如何设计一个基于TCP/IP协议的嵌入式网络打印服务器？

　　运用嵌入式Internet技术，设计了一个基于TCP/IP协议的嵌入式网络打印服务器，给出了系统中TCP/IP协议的剪裁方案，分析了系统软硬件的设计思路，最后通过测试程序验证了其可行性。
　　随着信息技术的发展和网络时代的到来，基于TCP/IP协议的嵌入式Internet技术越来越受到人们的关注。目前，大多数嵌入式设备仍处于孤立应用阶段，为了实现多个MCU之间的信息共享和交流，通常利用CAN、RS232和RS485等总线组网。但是这些网络的有效半径较短，并且孤立于Internet网络以外，如果能把嵌入式设备直接接入Internet，就可以用方便、低廉的方式实现信息的共享。因此，研究和应用嵌入式Internet技术具有非常重要的意义。
　　传统的网络打印有两种方法：一种是采用“网络共享方式”，另一种是使用专用网络打印机。专用网络打印机成本很高，普通用户难以承受。若采用“网络共享方式”打印，网内必须有一台计算机来充当打印服务器，若这台计算机出现故障或关机，网内的其它计算机就无法打印，使用起来很不方便。嵌入式网络打印服务器解决了这个问题，使普通打印机不再是依附于主机的一外设，而成为网络中一个孤立的设备，使用起来更加灵活方便。本文在研究嵌入式Internet技术的基础上，设计了基于TCP/IP协议的嵌入式网络打印服务器，普通打印机通过此嵌入式打印服务器可直接接在Hub上，升级为一台“网络打印机”。客户端可在局域网内部实现网络打印，远端客户可通过网关实现远程打印。其具体结构如图1所示。
　　
　　1 系统总体结构
　　1.1 硬件电路
　　嵌入式打印服务器的硬件电路如图2所示。该电路主要包括以下四部分：①微处理器；②以太网控制器；③打印机接口电路；④串口通讯电路。
　　嵌入式打印服务器需要处理复杂的TCP/IP协议和以太网驱动程序，程序代码较长，但系统要求快速地处理以太网帧，顺利完成数据收发任务。基于以上考虑，微处理器采用***Winbond公司的W77E58，此芯片内核与51系列兼容，内含32K FLASH ROM，指令的执行速度很快，是普通51系列单片机的3～4倍，时钟频率最高可设置为40MHz。此芯片内含三个16位的定时/计数器，两个全双工串行口，一个软件可编程的看门狗定时器。采用软件看门狗技术，可用来提高本系统的抗干扰能力，防止程序跑飞。
　　网卡接口芯片采用性价比较高的全双工的RTL8019AS。此芯片为10M ISA以太网控制器芯片，为100个引脚PQFP封装，内部集成有16MB SRAM，与NE2000兼容，16位数据总线，可配置为8位DMA方式进行数据传输，与8位单片机接口方便。
　　
　　另外，系统还扩展一片62256 RAM和一片24C02 E2PROM。RAM的作用有两个：一是用来缓存从网卡芯片接收下来的数据帧，二是用作打印数据的缓冲和串口通讯数据的缓冲，以提高数据的吞吐率。24C02为串行E2PROM，其容量为2KB，可通过I2C总线与单片机通信，其接口非常简单，只需要通过SCL和SDA两条线与单片机相连即可。其作用是用来存储上位机通过RS232串口下载下来的一些重要参数，如主机的IP地址、子网俺码、网关IP地址等。这里采用MAX232作为RS232的电平转换芯片，完成TTL电平到RS232电平的转换，实现上位PC机与单片机之间的通讯。
　　1.2 软件设计
　　软硬件开发工具分别选用Keil C51编译器和伟福6000仿真器。程序主要包括以下四部分：①以太网驱动程序；②TCP/IP协议解析程序；③打印机接口程序；④串口通讯中断服务程序。图3为主程序流程图。
　　1.2.1 以太网驱动程序
　　首先对RTL8019AS进行复位操作。复位操作有两种方法：冷复位和热复位。
　　（1） 冷复位
　　将W77E58的T0引脚接RTL8019AS的复位端RSTDRV进行复位操作，高电平有效。复位过程将执行一些基本操作，至少需要1μs的时间，推荐等待更久的时间如100ms之后才对它操作，以确保芯片完全复位。
　　
　　（2） 热复位
　　直接将RST8019AS的复位端RSTDRV与单片机的RESET引脚相连，单片机复位的时候，RST8019AS也复位。RST8019AS中地址为18H～1FH的寄存器端口均为复位端口。对以上端口俺数地址读或得写入任何数，都会使网卡芯片复位。
　　复位以后对RST8019AS芯片中某些寄存器进行配置，确定其工作方式。配置好后，就可以开始接收或发送数据了。
