（毕业论文 字数：24791页数：54）摘要：随着计算机技术与网络技术的发展和普及，以单片机为核心的小型嵌入式设备，己经在工业自动化、办公自动化和楼宇自动化等领域得到了日益广泛的应用。为了实现远程数据采集、远程监控等功能，网络化已成为新一代嵌入式系统发展的一个重要趋势。
本课题是理论与实践相结合。理论部分主要是介绍嵌入式系统的概念、课题研究背景、软件开发平台protel 99SE，根据实际的需求选用具体的设计方案，最后选择适用该方案的单片机T89C51RD2、以太网控制芯片RTL8019AS。实践部分主要是掌握开发工具，设计嵌入式Web服务器模块的系统结构，搭建硬件电路模块，使用protel 99SE完成相关原理图的设计。根据设计好的原理图，对元器件进行封装和设置，转换成PCB电路板图。

关键词：嵌入式系统,Web服务器,单片机,以太网控制芯片

DESIGN HARDWARE OF SIMPLE WEB SERVICES BASED ON THE 51 MCU

ABSTRACT :Along with development and popularization of computer and network technology, pocket embedded equipment with single-chip computer have already applied extensively in industrial automation, official automation and building automation etc. To realize the long-distance data-collected, control and so on, the network has become a trend of the development of new generation embedded system. It has important realistic significance and economic value to research the connection of embedded system and Internet.
Both theory and practice are included in this paper. The main theory is introduced the concept of embedded system, the research background, software platform Protel 99SE, and according to the actual needs of the specific to select good designed options, finally choose microcomputer T89C51RD2 and Ethernet controller chip RTL8019AS for using. Practice is a major part of master developed tools, to design embedded Web Design Module system and the structures of services hardware module, then use Protel 99SE related to the completion of the design drawings. According to the diagram which is designed for packaging and setting the components, converting into PCB circuit board map.

Key Words：Embedded system, Web server, microcomputer, Ethernet controller chip

目录
1 绪论………………………………………………………………....…...…………………1
1.1 嵌入式系统的概念……………………………………………………………………1
1.2 本课题研究背景………………………………………………………………………2
1.3 课题实现的意义…………………………………………………………...…….........2
2 硬件设计的相关平台……………………………………………………………...………3
2.1 EDA主流软件特点及PCB设计工具简介………………………………….…….…4
2.2 开发平台Protel 99SE软件的特性…………………………...………………………6
2.2.1 Protel 99SE的适用范围…………………………………………….…….……6
2.2.2 Protel 99SE的技术优势…………………………………………….…….……6
2.3 本课题采用的实施平台………………………………………………………………7
3 嵌入式WEB服务器的总体分析………………………………………….……...………8
3.1 嵌入式WEB服务器的实现方案…………………………………….………………8
3.1.1 嵌入式系统网络化的几种方案…………………………………..….…………8
3.1.2 实际需求问题分析……………………………………….…….………...……10
3.1.3 Internet接入问题………………………………………………….……...……11
3.2 本课程设计采用的具体方案......................................................................................13.
3.3 嵌入式WEB服务器硬件选型……………………………………………..….……14
3.3.1 硬件接口框图……………………..………………………………….……..…14
3.3.2 单片机的选型……………………………………………………...….….……14
3.3.3 以太网控制器的选型……………………………………………...….….……18
4 嵌入式WEB服务器硬件搭建………………………………………………….….……23
4.1 CPU及相关外围元器件模块………..…………...………………………….………23
4.1.1 8位单片机T89C51RD2电路……………………………………..……..……23
4.1.2 外部存储器62256电路…………………..………………………….…..……26
4.1.3 单片机外扩AT16V8可编程逻辑器件……………………………...….….…27
4.1.4 锁存器74HC573的电路……………………………………..……...…..……28
4.2 以太网控制器RTL8019AS模块...............................................................................29
4.2.1内部RAM地址空间和I/O地址分配...............................................................29
4.2.2 主要引脚功能.....................................................................................................30
4.2.3 以太网接口电路工作方式.................................................................................31
4.2.4 RTL8019AS的DMA操作.................................................................................31
4.2.5 RTL8019AS与单片机的连接............................................................................33
4.3 接入电路模块…………………………………...…………………….....……......…34
4.3.1 单片机外扩X25045 E PROM电路图…………………………..…......……35
4.3.2 单片机UART串口电平转换MAX232电路图……………………….......…36
4.3.3 网络变压器RH61101G......................................................................................37
4.3.3 以太网接口RJ－45硬件接线图…………………………………….......……37
5 嵌入式WEB服务器的PCB图设计………………………………………….......….…39
5.1 元件封装……………………………………................………………….........….…39
5.2 电气规则检查..............................................................................................................40
5.2 网络表生成…………………………………………………………………..............41
5.3 电路PCB板布线和设置……………………….……………………..............…….42
5.4 PCB电路板图……………………………………...……………….….........…….…44
6 总结………………………………………………………………....................................46
致谢……………………………………………………………………...…........……….…47
参考文献………………………………………………………...…………….......…….….48


