Староверов К.С., канд. техн. наук
- технология компании Atmel по подключению к Интернет на основе встраиваемого протокола TCP/IP
Организация быстродействующей и недорогой передачи информации является одной из основных задач современных информационных технологий. Существует множество решений задачи передачи информации для различных сфер применения, в т.ч. беспроводные системы передачи информации (Bluetooth, ISM-системы и др.) и проводные различного назначения, в т.ч. промышленные шины CAN, Profibus, LIN; административные и бытовые сети (Ethernet, телефонная сеть). Ввиду относительно высокой стоимости промышленных систем передачи информации и ограничений на использование беспроводных систем связи, последнее время наблюдается непрерывно нарастающий интерес к передаче информации через административные и бытовые сети, включая обычную телефонную сеть (модемное соединение) и локальную сеть Ethernet. Привлекающим фактором выступает повсеместность данных сетей и совместимость между собой через стандартные протоколы Интернет-связи.
Сдерживающим фактором до недавнего времени являлось необходимость установки локального ПК в месте сбора и/или получения данных и необходимость установки на нем операционной системы. Появление технологии @Web [1, 2], разработанной компанией Atmel, полностью устраняет сдерживающие факторы. Основной идеей технологии @Web является возможность передачи информации через Интернет-протоколы по локальным и телефонным сетям с помощью обычных недорогих 8-разр. микроконтроллеров.
Основные области применения технологии @Web:
- автоматизация производственных предприятий с развитой сетевой инфраструктурой, в т.ч. датчики сбора информации, исполнительные устройства и механизмы с управлением через сеть;
- модемы для обычных телефонных сетей;
- организация межточечной или многоточечной удаленной связи по протоколам Интернет через выделенное подключение и/или через телефонную сеть.
- системы безопасности (в т.ч. сетевые камеры наблюдения), охраны и сигнализации;
- IP-телефония, внутренняя телефонная связь предприятия по локальной сети;
- современное бытовое электрооборудование с подключением к Интернет, например, холодильники, кондиционеры, обогревающие системы;
- системы контроля параметров окружающей среды;
- преобразователи внутрисистемных последовательных протоколов в протоколы Интернет/Ethernet.
Какой подход выбрать, программный или аппаратный?
Разработчикам, которые решают задачу подключения разрабатываемого устройства к Интернет, приходится выбирать одно из трех возможных направления решения этой задачи:
- Разработка собственного стека TCP/IP.
- Программная реализация стека TCP/IP. Требует применения микроконтроллера, который способен эффективно работать и со стеком TCP/IP и программой приложения.
- Аппаратная реализация стека TCP/IP.
Иногда разработчики, впервые приступая к решению задачи подключения к Интернет, склоняются к перовому направлению, считая что разработка собственного стека TCP/IP пройдет гладко и не вызовет затруднений. Проходит немного времени и разработчики вынуждены признать обратное, что более эффективным путем решения этой задачи является адаптация существующего решения к специфическим требованиям разрабатываемого приложения.
Таким образом, разработка собственного стека TCP/IP связано с высоким риском срыва сроков выполнения проекта, высокими затратами времени и средств на проектирование. Зачем тогда изобретать колесо, когда доступны недорогие решения, которые легко интегрируются в специфические приложения?
Если рассматривать существующие решения, то необходимо выбрать между аппаратным и программным решением. При выборе, прежде всего руководствуются двумя моментами: возможности команды разработчиков и требования к быстродействию передачи данных. Как правило, проектная организация прежде всего должна оценить возможности своих разработчиков. Если, группа разработчиков более глубоко владеет навыками программирования, то склоняются к адаптации программного стека, если же преобладает опыт схемотехнического проектирования, то рекомендуется использовать готовые аппаратные решения.
Кроме того, рекомендуется использовать аппаратные решения, если требуется высокоскоростная передача данных, а также в случае высокой загруженности канала связи, например, когда требуется передача видео-изображения от сетевой камеры наблюдения.
При разработке технологии @Web, основанной на применении микроконтроллеров C51, компания Atmel предусмотрела, как аппаратный, так и программный подход. Разработчикам предлагается выбрать либо программную библиотеку, реализующей функции TCP/IP в составе флэш-микроконтроллера C51, либо готовую микросхему производства компании Wiznet®, которая аппаратно решает задачи Ethernet под управлением микроконтроллера C51.
Программная реализация протокола TCP/IP
В целях популяризации семейства 8-разр. флэш-микроконтроллеров семейства C51 компания Atmel разработала программный протокольный стек @Web TCP/IP, с помощью которого можно легко организовать передачу данных с помощью любого из существующих протоколов, в т.ч. HTTP, FTP и SMTP. Уникальной особенностью данного предложения является распространение данного софта по свободной лицензии. Т.е. в процессе серийного производства не требуется никаких авторских отчислений за использование данного программного обеспечения.
За счет того, что и программный стек TCP/IP и программа приложения размещены во встроенной флэш-памяти микроконтроллера C51, сокращается количество внешних элементов и модулей.
