比较，选择CygnalC8051F020；Ethernet接口电路采用以太网控制芯片RTL8019AS实现。

RTL8019AS本身包含了Ethernet网络模型中最低两层。

2.2C8051F020单片机1.C8051F020单片机简介

C8051F020单片机集成了两个多通道ADC子系统（每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器）、两个电压输出DAC、两个电压比较器、电压基准、SMBus/I2C总线接口、UART、SPI总线接口、5个通用的16位定时器、一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA）、部振荡器、8个8位通用数字I/O端口、64KBFlash程序存储器和4352B数据RAM，同时还具有片电源监测、片看门狗定时器时钟源，因而是一种功能比较齐全的高速、高性能单片机[5]。

C8051F020单片机具有100个引脚，其主要特点如下：

●带有与8051全兼容的高速（峰值达25MIPS）微控制器核；

●大容量的Flash程序存储（64KB和部数据存储器RAM（4352B）；

●具有较高精度和速度的两个多通道ADC（最大速度可达100kbps）和2路12位DAC；

●工作温度围较大，为-45℃－＋85℃；

●功耗低，供电电压为2.7-3.3V，典型工作电流为12mA，并具有多种节电休眠和停机模式，全部I/O、RST、JTAG引脚均允许5V电压输入；

●片JTAG仿真电路可提供全速、非插入式的电路仿真。

2.C8051F020的功能与原理

①.CPU

C8051F020单片机采用Cygnal公司的专利CIP－51微处理器核。

CIP－51在提升8051速度上采取了新的途径，即设法在保持CISC结构与指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业。

在这种模式中，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。

平均每个时钟可以执行完1条单周期指令，从而大大提高了指令运行速度。

即与8051相比，在一样时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍；整个指令集平均运行速度为原来8051的9.5倍，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。

同时，C8051F020单片机扩展了中断处理，增加了中断源，可提供22个中断源，这对实时多任务系统的实现是很重要的；另外C8051F020单片机还具有部时钟，但若需要也可接外部时钟。

该芯片在程序运行时可实现、外部时钟的切换，这在低功耗应用系统中非常实用；同时C8051F020还在部增加了复位源，从而大大提高了系统的可靠性。

②.ADC和DAC

C8051F020单片机部有两个多通道的ADC子系统（12位的ADC0和8位的ADC1），两个子系统由逐次逼近型ADC、多通道模拟输入输出选择器和可增益放大器组成。

其ADC0的最大采样速率可达100kbps，可提供12位精度。

ADC1的最大采样速率达500kbps，可提供8位精度，该ADC均由CIP－51通过特殊功能寄存器控制。

在低功耗应用当中，当转换结束时，系统控制器还可以关断ADC以节省功耗。

该芯片部的可增益放大器的增益可以用软件设置，当不ADC输入电压信号围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移信号时，该可编程增益放大器是非常有用的。

C8051F020单片机部具有2通道12位DAC和2个比较器，CPU一般通过特殊功能寄存器来控制数模转换器和比较器，CPU可以将任何一个DAC置于低功耗关断方式。

C8051F020中的DAC为电压输出模式，它可与ADC共用参考电平，并允许软件命令、定时器2、定时器3与定时器4的溢出信号更新DAC出口。

③.I/O口

C8051F020单片机除具有标