绪论

1.1 嵌入式系统的概念
嵌入式系统是指嵌入到各种产品或工程应用中的以微控制器或微处理器为核心的软硬件系统。软件部分包括指令系统、实时任务控制系统和一些基于芯片的应用软件；硬件部分包括电路板的设计、电子元器件的集成等。嵌入式系统的软、硬件可裁减性要根据应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的具体要求。嵌入式系统中的主要硬件技术包括半导体器件技术、模拟电路技术、数字电路技术、微处理器和微控制器技术、ASIC和各种半定制器件技术、传感器技术、无线通信技术等，涵盖的范围非常广泛。
硬件的复杂性体现在与硬件相对应的计算需求和对外围设备控制的需求上。计算需求主要是对各种复杂海量数字信号处理的需求。简单的数字信号处理任务可以在普通微处理器上用软件完成，实时要求高的系统需要用DSP 芯片甚至采用硬件计算电路来完成计算任务。在嵌入式系统中加入不同的外围设备，如以太网控制模块等，就会使嵌入式系统的复杂程度大为增加。
嵌入式系统不同于一般的系统，它具有如下的一些特性：
( 1 ）体积小，在智能设备、仪器仪表、信息家电等应用场合，出于对产品的体积、成本等因素的考虑，一般要求将计算机控制部分安装在系统内部，并且要求所占用的空间尽可能地小。
( 2 ）良好的性能价格比。嵌入式系统要求开发周期短，性能优越，良好的性能价格比是在市场上取得优势的关键，这也是嵌入式系统设计的目标之一。
( 3 ）存储容量小。嵌入式系统中一般没有硬盘等设备，而以ROM 、FLASH 存储器作为存储介质，由于FLASH 存储器的价格一般比较贵，并且嵌入式应用要求其体积尽可能小。故其容量一般不能很大。另外，慢速的硬盘设备不能满足一些实时嵌入式应用的要求。
( 4 ）实时性比较强。嵌入式系统，一般作为应用的关键部分，时间特性要求非常严格。在一些应用系统中，超过了一定的时限，即使得出了所需的结果，但效果和没有得出结果是一样的，对应用系统没有作用甚至是有害的。
1.2 本课题研究背景
嵌入式系统最初是为了工业控制计算机而设计，在信息技术产品普及与数字家电兴起后，嵌入式系统已逐渐渗透到我们日常生活中，从信息家电、网络产品，到各种便携式设备，都有它的存在。
嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5－10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元，美国嵌入式系统大会（Embedded System Conference）在1997 年的报告指出，未来5 年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500 亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的“计算能力”已超过了IBM，由此可以想象嵌入式计算机工业的规模和广度。
随着Internet 技术的发展，促进了嵌入式网络设备和产品的市场需求，使这些设备和产品与Internet 相连成为趋势，Internet技术将深入到日常生活和工作所用到的电子设备中。如何以很低的成本将各类智能装置或家用电器与Internet连接起来，以便人们能够远程获得这些电子设备的信息并控制它们的运行，已成为今天信息界关注的焦点。本课题目的是利用计算功能提升宿主设备的性能，使其数字化、智能化以及网络化。嵌入式系统已成为后PC时代IT 产业的主要经济增长点。

1.3课题实现的意义
随着计算机技术与网络技术的发展和普及，各种单片机或微控制器伽(MCU)构成的嵌入式系统，己经在工业自动化、办公自动化和楼宇自动化等领域得到了日益广泛的应用。为了实现远程数据采集、远程监控等功能，网络化已成为新一代嵌入式系统发展的一个重要趋势。目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，它们以MCU为核心，与一些监测、控制、指示设备配合实现各种不同的专用功能。在一般应用领域，嵌入式设备在成本、体积、功耗及实时性能等方面，有着通用计算机无法比拟的优点。如果嵌入式系统能够连接到Internet ，则可以方便、低廉地将信息传送到世界上的任何一个地方。因此，研究嵌入式系统与Internet的接入方法，是新一代网络化嵌入式系统的基础，具有重要的现实意义和经济价值。
如上所述，传统的Internet应用以PC 为中心，但随着信息共享的程度不断提高，当代的Internet 应用则转向以嵌入式设备为中心。嵌入式系统连接到Internet上面会带来很多好处：利用无所不在的互联网络，可以从全球的任何一个角落实现对设备的监控；利用开放的TCP/IP网络通信协议，任何计算机都可以使用通用的网络浏览软件访问设备，而不需要专门的计算机和专门的软件；设备的信息资源可以通过网页的形式显示，并可以使用数据、图表等各种丰富的表现方式。这种具有互联网络接入的嵌入式设备可以极大地扩展应用范围。如信息家电的网络化可以实现冰箱、空调、电饭煲、微波炉等智能相关控制；智能家居网络管理系统可以实现家电远程控制，防火防盗防灾控制和电表、水表和气表的远程抄表等：工业自动化可以实现过程控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统的遥控、遥测等。
但对于以低成本的8 位单片机为核心的小型嵌入式设备，怎样利用方便的Internet 资源，如何将嵌入式设备的信息共享到功Internet上，成为业界的热门话题。同时也是本课题的主要研究意义所在。
2 硬件设计的相关平台

