引言
目前，世界各地廣泛在使用的還是 IPv4 網絡，IPv6 網絡還只是停留在一些地方局部的試用;同時IPv6 強大的網絡功能，對嵌入式系統、智能芯片等軟硬件的要求也相對較高。所以基于IPv6 協議的嵌入式Internet 系統的研究與應用并沒有為大多數人所關注。但是，隨著的IPv4 協議漸漸被IPv6 協議所取代;隨著嵌入式Internet 系統的不斷自我完善;隨著微控制芯片的迅猛發展。基于IPv6 協議的嵌入式Internet 系統將會成為互聯網時代的新的發展和研究方向。
1． 嵌入式 Internet 系統
嵌入式微處理器作為一種智能器件已經給工業領域帶來了巨大變化，隨著控制精度、智能化程度等要求的提高，嵌入式微處理器完成任務也越來越多，其軟件實現的功能也越來越復雜，單一任務的軟件結構也隨之變為多任務的。所謂嵌入式Internet 系統，就是普通的嵌入式系統具備了Internet 互聯功能，它能夠方便地連接到Internet 上，實現信息在互聯網上的傳遞。早在1999 年6 月，中國計算機學會(China Computer Federation)舉行的“嵌入式系統及產業化在中國的發展前景”研討會中，專家們曾探討了嵌入式系統在當今計算機工業中的地位及其網絡化問題，并一致認為Internet 正由傳統的PC 為中心的應用轉向以嵌入式設備為中心的應用。同時網絡專家也預測，將來Internet 上傳輸的信息將有70%來自于小型嵌入式系統。
今天，越來越多的消費型產品具有了Internet 特性。我們身邊己經有了可以自動撥號進入Internet 獲取音像資料的DVD 播放機、有了可以查看股票信息的網絡冰箱、還有GPS(全球定位系統)等各種各樣的嵌入式Internet 系統。
2． 系統的硬件設計
網絡化數據采集系統，是利用嵌入式Internet 系統的透明接入技術來實現數據采集的網絡化，它是由單片機系統、LED 顯示控制器、A/D 和D/A 轉換器、以太網絡控制器等幾部分組成，其硬件結構框圖如圖1 所示。
2.1 主控制器的擴展
系統的設計中，主控制器采用了 ATMEL 公司生產的AT89C55 微處理器。設計中把P0口用作數據16 位地址的低位地址復用口，P2 口用作16 位地址的高位地址，P1 口的P1. 0
用作以太網控制芯片RTL8019AS 的復位信號輸入端，P1. 1, P1. 2 分別模擬IZC 總線用作EEPROM 數據存儲器的時鐘信號和數據輸入輸出線。引腳12(INTO)用來對以太網控制器RTL8019AS 的中斷請求作響應。
74LS373 用作P0 口分時復用的16 位低位地址鎖存器。外部數據存儲器62256 內含32K的8 位存儲單元，其片選引腳CS (20)接單片機的A15。62256 內部存儲器尋址通過單片機的低15 位地址線AO^}A14。所以外部數據存儲器62256 的單片機尋址范圍為0000~7FFF。
AT89C55 沒有I2C 總線接口，所以只能用單片機虛擬I2C 總線方式工作，由于總線上只有一個單片機作為主節點，因此系統設計為單主方式下的虛擬I2C 總線。在這種方式下，虛擬I2C 總線只有主發送和主接收兩種操作， AT24C02 的寫讀程序如下：
① 寫 AT24C02 子程序AT24C02_ W
NUMBYT:被傳送字節數N 的存放單元、NUM:被傳送字節數N, SUBADR:AT24C02 中要存放的數據首地址、VSDA:虛擬總線的數據線、VSCL:虛擬總線的時鐘線、SLAW:寫尋址
字節、MTD:發送數據緩沖區首地址。
AT24C02_W: NUMBYT. #NUM ;將被傳送的字節數N 寫入NUMBYT 中MOV SLA. #SLAW ;寫地址送到SLA 中LCALL WRNBYT ;調用N 字節的寫入子程序RET
② 讀 AT24C02 子程序AT24C02_ R。
AT24C02 的指點地址的讀和它的寫有些不同，指點地址的讀是要求在指定的字地址讀出一個字節數據的操作，由于是要在指定的資地址，所以要先寫一個字地址，然后重復起始狀態，讀入一個數據字節。
AT24C02 R:MOV MTD. SUBADR :將數據首地址送到發送數據緩沖區
MOV SLA. #SLAW :將寫地址送到SLA 中
MOV NUMBYT，#1
LCALL WRNBYT ；調用N 字節的寫入程序
MOV SLA，#SLAR ；將讀地址送到SLA 中
MOV NUMBYT， #NUM ；從AT24C02 中讀出子程序
RET
2.2 SAA1064 LED 驅動控制器
