源码公开的TCPIP协议栈在远程监测中的应用

1、源码公开的 TCP/IP 协议栈在远程监测中的应用摘要：介绍一个适用于8/16位单片机的嵌入式TCP/IP协议栈（ulP）在发电 机远程监测系统中的应用。重点阐述 uIP 的功能特性、体系结构和相关接口， 并详细介绍如何在该协议栈上实现一个嵌入式Web服务器。目前ulP已成功地移植到 51 单片机上。关键词：TCP/IP协议栈嵌入式Wet服务器远程监测目前，随着互联网的发展，越来越多的工业测控设备已经将网络接入功能 作为其默认配置，以实现设备的远程监控和信息分布式处理。笔者曾参与某发 电机射频监测仪的开发，该设备主要用于诊断和预警发电机早期故障，并通过 RS232接口定时输出电平和状态数据，现

2、场专门设一台PC作接收、显示及存储。每年都要有专家到各发电厂对以往数据作检查和诊断，不胜其烦。因此有 必要设计一个RS232到In ternet的数据传输模块，以便对发电机的运行状况作 远程监测。设计该模块的关键在于如何实现一个嵌入式 TCP/lP 协议栈，根据以 往的经验，自己设计一个协议栈的难度很可能超过应用本身，而采用商业的协 议栈似乎又无必要（功能过于复杂），最后笔者选用一种功能简易的免费 TCP/IP 协议栈 uIP 0.9 作为设计核心。嵌入式 TCP/IP 协议栈目前，市场上几乎所有的嵌入式 TCP/IP协议栈都是根据BSD版的TCP/IP 协议栈改写的。在商业嵌入式 TCP/I

3、P 协议栈大都相当昂贵的情况下，很多人转 而使用一些源代码公开的免费协议栈，并加以改造应用。目前较为著名的免费 协议栈有：lwIP（Light weight TCP/IP Stack） 支持的协议比较完整，一般需要 多任务环境支持，代码占用 ROM40KB不适合8位机系统，没有完整的应用文 档；uC/IP（TCP/IP stack for uC/OS） 基于 uC/OS的任务管理，接口较复 杂，没有说明文档。笔者采用的协议栈系瑞典计算机科学研究所 Adam Du nkels开发的 uIP0.9 。其功能特性总结如下：*完整的说明文档和公开的源代码（全部用C语言编写，并附有详细注释）；*极少的代

4、码占用量和RAMS源要求，尤其适用于8/16位单片机（见表高度可配置性，以适应不同资源条件和应用场合；支持ARR IP、ICMP TCP UDP（可选）等必要的功能特性；支持多个主动连接和被动连接并发，支持连接的动态分配和释放;简易的应用层接口和设备驱动层接口；完善的示例程序和应用协议实现范例。表1 uIP 在ATMEL AV上代码和 RAh/占用情况协议模块代码大小/B使用的RAM/BARP1324118IP/ICMP/TCP3304360HTTP994110校验和函数6360数据包缓存0400总和6258988注：配置为1个TCP听端口，10个连接，10个ARP表项，400字节数据包 缓存

5、。正是由于uIP所具有的显著特点，自从0.6版本以来就被移植到多种处理 器上，包括MSP430 AVR和Z80等。笔者使用的ulP0.9是2003年11月发布的 版本。目前，笔者已将它成功移植到 MCS-51上了。uIP0.9的体系结构UIP0.9是一个适用于8/16位机上的小型嵌入式TCP/IP协议栈，简单易 用，资源占用少是它的设计特点。它去掉了许多全功能协议栈中不常用的功 能，而保留网络通信所必要的协议机制。其设计重点放在IP、ICMP和 TCP协议的实现上，将这三个模块合为一个有机的整体，而将UDP和ARP协议实现作为可选模块。UIP0.9的体系结构如图1所示。UIP0.9处于网络通信

