隨著信息技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式Internet技術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前，大多數(shù)嵌入式設(shè)備仍處于孤立應(yīng)用階段，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)MCU之間的信息共享和交流，通常利用CAN、RS232和RS485等總線組網(wǎng)。但是這些網(wǎng)絡(luò)的有效半徑較短，并且孤立于Internet網(wǎng)絡(luò)以外，如果能把嵌入式設(shè)備直接接入Internet，就可以用方便、低廉的方式實(shí)現(xiàn)信息的共享。因此，研究和應(yīng)用嵌入式Internet技術(shù)具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)打印有兩種方法：一種是采用“網(wǎng)絡(luò)共享方式”，另一種是使用專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)成本很高，普通用戶難以承受。若采用“網(wǎng)絡(luò)共享方式”打印，網(wǎng)內(nèi)必須有一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)充當(dāng)打印服務(wù)器，若這臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障或關(guān)機(jī)，網(wǎng)內(nèi)的其它計(jì)算機(jī)就無(wú)法打印，使用起來(lái)很不方便。嵌入式網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器解決了這個(gè)問(wèn)題，使普通打印機(jī)不再是依附于主機(jī)的一外設(shè)，而成為網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)孤立的設(shè)備，使用起來(lái)更加靈活方便。本文在研究嵌入式Internet技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器，普通打印機(jī)通過(guò)此嵌入式打印服務(wù)器可直接接在Hub上，升級(jí)為一臺(tái)“網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)”?？蛻舳丝稍诰钟蚓W(wǎng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)打印，遠(yuǎn)端客戶可通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程打印。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 硬件電路

嵌入式打印服務(wù)器的硬件電路如圖2所示。該電路主要包括以下四部分：①微處理器；②以太網(wǎng)控制器；③打印機(jī)接口電路；④串口通訊電路。

嵌入式打印服務(wù)器需要處理復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，程序代碼較長(zhǎng)，但系統(tǒng)要求快速地處理以太網(wǎng)幀，順利完成數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)?；谝陨峡紤]，微處理器采用***Winbond公司的W77E58，此芯片內(nèi)核與51系列兼容，內(nèi)含32K FLASH ROM，指令的執(zhí)行速度很快，是普通51系列單片機(jī)的3～4倍，時(shí)鐘頻率最高可設(shè)置為40MHz。此芯片內(nèi)含三個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行口，一個(gè)軟件可編程的看門(mén)狗定時(shí)器。采用軟件看門(mén)狗技術(shù)，可用來(lái)提高本系統(tǒng)的抗干擾能力，防止程序跑飛。

網(wǎng)卡接口芯片采用性?xún)r(jià)比較高的全雙工的RTL8019AS。此芯片為10M ISA以太網(wǎng)控制器芯片，為100個(gè)引腳PQFP封裝，內(nèi)部集成有16MB SRAM，與NE2000兼容，16位數(shù)據(jù)總線，可配置為8位DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與8位單片機(jī)接口方便［2］。

圖2 嵌入式網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器總體設(shè)計(jì)框圖

另外，系統(tǒng)還擴(kuò)展一片62256 RAM和一片24C02 E2PROM。RAM的作用有兩個(gè)：一是用來(lái)緩存從網(wǎng)卡芯片接收下來(lái)的數(shù)據(jù)幀，二是用作打印數(shù)據(jù)的緩沖和串口通訊數(shù)據(jù)的緩沖，以提高數(shù)據(jù)的吞吐率。24C02為串行E2PROM，其容量為2KB，可通過(guò)I2C總線與單片機(jī)通信，其接口非常簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)SCL和SDA兩條線與單片機(jī)相連即可。其作用是用來(lái)存儲(chǔ)上位機(jī)通過(guò)RS232串口下載下來(lái)的一些重要參數(shù)，如主機(jī)的IP地址、子網(wǎng)俺碼、網(wǎng)關(guān)IP地址等。這里采用MAX232作為RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片，完成TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)與單片機(jī)之間的通訊。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟硬件開(kāi)發(fā)工具分別選用Keil C51編譯器和偉福6000仿真器。程序主要包括以下四部分：①以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序；②TCP/IP協(xié)議解析程序；③打印機(jī)接口程序；④串口通訊中斷服務(wù)程序。圖3為主程序流程圖。