　　接收数据包时，采用查询方式将查询程序放在一个大循环中，反复查询是否有新数据包到达，若有则接收下来。编程时应该特别注意的是：RST8019AS接收到的数据包的帧格式与以太网帧格式并不一致，RST8019AS自动填加了接收状态、下一页指针、以太网帧长度三个字段（四个字节），其结构如表1所示。所以编程时需要按照此格式才能正确地接收数据。
　　表1 RTL8019AS接收到的数据包的帧格式
　　接收状态
　　下一页指针
　　以太网帧
　　长度
　　目的MAC
　　地址
　　源MAC
　　地址
　　类型
　　数据域
　　填充
　　校验
　　8bit
　　8bit
　　16bit
　　48bit
　　48bit
　　16bit
　　《=1500byte
　　Data《46byte 补0
　　32bit
　　1.2.2 TCP/IP协议解析程序
　　TCP/IP协议族实际上是许多相关协议的组合，分为不同的层次，每一层分别具有不同的通信功能。TCP/IP协议通常被认为是一个四层的协议系统，
　　
　　包括链路层、网络层、传输层和应用层。在设计中，根据网络打印服务器的具体要求，对TCP协议进行了适当的裁剪，仅实现了图4所示的四个协议：ARP、IP、ICMP、TCP。
　　（1） 链路层协议
　　以太网上数据包的传输是采用网络的MAC地址来进行识别的，这就要求系统能够实现IP地址到MAC地址的转换，即ARP（地址解析）协议。
　　（2） 网络层协议
　　网络层主要负责按网络标准形式封装数据包，然后进行IP路由选择。网络层协议包括IP（网际协议）、ICMP（控制报文协议）和IGMP（组管理协议）。IP协议使网络之间的通信成为可能，如果嵌入式Internet需要跨越不同的网络进行通信，就必须实现IP协议，所以IP协议需要完整实现。IP包最大为65K，可以分段传输，但在嵌入式系统中根本无法容纳如此大的数据包，因此不支持分段传输。单片机一般采用发送小数据包的方式，以避免分段传输。
　　ICMP协议主要用于传递差错报文以及其它需要注意的信息。ICMP中规定了多种协议类型和代码，如果完全实现要浪费不少的系统资源，对于普通的嵌入式Internet应用而言，能够测试网络的连接情况即可，因此只需实现ICMP中类型号为0、代码为0的Ping应答协议即可。
　　（3） 传输层协议
　　传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。传输层有两种不同的传输协议：TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据包协议）。TCP是一种面向连接的协议，它能提供高可靠性服务。通过使用序列号和确认信息，TCP协议能够向发送方提供到达接收方的数据包的传送信息。UDP协议没有保证可靠性的机制，其数据传输率高，可以实现全速发送数据包，但是容易丢包、失序。这里因为是打印服务，对数据的可靠性要求很高。所以必须采用TCP协议。
　　
　　1.2.3 打印机接口程序
　　打印机接口有SPP、EPP和ECP三种标准，其中EPP和ECP的数据传输速度较快。SPP为标准的并行接口标准，目前任何打印机都支持此接口标准，考虑到兼容性的问题，这里采用了SPP接口标准。此接口程序比较简单，编程时可以采用查询方式不断检测打印机的工作状态（BUSY信号），若不忙则输出数据，发出数据选通脉冲（STROBE），通知打印机取数据打印。
　　1.2.4 串口通讯程序
　　串口通讯程序是主要用来完成程序的调试以及嵌入式打印服务器的IP地址、网关和子网俺码等参数的修改。图5为嵌入式系统参数设置界面。
　　
　　2 测试结果
　　在此使用VB6.0编写相应的测试程序。实验证明，此测试程序可以动态地修改嵌入式打印服务器的IP地址等参数，能够顺利PING通，往返时间小于10ms，可以完成数据的打印任务。
　　为了程序调试方便，还编写了串口通讯程序，测试结果和数据可通过串口显示出来，也可以将输出数据保存到硬盘中仔细分析研究。图6为使用串口通讯程序截获的打印输出数据。
　　为了进一步研究，使用Etherdetect Packet Sinffer软件截获了打印过程中通过网络传输的TCP数据，如图7所示。其中的52 54 4c 30 2e 2f为嵌入式打印服务器的MAC地址，192.137.8.178为其IP地址。
　　本文介绍了嵌入式网络打印服务器的设计与实现，分析了其硬件结构和软件设计方法。网络打印服务器只是嵌入式以太网技术的一个具体应用，实际上嵌入式以太网技术还可以在远程控制、数据采集、视频监控等诸多领域大显身手，其应用前景相当广泛。当然，以太网技术也存在一些缺陷，例如其数据包的传输时延不定、受网络性能的影响较大等，现阶段还很应用到实时控制领域，这些问题需要在以后的研究中重要解决。