6、的中间层，其上层协议在这里被称之为应用程序，而 下层硬件或固件被称之为网络设备驱动。显然，uIPO.9并不是仅仅针对以太网设计的，以具有媒体无关性。为了节省资源占用，简化应用接口，uIPO.9在内部实现上作了特殊的处注意各模块的融合，减少处理函数的个数和调用次数，提高代码复用 率，以减少ROM占用。基于单一全局数组的收发数据缓冲区，不支持内存动态分配，由应用负 责处理收发的数据。基于事件驱动的应用程序接口，各并发连接采用轮循处理，仅当网络事 件发生时，由 uIP 内核唤起应用程序处理。这样， uIP 用户只须关注特定应用 就可以了。传统的 TCP/IP 实现一般要基于多任务处理环境，而大多数

7、8 位机系 统不具备这个条件。应用程序主动参与部分协议栈功能的实现（如TCP的重发机制，数据包分段和流量控制），由 uIP 内核设置重发事件，应用程序重新生成数据提交发 送，免去了大量内部缓存的占用。基于事件驱动的应用接口使得这些实现较为 简单。uIP 的设备驱动程序接口uIP 内核中有两个函数直接需要底层设备驱动程序的支持一是 uip_input（） 。当设置驱动程序从网络层收到的一个数据包时要调用 这个函数，设备驱动程序必须事先将数据包存入到 uip_buf 中，包长放到 uip_len ，然后交由 uip_input（） 处理。当函数返回时，如果 uip_len 不为 0， 则表明有带外

8、数据（如SYN ACK等）要发送。当需要ARP支持时，还需要考虑 更新ARP表示或发出ARPi青求和回应，示例如下：#define BUF(struct uip_eth_hdr*)&uip_buf0) uip_len=ethernet_devicedriver_poll(); /接收以太网数据包(设备驱动程序)if(uip_len0) /收到数据if(BUF-type= =HTONS(UIP_ETHTYPE_IP)/ 是 IP 包吗？uip_arp_ipin(); /去除以太网头结结，更新ARPSuip_input(); /IP包处理if(uip_len0) /有带外回应数据uip_arp_o

9、ut(); /加以太网头结构，在主动连接时可能要构造 ARP请求ethernet_devicedriver_send(); /发送数据到以太网（设备驱动程序）else if(BUF-type=HTONS(UIP_ETHTYPE_ARP)/是ARP青求包uip_arp_arpin(); / 如是是ARP回应，更新 ARF表;如果是请求，构造 回应数据包if(uip_len0) /是ARP青求，要发送回应ethernet_devicedriver_send(); /发 ARP回应到以太网上另一个需要驱动程序支持的函数是uip_periodie( conn)。这个函数用于uIP 内核对各连接的定时轮

10、循，因此需要一个硬件支持的定时程序周期性地用 它轮循各连接，一般用于检查主机是否有数据要发送，如有，则构造 IP 包。使 用示例如下：for(i=0;i0)uip_arp_out();ethernet_devicedriver_send();从本质上来说， uip_input() 和 uip_periodic() 在内部是一个函数，即 uip_process(u8t flag) ， UIP 的设计者将 uip_process(UIP_DATA) 定义成 uip_input() ，而将 uip_process(UIP_TIMER) 定义成 uip_periodic() ，因此从 代码实现上来说是

11、完全复用的。uIP 的应用程序接口为了将用户的应用程序挂接到 ulP中，必须将宏UIP_APPCAL()定义成 实际的应用程序函数名，这样每当某个 uIP 事件发生时，内核就会调用该应用 程序进行处理。如果要加入应用程序状态的话，必须将宏 UIP_APPSTATE_SIZE 定义成应用程序状态结构体的长度。在应用程序函数中，依靠 uIP 事件检测函数来决定处理的方法，另外可以通过判断当前连接的端口号来区分处理不同的 连接。下面的示例程序是笔者实现的一个 Web服务器应用的框架。#define UIP_APPCALL uip51_appcall#define UIP_APPSTATE_SIZE