1.2.1 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序

首先對(duì)RTL8019AS進(jìn)行復(fù)位操作。復(fù)位操作有兩種方法：冷復(fù)位和熱復(fù)位。

（1） 冷復(fù)位

將W77E58的T0引腳接RTL8019AS的復(fù)位端RSTDRV進(jìn)行復(fù)位操作，高電平有效。復(fù)位過(guò)程將執(zhí)行一些基本操作，至少需要1μs的時(shí)間，推薦等待更久的時(shí)間如100ms之后才對(duì)它操作，以確保芯片完全復(fù)位。

（2） 熱復(fù)位

直接將RST8019AS的復(fù)位端RSTDRV與單片機(jī)的RESET引腳相連，單片機(jī)復(fù)位的時(shí)候，RST8019AS也復(fù)位。RST8019AS中地址為18H～1FH的寄存器端口均為復(fù)位端口。對(duì)以上端口俺數(shù)地址讀或得寫(xiě)入任何數(shù)，都會(huì)使網(wǎng)卡芯片復(fù)位。

復(fù)位以后對(duì)RST8019AS芯片中某些寄存器進(jìn)行配置，確定其工作方式。配置好后，就可以開(kāi)始接收或發(fā)送數(shù)據(jù)了。

接收數(shù)據(jù)包時(shí)，采用查詢(xún)方式將查詢(xún)程序放在一個(gè)大循環(huán)中，反復(fù)查詢(xún)是否有新數(shù)據(jù)包到達(dá)，若有則接收下來(lái)。編程時(shí)應(yīng)該特別注意的是：RST8019AS接收到的數(shù)據(jù)包的幀格式與以太網(wǎng)幀格式并不一致［3］，RST8019AS自動(dòng)填加了接收狀態(tài)、下一頁(yè)指針、以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度三個(gè)字段（四個(gè)字節(jié)），其結(jié)構(gòu)如表1所示。所以編程時(shí)需要按照此格式才能正確地接收數(shù)據(jù)。

表1 RTL8019AS接收到的數(shù)據(jù)包的幀格式

1.2.2 TCP/IP協(xié)議解析程序

TCP/IP協(xié)議族實(shí)際上是許多相關(guān)協(xié)議的組合，分為不同的層次，每一層分別具有不同的通信功能。TCP/IP協(xié)議通常被認(rèn)為是一個(gè)四層的協(xié)議系統(tǒng)，

包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。在設(shè)計(jì)中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器的具體要求，對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牟眉簦瑑H實(shí)現(xiàn)了圖4所示的四個(gè)協(xié)議：ARP、IP、ICMP、TCP。

（1） 鏈路層協(xié)議

以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)包的傳輸是采用網(wǎng)絡(luò)的MAC地址來(lái)進(jìn)行識(shí)別的，這就要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)IP地址到MAC地址的轉(zhuǎn)換，即ARP（地址解析）協(xié)議。

（2） 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)按網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)形式封裝數(shù)據(jù)包，然后進(jìn)行IP路由選擇。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議包括IP（網(wǎng)際協(xié)議）、ICMP（控制報(bào)文協(xié)議）和IGMP（組管理協(xié)議）。IP協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)之間的通信成為可能，如果嵌入式Internet需要跨越不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，就必須實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議，所以IP協(xié)議需要完整實(shí)現(xiàn)。IP包最大為65K，可以分段傳輸，但在嵌入式系統(tǒng)中根本無(wú)法容納如此大的數(shù)據(jù)包，因此不支持分段傳輸。單片機(jī)一般采用發(fā)送小數(shù)據(jù)包的方式，以避免分段傳輸。