SAA1064 是PHILIPS 公司生產的I2C 總線接口的LED 驅動控制器件，它為雙極型集成電路，有2X8 位輸出驅動接口，可靜態驅動2 位8 段LED 顯示器或動態4 位8 段LED 顯示器。AT89C55 的P1 口的P1. 1 和P1. 2 引腳模擬I2C 總線與SAA1064 的SCL 和SDA 連接，P1~P8, P9~P16 分別各自連接兩個數碼管的abcdefgh 端，CEXT 外接2. 7nF 電容，模擬引腳地址端ADR 引腳接地，器件可讀地址為SLAR=71H，可寫地址為SLAW=70H。
SAA1064 除了具有LED 驅動控制的寫操作外，還有可以反映系統上電標志的讀操作，但是，由于在本論文中只需用到SAA1064 的顯示驅動控制功能，所以這里只討論其寫入操作。SAA1064 的寫入數據操作格式為：
SLAW +SUBADR +COM +data 1+data2+data3+data4
其中SUBADR 為SAA1064 片內地址單元首地址，COM 為SAA1064 的控制命令，datal~data4 為動態顯示方式的4 個LED 的共陰極段選碼。
2.3 系統A/D 和D/A 轉換
PCF8591 是PHILIPS 公司生產的具有I2c 總線接口的8 位A/D 和D/A 轉換器。器件由單一的電源供電，COMS 工藝;有4 路A/D 轉換模擬輸入、1 路D/A 轉換輸出;A/D 轉換為逐次比較型;輸入輸出部分有采樣/保持電路;最大的轉換速率與I2c 總線傳輸率有關;A/D 和D/A轉換的基準電源由外部供給。PCF8591 也是采用典型的I2c 總線接口器件尋址方式。器件的地址為1001f 引腳地址為A2AlA0，方向位為R/W，因此它的器件地址及尋址字節為1001A2A1A0R/W。
AT89C55 的P1 口的P1. 1 和P1. 2 引腳模擬I2c 總線與PCF8591 的SCL 和SDA 連接，PCF8591 使用內部時鐘電路，所以EXT 引腳接地，OSC 作為內部時鐘輸出端懸空，將A2, A1和AO 三個引腳接地，所以器件可讀地址為SLAR=91H，可寫地址為SLAW=90H。
PCF8951 的DAC 數據操作程序代碼如下：
DAC 數據操作程序
PCF8951_ DAC: MOV MTD, #COM ;PCF8951 控制命令COM 入MTD
MOV R0, #MTD
INC RO
MOV @R0, A;D/A 轉換數據入MTD + 1
MOV SLA, #SLAW;指向PCF8951 節點寫地址
MOV NUMBYT, #2;寫入兩個字節COM 和A
LCALL WRNBYT
RET
2.4 以太網芯片的擴展
本系統網絡芯片使用的是RTL8019AS芯片，RTL8019AS是臺灣REALTEK公司生產ISA接口的通用以太網控制器。RTL8019AS 的硬件連接主要涉及三部分:第一部分是RTL8019AS工作模式及相關配置，其配置包括:RTL8019AS 的工作方式選擇、總線方式、I/0 基址設置、中斷線選擇、傳輸介質選擇、BROM(自舉程序存儲器)的容量和基址設置。第二部分是與MCU 的連接。第三部分是傳輸介質的連接，其電路圖如圖2 所示。
3． 系統軟件設計
網絡化數據采集系統的軟件部分設計，大體可分為三個部分:底層以太網數據的收發、TCP/IPv6 協議功能的實現，以及用戶應用軟件的實現。其中，在用戶應用軟件部分的設計中主要是采用的是匯編語言來描述的，它主要完成數據采集系統的采集參數設置、數據的采集、數據的保存，以及數據的顯示等，系統軟件部分三個模塊之間的關系結構圖如圖3 所示。
在網絡化數據采集系統的設計中，底層網絡數據的收發采用的是以太網為物理媒介，在Internet 的通明傳輸中采用的是TCP/IPv6 為通信協議來搭建的。系統在測控的局域網中，通過使用一臺路由器來實現與外部Internet 的連接。這樣做，一來保證了內部測量儀器、傳感器等電子設備的安全性，對外部的訪問可以進行過濾，防止了來自因特網的惡意破壞;二來，在網絡通訊中的許多繁雜的工作不需要在現場設備端實現，現場設備的TCP/IPv6 協議棧設計的工作量可大大降低。一般只要實現基本的IPv6, ICMPv6 和UDP 就可以工作了。
此外，數據采集系統與遠方控制站之間的通訊采用了客戶/服務器模型，即數據采集系統為服務器，控制站為客戶機。客戶機向服務器發送數據傳送請求、采集系統的參數設置等;服務器根據客戶機的請求提供一些特定的服務，比如返回數據、某端口狀態等，網絡數據采集流程如圖4 所示。
4． 總結
本文創新點：在 8 位嵌入式系統中實現IPv6 協議的網絡互聯。Internet 的IPv6 網絡層協議目前還是一個比較新鮮的事物，并不為多數人所知，嵌入式系統在這幾年的快速成長后，已成為時代的新寵，雖然它實現的方式和采用的方法各有千秋，但相對而言它已具備了比較完善的設計思想。論文將IPv6 協議引入到目前流行的嵌入式Internet 系統的研究熱潮中，大膽使用性能優良但價格低廉的8 位MCU 作為網絡協議實現的載體。