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實現MCS-51單片機嵌入式接入Internet 技術。單片機通過ATL8019AS 以太網控制器實現與Internet 的交互。利用開源代碼的TCP/IP 協議棧uIP 實現對底層設備的驅動，同時通過uIP 協議的應用程序接口實現各種應用服務。給出了硬件設計圖，編寫了單片機主程序。應用此技術實現了一個城市中心停車監測系統。
近年來以單片機（MICroComputerUnit，MCU）為代表的嵌入式系統在工業探測系統、智能儀器、安防系統、智能家電和信息家電領域得到了廣泛應用。
如果嵌入式系統能夠連接到Internet 上，則用戶可以方便、快捷、低廉地通過網絡進行遠程控制、監測和信息傳送。Internet 技術和嵌入式技術的相互融合，不僅為嵌入式系統的設計和開發帶來了前所未有的發展空間和機遇，也使得 Internet 應用進入了嵌入式Internet 時代。據專家預測，未來在 Internet 上的新增業務和應用中，將有 45%的增長來自于小型嵌入式系統。因此，嵌入式系統的 Internet 接入技術，將會有極其廣闊的應用前景。如何利用單片機接入Internet 網絡成為未來最熱門的技術之一。
1 單片機嵌入式Internet接入技術
Internet 網絡通信中，TCP/IP 協議簇非常龐大，需要占用大量的系統資源。單片機的缺點是資源有限，無法容納下Internet 的TCP/IP 協議簇。因此單片機實現嵌入式接入Internet 技術的關鍵是如何在單片機等嵌入式設備的有限資源上實現Internet 的網絡通信協議棧。其難點在于：如何利用單片機自身有限的資源對信息進行TCP/IP 協議處理，使之變成可以在Internet 上傳輸的IP 數據包。目前許多研究機構都在積極探討利用MCU 實現接入Internet 技術，出現了多種單片機嵌入式Internet 技術方案，這些技術實現方案可以歸為以下幾類。
（1） 使用專用的嵌入式芯片。專用嵌入式芯片是一種內置了通信和控制功能的單片機，可以實現實時多任務操作。比傳統的單片機硬件提供更強的系統設計靈活性。這樣的芯片有Ubicom 公司的IP2022芯片，MOXA 公司的Nport Express 芯片等。這類芯片功能強，能夠實現多種網絡協議，一般提供有相應的TCP/IP 網絡協議棧。但是這種芯片價格偏高，用戶需要支付軟硬件費用，不易于實現市場的廣泛應用。
（2） 嵌入式系統組成專用網通過PC 網關接入Internet.小型嵌入式系統通過總線技術組成專用網絡，采用一個PC 機作為網關，該 PC 將專用網發送來的信息通過專用軟件轉換為TCP/IP 協議數據包，然后發到 Internet 上以實現遠程通信。該方案是早期采用得較多的技術。但是這種方案的缺點是要使用一臺專用的PC 機，顯然它只適用于某些工業數據采集系統，不易于向信息家電和網絡化智能儀器儀表等領域推廣。
（3） 使用普通單片機和網絡控制芯片。這種方法實現起來比較簡單，而且可根據實際需要進行功能擴展，但是需要在單片機上實現嵌入式TCP/IP 網絡協議，軟件編程的工作量比較大。由于采用普通單片機，所以其優點是成本低，單片機體積小，易于以極高的性價比向諸多需要實現嵌入式接入Internet 的場合推廣。本文設計的系統就是采用這種技術方案，下面將重點分析其硬件和軟件設計。
2 單片機與網卡的接口電路
2.1 系統總體設計
圖1 系統總體設計。
系統選用最常用的MCS 8051 系列單片機，此類型單片機價格低廉且應用廣泛。網卡選用臺灣ReaLTEk公司生產的ATL8019AS 以太網控制器芯片。由于Internet 網絡協議的程序代碼量較大，所以系統除了單片機和網卡外，還增加了一些外圍電路。包括用作數據緩存的RAM存儲器和RS232 接口，前者用作數據緩存器，后者作為單片機與現場設備進行數據交互的接口。系統總體功能設計如圖1 所示。
在上述系統設計中，單片機主要完成Internet數據的解包和串口RS232 數據的封包。遠程PC 機傳輸來數據包經過Internet 物理媒介到達以太網控制芯片 RTL8019AS 內，RTL8019AS 執行地址解析協議，然后交給 C8051 單片機，單片機執行TCP/IP 協議模塊，去掉 TCP/IP 報頭后將數據通過RS232 串行口交給數據采集系統的現場設備。反之，如果是現場設備發送數據到單片機，那么單片機將數據按照TCP/IP 協議格式封包后送入RTL8019AS，由網卡芯片傳輸到Internet 中。通過上述方式，單片機完成與Internet 的交互，從而實現數據采集系統的互聯網遠程控制。
2.2 標單片機與網卡的接口電路
單片機是本系統的核心，因此單片機與網卡的接口電路非常關鍵。本系統選用8051 系列單片機，是因為8051 單片機是最常用的單片機，其價格低廉且應用廣泛，在工業設備應用中易于降低系統成本。同時8051 編寫程序簡練，程序調試方便。8051 單片機與以太網控制器芯片的連接電路如圖2 所示。