2.1 EDA主流软件特点及PCB设计工具简介
EDA是Electronic Design Automatic的简称,其中文为电子设计自动化。EDA技术是计算机在电子工程技术上的一项重要应用，是电子路线CAD技术基础上发展起来的计算机设计软件系统，它是计算机技术、信息技术和CAM（计算机辅助制造）、 CAT（计算机辅助测试）等技术发展的产物。利用EDA工具，可以大大缩短设计周期，提高设计效率，减小设计风险。对于电路设计师来说，正确地应用仿真分析验证,正确评价仿真分析结果，是有效应用EDA工具、提高设计质量的重要一环。
美商Cadence、Mentor Graphics、Synopsys主宰著EDA行业，是公认的行业三巨头。Cadence独领芯片设计市场风骚；Synopsys在逻辑综合上技压群雄；Mentor领导验证工具市场；较小的公司通过在利基市场（Niche Markets）扮演重要角色而获得成功。例如Zuken是日本的一家老牌EDA公司，它提供的各种工具帮助印制电路板设计商处理各种机电问题，Zuken在PCB/MCM整机系统级设计领域连续多年市场占有率第一。澳商Altium公司在美国市场的销售方面，领先亚洲（不包括日本）的各家公司；它还支持PCB设计商，并把它的工程和销售工作集中在提供各种产品，这些产品帮助工程师设计中低复杂度的产品。Altium是通过收购那些拥有老用户的美国公司（如Protel和PCAD）来发展的。
PCB设计的工具很多，如Protel、OrCAD、PowerPCB、Cadence PSD、Mentor Graphics的Expedition系列等等。大陆EDA工具主要用于PCB版图、时序分析和逻辑综合，使用最多的是Protel，比台湾市场的领导者OrCAD还多。就连三大PCB工具供应商Mentor、Cadence和Zuken也比Altium的市场份额要小。下面对Protel、OrCAD和Expedition做简单介绍。
（1） Protel是Protel公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者的首选软件。它较早在大陆使用，普及率最高。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，现在普遍使用的是Protel99SE，它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如OrCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。Protel软件功能强大、界面友好、使用方便，但它最具代表性的是电路设计和PCB设计。2002年推出的最新版本Protel DXP提供了集成开发环境，支持Top-down设计思想，通过设计文件包的方式将原理图、电路仿真、PCB设计等功能有效得结合；提供了混合电路的仿真功能、丰富的PCB封装库以及全新的FPGA设计功能。
（2） OrCAD是由OrCAD公司於八十年代末推出的EDA软件，它是世界上使用最广的EDA软件，每天都有上百万的电子工程师在使用它，相对於其它EDA软件而言，它的功能也是最强大的。它的元器件库是所有EDA软件中最丰富的，在世界上它一直是EAD软件中的首选。在2003年与Cadence公司合并後的产品OrCAD世纪集成版工作於WIN95/NT环境下，集成了电原理图绘制，印制电路板设计、模拟与数字电路混合仿真等功能，它的电路仿真的元器件库更达到了8500个，拥有几乎所有的通用型电子元器件模块。最新版本OrCAD 10.5让PCB的设计进入更细节阶段，OrCAD PCB Editor是OrCAD PCB Designer最主要和最强大的核心工具，也是由世界先进的Allegro电路板设计系统所研发。OrCAD PCB Editor是一个用来建立及绘制复杂多层的电路板设计平台。而可扩展的功能选项使它对现今市面上的设计及生产需求都能够和完全符合。
（3） Metor Graphics公司的Expedition系列工具是复杂PCB设计解决方案，适合於个人独立设计和小型团队设计。从系统的设计、验证，到PCB的布局布图、生产数据的输出，Expedition系列工具高度集成化降低了用户的工作量，加速了设计流程，缩短了产品的开发周期。按照主要功能或应用场合，Expedition系列分为系统设计工具、系统验证工具、布局布线工具以及生产数据管理工具。Expedition PCB是Expedition 系列中优秀的布局布线工具，它将交互设计和自动布线有机地整合起来。设计师可定义所有设计规则，包括高速布线约束，创建板型，布局，交互布线和自动布线，直到加工文件生成。Expedition PCB没有任何设计规模的限制，没有层的限制、器件数量、网线数量和引脚数的限制，从而给设计师最大的设计空间。