В состав полного набора поддерживаемых протоколов входят PPP, LCP, IPCP, PAP, SLIP, TCP/IP,
UDP и ICMP. Для освоения данного направления выпускается набор @Web PSTN51S (см. табл. 1), который позволяет организовать:
- HTTP-сервер, который разрешает доступ от вэб-броузера.
- FTP-сервер, позволяющий записывать файлы во встроенную флэш-память микроконтроллера.
- FTP-клиент, позволяющий скачивать файлы из произвольного места через Интернет.
- SMTP-клиент, позволяет отправлять электронные письма.
@Web PSTN51S поддерживает подключение по телефонной линии (модемная связь). Если же требуется подключение по сети Ethernet, то необходимо использовать другой оценочный набор @Web LAN51S. Оба набора могут поставляться с дополнительным CAN-интерфейсом.
Соединение функций CAN-шины и Интренет-подключения открывают новые возможности в области автоматизации производственных процессов. Как известно, CAN-шина широко используется в промышленной автоматике для связи между собой машин и оборудования по всему предприятию. Использование @Web PSTN51S или @Web LAN51S предоставляет уникальную возможность по дистанционному управлению CAN-сетью предприятия через вэб-броузер персонального компьютера, независимо от географического положения. В качестве примера использования такого подхода может выступать обновление программного обеспечения локальных систем управления или изменения их конфигурационных параметров.
На рисунке 1 представлено окно программы менеджера дистанционного внутри-прикладного программирования FRIM, которая может одновременно программировать несколько CAN-узлов (от 1 до 255) в пределах одной сети. Кроме этого, допускается подключение до трех пользователей (за счет расширения внутриплатного ОЗУ достигается увеличение числа пользователей).
Рисунок 1. Окно программы дистанционного управления CAN-узлами
Аппаратная реализация протокола TCP/IP
Аппаратный подход является идеальным для реализации высокоскоростной передачи данных, которая необходима в видео и аудио системах с передачей файлов, размер которых составляет несколько мегабайт. В этом случае достаточно ограничиться использованием 8-разр. микроконтроллера C51 и полностью исключается необходимость применения более дорогих и сложных 16 и 32-разр. микроконтроллеров.
Внедрение аппаратного подхода стало возможно благодаря сотрудничеству с корейской компанией WizNet [3], которая выпускает уникальную микросхему W3100A - оптимизированный на использование в сетях Ethernet аппаратный стек TCP/IP, поддерживающий все существующие протоколы Интернет, в т.ч. TCP, IP, UDP, ICMP, ARP, DLC и MAC. W3100A требует для управления микроконтроллер с небольшим объемом ОЗУ и ПЗУ. W3100A одновременно поддерживает 4 независимых канала и может быть связан с любым физическим слоем (PLC, Wireless и др.) с поддержкой MII(независимый медиа-интерфейс), а также совместим с логическими уровнями 3,3В и 5В. Использование в качестве компаньона микроконтроллера С51 позволяет организовать связь на скорости 300 кбит/с. Если требуется более высокая скорость передачи данных, то рекомендуется использовать 8-разр. микроконтроллеры AVR или С51 из нового семействе AT89LP с однотактным ядром ЦПУ. В этом случае скорость передачи данных может достигать 3 Мбит/сек. На рисунке 2 представлена функциональная схема устройства с функцией Интернет-связи на основе микросхемы W3100A. В таблице 1 также описываются инструментальные средства, помогающие в освоении данного направления для различных прикладных задач.