12、sizeof(struct uip51app_state)struct uip51app_stateunsigned char * dataptr;unsigned int dataleft;void uip51_initapp / 设置主机地址u16_t ipaddr2;uip_ipaddr(ipaddr,202,120,127,192);uip_sethostaddr(ipaddr);uip_listen(HTTP_PORT); /HTTP WEB PORT (80)；void uip51_appcall(void)struct uip51app_state *s;s=(struct ui

13、p51lapp_state *)uip_conn-appstate; /获取当前连接状态指针if(uip_connected()/有一个客户机连上if(uip_newdat()|uip_rexmit() /收到新数据或需要重发if(uip_datalen()0)if(uip_conn-lport=80) /收到 GET HTTP请求update_table_data();/ 根据电平状态数据表动态生成网页s-dataptr=newpage;2653B的网页发送长度 最大s-dataleft=2653; uip_send(s-dataptr,s-dataleft); / 发送长度为 if(uip

14、_acked() / 收到客户机的 ACK if(s-dataleftuip_mss()&uip_conn-lport=80) / 段长时s-dataptr+=uip_conn-len; / 继续发送剩下的数据 s-dataleft-=uip-conn-len;uip_send(s-dataptr,s-dataleft);return;if(uip_poll()/将串口缓存的数据复制到电平状态数据表 return;if(uip_timedout()| / 重发确认超时 uip_closed()| /客户机关闭了连接uip_aborted() / 客户机中断连接 return;uIP0.9 在电

15、机远程监测系统中的应用笔者设计了一个嵌入式 Web莫块UIPWEB51用于将发电机射频监测仪串口 输出的数据上网，以实现对发电机工作状态的远程监测，目前已获得初步成 功。该莫块的硬件框图如图 2 所示。单片机采用的是 Atmel的AT89C55W，它内置20KB程序Flash，512字节 RAM 3个这时器/计数器，工作在22.1184MHz时具有约2MIPS的处理速度。网 卡芯片同样采用的是低成本的 RTL8019AS是一款NE200C兼容的网卡芯片，系 统外扩了 32KB的SRAM用于串口数据和网络数据的缓冲，另外还存放了 uIP 的许多全局变量。UIPWEB5的主程序采用中断加轮循的方式

16、，用中断触发的方式接收发电机 射频监测仪发出的数据，开设置了一个接收队列暂存这些数据。在程序中轮循 有无网络数据包输入，如有则调用 uIP 的相关处理函数（如上 uip_input（） 使 用示例）；如无则检测定时轮循中断是否发生。这里将T2设为uIP的定时轮循计数器，在T2中断中设置轮循标志，一旦主程序检测到这一标志就调用 uip_periodic（） 轮循各连接（如上 uip_periodic（） 使用示例）。UIPWeb51的应用程序（如uIP的应用程序接口示例），这个 Web服务器首 先打开 80端口的监听，一旦有客户机要求连上， uIP 内部会给它分配一个连接 项，接着等收到客户机I

17、E浏览器发出的“ GET HTTP”请求后，将发电机电 平与状态数据队列中的数据填入网页莫板，生成一幅新的网页发给客户机。因 为这幅网页的大小已经超过uIP的最大段长（MSS，因此在uIP内核第一次实 际只发出了 MSSt字节，在连接处于空闲的时候（uip_poll（），应用程序可 以从串口队列中读出原始数据，经格式处理后再存到电机电平与状态数据队列 中，而在这个队列中保存着当前1min的设备工作数据，以便下次更新网页时使 用。在网页中添加了更新按钮，一旦浏览器用户占击了按钮，浏览器会自动发 出CGI请求，UIPWEB5收到后，立即发送包含最新数据的网页。如果uIP接收ACK超时，它会自动设置重发标志，应用程序中可以用uip_rexmit（）来检测这个标志，重新生成网页并发送。一旦用户关闭了浏览器，uIP也会自动检测到这一事件（应用程序中可以用 uip_closed （）