圖2 單片機與以太網控制芯片連接圖。
8051 單片機P0 口的8 位數據總線D0-D7、P2口的5 根地址線A8-A12、讀信號線RD、寫信號線WR、2 個定時器控制端T0、T1 分別與Realtek8019AS 的各信號線對應連接。
Realtek8019AS 芯片工作在8 位總線方式。8051 單片機驅動網絡控制芯片RTL8019AS，經網絡隔離濾波器HR901170A 后實現Internet 接入。
3 TCP/IP協議棧在單片機上的實現
3.1 嵌入式TCP/IP 協議棧
TCP/IP 協議是Internet 的核心協議。單片機實現嵌入式接入 Internet 必須要在單片機上實現TCP/IP 協議。由于TCP/IP 協議簇異常龐大，而單片機片內資源有限，所以要在單片機上完整實現TCP/IP協議是不可能的。目前許多公司根據不同的嵌入式設備開發了面向商用的嵌入式TCP/IP 協議棧，這些協議棧缺點是面向特定公司生產的芯片，且需支付昂貴的軟件使用費。如果采用這類協議棧則使得設計的單片機嵌入式Internet 系統不具有性價比上的優勢。經過對比，最后在本系統中選用開放源代碼的TCP/IP協議棧uIP0.9 作為設計核心。uIP0.9 是一個適用于8/16 位單片機上的小型嵌入式TCP/IP 協議棧，感興趣的用戶可以免費在網絡上下載其源代碼并對其進行修改，以適應不同的應用需要。uIP0.9 協議棧采用模塊化設計，保留網絡通信所必要的協議機制，大大減少了協議代碼量（代碼量在幾千字節左右），只需要幾百字節的內存就可以順利運行，降低了協議對系統資源的要求。uIP0.9 完全適應當前的單片機嵌入式系統。
3.2 uIP 的體系結構
uIP 協議根據嵌入式系統的需要，去掉了TCP/IP協議中許多不常用的功能，保留網絡通信中所需要的ARP（可選）、IP、ICMP、TCP、UDP（可選）等最核心的部分。協議全部用C語言編寫，其代碼占用量極少，對RAM 資源要求也極低。例如IP/ICMP/TCP 核心模塊代碼大小為3304 字節，使用的RAM 只需要360字節。其應用層接口和設備驅動層接口非常簡單。
uIP 協議將設計重點放在IP、ICMP 和TCP 協議的實現上，而將UDP 和ARP 協議實現作為可選模塊。uIP協議的體系結構如圖3 所示。
圖3 uIP 協議棧結構圖。
3.3 uIP 的底層設備驅動接口和應用程序接口
uIP 是一個僅包含三層網絡層核心協議的協議棧，uIP 自身不包含任何類型的底層網絡驅動和上層應用程序，它只提供接口函數供用戶開發使用。因此為了完成與網絡設備的交互，用戶必須根據網絡設備的類型，在uIP 中自行實現對底層網絡設備的驅動。對本例來說，網絡設備是RTL8019AS 網卡，因此需要在uIP 中實現對RTL8019AS 網卡的驅動。如果用戶需要在Internet 上通過http 協議瀏覽和獲取現場數據，還必須在uIP 上實現基于HTTP 協議的WEB 應用服務。
RTL8019AS 網卡驅動首先是對網卡芯片的上電初始化，通過函數init_8019as（）進行，用于設定網卡物理地址，設定收發緩沖區位置和大小等。其次是發送數據函數eth_send（）和接收數據函數eth_rcve（）。
而uIP 協議棧則通過內核中的uip_input（）函數實現對底層網絡設備的驅動，該函數是uIP 協議的底層設備入口。它包含兩個全局變量uip_buf、uip_len.前者用于存放接收到的數據包，后者表示接收發送緩沖區里的數據長度。uip_input（）函數處理從網絡設備驅動發送來的IP 包。處理結束后返回變量uip_len，如果uip_len 是0，則沒有數據要發送。不為0 則調用網絡設備驅動程序eth_send（）函數來將uip_buf 里的uip_len 長度的數據發送到以太網上。eth_rcve（）函數將接收到的數據存儲到緩存uip_buf 指定的緩沖區中，系統調用uip_input（）函數，并在需要時調用應用程序。
uip_perioDIC（）可以理解為是一個周期時鐘函數，通常每一秒執行一次，單片機用它周期性地輪詢各連接。因為uIP 協議要處理許多定時事件，例如包重發、ARP 表項更新。當周期計時激發，每一個TCP 連接調用uip_periodIC（），其TCP 連接編號作為參數傳遞給uip_periodic（）函數。uip_periodic（）函數檢查參數指定的連接的狀態。當uip_periodic（）函數返回后，會檢查uip_len 的值，若不為0 則將uip_buf 緩沖區中的數據包發送到網絡上。
uIP 協議的應用程序接口用于實現web 之類的應用服務。uIP 定義了一個宏UIP_APPCALL（）作為該接口，供用戶使用。當用戶要編程實現某應用服務時，只需要將宏UIP_APPCALL（）定義成實際的應用程序函數名
