隨著信息技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)時代的到來，基于TCP/IP協(xié)議的嵌入式 Internet技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。目前，大多數(shù)嵌入式設(shè)備仍處于孤立應(yīng)用階段^[1]，為了實現(xiàn)多個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”，另一種是使用專用網(wǎng)絡(luò)打印機。專用網(wǎng)絡(luò)打印機成本很高，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)必須有一臺計算機來充當打印服務(wù)器，若這臺計算機出現(xiàn)故障或關(guān)機，網(wǎng)內(nèi)的其它計算機就無法打印，使用起來很不方便。嵌入式網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器解決了這個問題，使普通打印機不再是依附于主機的一個外設(shè)，而成為網(wǎng)絡(luò)中一個獨立的設(shè)備，使用起來更加靈活方便。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，普通打印機通過此嵌入式打印服務(wù)器可直接接在Hub上，升級為一臺“網(wǎng)絡(luò)打印機”。客戶端可在局域網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)打印，遠端客戶可通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)遠程打印。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打印機接口電路；④串口通訊" title="串口通訊">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)動程序，程序代碼較長，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)。基于以上考慮，微處理器采用臺灣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系列單片機的3~4倍，時鐘頻率最高可設(shè)置為40MHz。此芯片內(nèi)含三個16位的定時/計數(shù)器，兩個全雙工串行口，一個軟件可編程的看門狗定時器。采用軟件看門狗技術(shù)，可用來提高本系統(tǒng)的抗干擾能力，防止程序跑飛。
　　網(wǎng)卡接口芯片采用性價比較高的全雙工的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方式進行數(shù)據(jù)傳輸，與8位單片機接口方便^[2]。
　　另外，系統(tǒng)還擴展一片62256 RAM和一片24C02 E²PROM。RAM的作用有兩個：一是用來緩存從網(wǎng)卡芯片接收下來的數(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I²C總線與單片機通信，其接口非常簡單，只需要通過SCL和SDA兩條線與單片機相連即可。其作用是用來存儲上位機通過RS232串口下載下來的一些重要參數(shù)，如主機的IP地址、子網(wǎng)掩碼、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，實現(xiàn)上位PC機與單片機之間的通訊。
1.2 軟件設(shè)計
　　軟硬件開發(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)動程序；②TCP/IP協(xié)議解析程序；③打印機接口程序；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)動程序
　　首先對RTL8019AS進行復(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進行復(fù)位操作，高電平有效。復(fù)位過程將執(zhí)行一些基本操作，至少需要1μs的時間，推薦等待更久的時間如100ms之后才對它操作，以確保芯片完全復(fù)位。
　　(2)熱復(fù)位
　　直接將RTL8019AS的復(fù)位端RSTDRV與單片機的RESET引腳相連，單片機復(fù)位的時候，RTL8019AS也復(fù)位。RTL8019AS中地址為18H~1FH的寄存器端口均為復(fù)位端口。對以上端口偶數(shù)地址讀或者寫入任何數(shù)，都會使網(wǎng)卡芯片復(fù)位。
　　復(fù)位以后對RTL8019AS芯片中某些寄存器進行配置，確定其工作方式。配置好后，就可以開始接收或發(fā)送數(shù)據(jù)了。
　　接收數(shù)據(jù)包時，采用查詢方式將查詢程序放在一個大循環(huán)中，反復(fù)查詢是否有新數(shù)據(jù)包到達，若有則接收下來。編程時應(yīng)該特別注意的是：RTL8019AS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]，RTL8019AS自動填加了接收狀態(tài)、下一頁指針、以太網(wǎng)幀長度三個字段(四個字節(jié))，其結(jié)構(gòu)如表1所示。所以編程時需要按照此格式才能正確地接收數(shù)據(jù)。

1.2.2 TCP/IP協(xié)議解析程序
　　TCP/IP協(xié)議簇實際上是許多相關(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)議通常被認為是一個四層的協(xié)議系統(tǒng)，包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層" title="網(wǎng)絡(luò)層">網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層^[4]。在設(shè)計中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器的具體要求，對TCP協(xié)議進行了適當?shù)牟眉簦瑑H實現(xiàn)了圖4所示的四個協(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 地址來進行識別的，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)層主要負責(zé)按網(wǎng)絡(luò)標準形式封裝數(shù)據(jù)包，然后進行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)進行通信，就必須實現(xiàn)IP 協(xié)議，所以IP 協(xié)議需要完整實現(xiàn)。IP 包最大為65K，可以分段傳輸，但在嵌入式系統(tǒng)中根本無法容納如此大的數(shù)據(jù)包，因此不支持分段傳輸。單片機一般采用發(fā)送小數(shù)據(jù)包的方式，以避免分段傳輸。
　　ICMP 協(xié)議主要用來傳遞差錯報文以及其它需要注意的信息。ICMP中規(guī)定了多種協(xié)議類型和代碼，如果完全實現(xiàn)要浪費不少的系統(tǒng)資源，對于普通的嵌入式Internet 應(yīng)用而言，能夠測試網(wǎng)絡(luò)的連通情況即可，因此只需實現(xiàn)ICMP 中類型號為0、代碼為0 的Ping應(yīng)答協(xié)議即可。
　　(3)傳輸層協(xié)議
　　傳輸層主要為兩臺主機上的應(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)。通過使用序列號和確認信息，TCP協(xié)議能夠向發(fā)送方提供到達接收方的數(shù)據(jù)包的傳送信息。UDP協(xié)議沒有保證可靠性的機制，其數(shù)據(jù)傳輸率高，可以實現(xiàn)全速發(fā)送數(shù)據(jù)包，但是容易丟包、失序。這里因為是打印服務(wù)，對數(shù)據(jù)的可靠性要求很高，所以必須采用TCP協(xié)議。
1.2.3 打印機接口程序
　　打印機接口有SPP、EPP和ECP三種標準^[5]，其中EPP和ECP的數(shù)據(jù)傳輸速度較快。SPP為標準的并行接口標準，目前任何打印機都支持此接口標準，考慮到兼容性的問題，這里采用了SPP接口標準。此接口程序比較簡單，編程時可以采用查詢方式不斷檢測打印機的工作狀態(tài)(BUSY信號)，若不忙則輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出數(shù)據(jù)選通脈沖(STROBE)，通知打印機取數(shù)據(jù)打印。
1.2.4 串口通訊程序
　　串口通訊程序主要用來完成程序的調(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)掩碼等參數(shù)的修改。圖5為嵌入式系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面。

2 測試結(jié)果
　　在此使用VB6.0編寫相應(yīng)的測試程序。實驗證明，此測試程序可以動態(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，還編寫了串口通訊程序，測試結(jié)果和數(shù)據(jù)可通過串口顯示出來，也可以將輸出數(shù)據(jù)保存到硬盤中仔細分析研究。圖6為使用串口通訊程序截獲的打印輸出數(shù)據(jù)。
　　為了進一步研究，使用EtherDetect Packet Sinffer軟件截獲了打印過程中通過網(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。