Рисунок 2. Функциональная схема устройства на основе W3100A
Таблица 1. Инструментальные средства для оценки возможностей технологии @Web
| Наименование |
Описание |
Фото платы |
| Программная реализация протокола TCP/IP |
| @WebPSTN51S |
Базируется на 8-разр. микроконтроллере С51 со встроенной флэш-памятью размером 32 кбайт. Стандартный набор выполнен на основе микроконтроллера Atmel T89C51AC2 со встроенным АЦП. Он содержит аналоговый модем V.32bis для модемного соединения PSTN и RS232 для непосредственного подключения или подключения модуля GPRS. |
 |
| @WebLAN51S |
Оценочный набор @Web LAN51S является производным от @Web PSTN51S. Он также выполнен на основе микроконтроллера T89C51AC2, но вместо модуля модема PSTN содержит интерфейс "10 Base-T Ethernet". Оба набора, @Web PSTN51S и @Web LAN51S, могут поставляться в расширенной форме, когда на плату добавлен интерфейс CAN 2.0B на основе трансивера с пропускной способностью 1 Мбит/сек. В данной версии используется микроконтроллер T89C51CC01 с интегрированными CAN-контроллером и АЦП. |
 |
| @WebSEG32 |
ATWebSEG-32 - модуль шлюза, преобразовывающий последовательную связь в Ethernet и наоборот. Модуль шлюза выполнен на базе флэш-микроконтроллера и позволяет модернизировать существующие разработки с целью добавления функции Интернет-соединения с управлением через последовательный интерфейс RS-232. При этом появляется возможность дистанционного контроля и управления через сеть Ethernet и TCP/IP. Таким образом, ATWebSEG-32 - преобразователь протоколов, который преобразует принятую последовательную посылку в TCP/IP - данные, а также преобразует TCP/IP-данные, принятые из сети, в последовательную посылку. |
 |
| Аппаратная реализация TCP/IP |
| @WebLAN51H |
Набор для проектирования @Web LAN51H разработан для тестирования высокоскоростной Интернет-связи на основе флэш-микроконтроллера Atmel 80C51 и микросхемы WIZnet iInChip, в которой аппаратно реализован протокол Ethernet TCP/IP. За счет поддержки функции внутрисистемного программирования пользователь может изменить функции и перезагрузить прошивку микроконтроллера. Сообщения об ошибке выводятся на экран ЖКИ, тем самым облегчая отладку приложения пользователя. После завершения оценки извлекаемый сетевой модуль (IIM7010), который входит в состав набора, может быть использован в других целях. |
 |
| @WebLAN51H RC |
Набор функционирует аналогично @Web LAN51H, но отличается выполнением функций дистанционного управления, которые заключаются в отработке команд включения/отключения, поступающих от вэб-сервера. Плата позволяет включать/отключать светодиоды, текстовый ЖК-дисплей и три электромагнитных реле, коммутирующих цепи переменного напряжения 100-220В. |
|
| @WebLAN51H VOIP |
Функционирует аналогично @Web LAN51H, за исключением новой функции по полнодуплексной передаче голоса через Интернет с использованием стандартного голосового кодека G723.1. В состав платы также входят микрофонный вход, выход для подключения динамика, а также аудио ЦАП и ЦСП (цифровой сигнальный процессор). |
|
| @WebLAN51H WC |
Работает аналогично @Web LAN51H, однако, данный набор реализует функцию сетевой камеры, обеспечивая возможность подключения четырех канальной КМОП вэб-камеры со стандартным JPEG-кодеком. Видео-кодирование обеспечивается. Поддерживаемые видео-режимы: VGA, CIF и QCIF. В зависимости от размера изображения и его качества с помощью стандартного микроконтроллера С51 можно передавать изображение с частотой 3…40 кадров в секунду. При этом исключается необходимость применения локального ПК с операционной системой, т.к. микроконтроллер выполняет функцию моста между вэб-камерой и сетью Ethernet. |
 |
Примеры применения
В начале данной статьи указывались перспективные сферы применения технологии @Web. Остановимся на двух из них, которые на взгляд автора могут привлечь внимание широкого круга разработчиков электронной техники. Это бытовая автоматизация и автоматизация производственных процессов. На рисунке 3 иллюстрируется пример управления домашним освещением и вентилятором дистанционно из офиса, где установлен подключенный к Интернет компьютер. Также полезным может оказаться управление домашними системами кондиционирования, нагрева, в т.ч. система теплых полов, а также дистанционный контроль состояния домашней сигнализации и определение содержимого холодильника. Все это позволит избавиться от лишнего дискомфорта и хлопот и в полной мере реализовать, набирающую в последнее время популярность идею "умного дома".
Рисунок 3. Пример использования технологии @Web для управления бытовым электрооборудованием
Для производственных предприятий с развитой сетевой архитектурой Ethernet весьма выгодным может оказаться автоматизация производственных процессов с помощью технологии @Web. На рисунке 4 показан пример использования шлюза @Web SEG32 для локального сбора и восприятия команд управления через сеть Ethernet. Управление оборудованием и сбор информации осуществляет специальный компьютер, подключенный к Интернет, и с произвольным географическим расположением.
Рисунок 4. Пример использования шлюза @Web SEG32 для управления производственными машинами и оборудованием
Выводы:
До недавнего времени развитие рынка электронных устройств с функцией подключения к Интернет сдерживалось из-за отсутствия недорогих технологий, которые позволили бы разработчику без особых затруднений реализовать Интернет-подключение. Появление недорогой технологии @Web TCP/IP компании Atmel, базирующейся на применении 8-разр. флэш-микроконтроллера С51, полностью снимает все ограничения по интеграции функций Интернет-связи во многие приложения. Для упрощения освоения данной технологии выпускается широкий набор инструментальных средств для проектирования, в которых поддерживается как программная, так и аппаратная реализация протокольного стека TCP/IP.
Литература:
- Etienne Beneteau. @Web TCP/IP Solutions with Atmel's C51 Flash Microcontrollers//White paper, San Jose: Atmel Corporation, 2003 - 22 p.
- Embedded TCP/IP Atmel @Web Solutions with C51 Flash MCUs, Atmel Corporation, www.atmel.com
- WIZnet Forging Strategic Partnership with Atmel Joint Marketing, SoC Development http://www.wiznet.co.kr/
Технический перевод документации к сложной электронике - бюро переводов Глагол