ICMP協(xié)議主要用于傳遞差錯(cuò)報(bào)文以及其它需要注意的信息。ICMP中規(guī)定了多種協(xié)議類(lèi)型和代碼，如果完全實(shí)現(xiàn)要浪費(fèi)不少的系統(tǒng)資源，對(duì)于普通的嵌入式Internet應(yīng)用而言，能夠測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的連接情況即可，因此只需實(shí)現(xiàn)ICMP中類(lèi)型號(hào)為0、代碼為0的Ping應(yīng)答協(xié)議即可。

（3） 傳輸層協(xié)議

傳輸層主要為兩臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序提供端到端的通信。傳輸層有兩種不同的傳輸協(xié)議：TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議）。TCP是一種面向連接的協(xié)議，它能提供高可靠性服務(wù)。通過(guò)使用序列號(hào)和確認(rèn)信息，TCP協(xié)議能夠向發(fā)送方提供到達(dá)接收方的數(shù)據(jù)包的傳送信息。UDP協(xié)議沒(méi)有保證可靠性的機(jī)制，其數(shù)據(jù)傳輸率高，可以實(shí)現(xiàn)全速發(fā)送數(shù)據(jù)包，但是容易丟包、失序。這里因?yàn)槭谴蛴》?wù)，對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性要求很高。所以必須采用TCP協(xié)議。

1.2.3 打印機(jī)接口程序

打印機(jī)接口有SPP、EPP和ECP三種標(biāo)準(zhǔn)［5］，其中EPP和ECP的數(shù)據(jù)傳輸速度較快。SPP為標(biāo)準(zhǔn)的并行接口標(biāo)準(zhǔn)，目前任何打印機(jī)都支持此接口標(biāo)準(zhǔn)，考慮到兼容性的問(wèn)題，這里采用了SPP接口標(biāo)準(zhǔn)。此接口程序比較簡(jiǎn)單，編程時(shí)可以采用查詢(xún)方式不斷檢測(cè)打印機(jī)的工作狀態(tài)（BUSY信號(hào)），若不忙則輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出數(shù)據(jù)選通脈沖（STROBE），通知打印機(jī)取數(shù)據(jù)打印。

1.2.4 串口通訊程序

串口通訊程序是主要用來(lái)完成程序的調(diào)試以及嵌入式打印服務(wù)器的IP地址、網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)俺碼等參數(shù)的修改。圖5為嵌入式系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面。

2 、測(cè)試結(jié)果

在此使用VB6.0編寫(xiě)相應(yīng)的測(cè)試程序。實(shí)驗(yàn)證明，此測(cè)試程序可以動(dòng)態(tài)地修改嵌入式打印服務(wù)器的IP地址等參數(shù)，能夠順利PING通，往返時(shí)間小于10ms，可以完成數(shù)據(jù)的打印任務(wù)。

為了程序調(diào)試方便，還編寫(xiě)了串口通訊程序，測(cè)試結(jié)果和數(shù)據(jù)可通過(guò)串口顯示出來(lái)，也可以將輸出數(shù)據(jù)保存到硬盤(pán)中仔細(xì)分析研究。圖6為使用串口通訊程序截獲的打印輸出數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步研究，使用Etherdetect Packet Sinffer軟件截獲了打印過(guò)程中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腡CP數(shù)據(jù)，如圖7所示。其中的52 54 4c 30 2e 2f為嵌入式打印服務(wù)器的MAC地址，192.137.8.178為其IP地址。

本文介紹了嵌入式網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，分析了其硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器只是嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)具體應(yīng)用，實(shí)際上嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)還可以在遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控等諸多領(lǐng)域大顯身手，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。當(dāng)然，以太網(wǎng)技術(shù)也存在一些缺陷，例如其數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延不定、受網(wǎng)絡(luò)性能的影響較大等，現(xiàn)階段還很應(yīng)用到實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，這些問(wèn)題需要在以后的研究中重要解決。

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