基于嵌入式的通用型WEB服務(wù)器的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在全球普及。嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)師也已經(jīng)把嵌入式設(shè)計(jì)普遍用于專用的、非PC的設(shè)備中。嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)相互結(jié)合產(chǎn)生了嵌入式Internet技術(shù)。嵌入式Intemet技術(shù)已成為當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它的許多方案都在不斷地被提出和驗(yàn)證著。嵌入式Internet技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，它的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括智能公路、信息家電、工業(yè)自動(dòng)化、電子商務(wù)和設(shè)備管理等。嵌入式WEB服務(wù)器的主要設(shè)計(jì)思想就是將嵌入式系統(tǒng)和WEB技術(shù)結(jié)合起來，將WEB技術(shù)引入到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和控制設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)基于嵌入式WEB服務(wù)器的控制系統(tǒng)。用戶可以通過現(xiàn)有的公共通信網(wǎng)絡(luò)，使用標(biāo)準(zhǔn)的WEB瀏覽器作為接口直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備進(jìn)行訪問，監(jiān)控和維護(hù)等操作，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)設(shè)備之間的跨平臺(tái)互訪。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)采用當(dāng)前流行的B/S結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和改造。實(shí)質(zhì)上B/S結(jié)構(gòu)是一種特殊的C/S結(jié)構(gòu)，所不同的是，在B/S結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)主要功能都在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，瀏覽器是客戶端，提供用戶接口，將用戶的請(qǐng)求傳遞到服務(wù)器，并將服務(wù)器的響應(yīng)展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

分析嵌入式系統(tǒng)的具體情況，發(fā)現(xiàn)對(duì)于一般的嵌入式系統(tǒng)，基本的功能需求大體上分為兩大類，可以用兩個(gè)字來概括“監(jiān)控”。

（1）嵌入式服務(wù)器端包含———“監(jiān)”功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于上行的數(shù)據(jù)流，通過嵌入式服務(wù)器端包含技術(shù)（ESSI）來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中，自定義了一條ESSI指令“DATA”，用來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示，該指令的語法如下： 《 DATA var = state func = Get-State》，該指令與標(biāo)準(zhǔn)的HTML標(biāo)記兼容，其屬性有兩個(gè)，分別為var和func， var表示設(shè)備的狀態(tài)名稱，一個(gè)設(shè)備可以定義多個(gè)狀態(tài)名; func管理接口函數(shù)，用來獲得相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)信息，原型為uint8* func（ ）。

（2）嵌入式通用網(wǎng)關(guān)接口———“控”功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于下行的控制流，通過嵌入式通用網(wǎng)關(guān)接口（ECGI）來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。在需要向嵌入式設(shè)備下達(dá)控制命令的情況下，借助表單的POST方法向服務(wù)器傳遞數(shù)據(jù)，表單的語法格式如下：

表單的name屬性指定了管理接口函數(shù)名，此函數(shù)用來處理表單數(shù)據(jù)，原型為void TestForm（uint8*

content）， content是瀏覽器傳送過來的參數(shù);表單的另一個(gè)屬性method指定了瀏覽器向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)的方式。例如：

包含有上述表單的HTML文件傳送到瀏覽器之后，網(wǎng)頁上出現(xiàn)三個(gè)編輯框和一個(gè)submit按鈕，用戶在編輯框中輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊submit按鈕后，瀏覽器向Web服務(wù)器傳送以下內(nèi)容：

var1=value1&var2=value2&var3=value3&Go=OK

3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件原理框圖

系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖3所示，嵌入式處理器LPC2292處于中心位置，設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器打包后，經(jīng)由RTL8019AS發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，用戶的控制命令經(jīng)過RTL8019AS傳遞到處理器LPC2292，再由處理器控制相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。

3.2嵌入式處理器

嵌入式處理器采用了Philips公司的基于ARM7TDMI內(nèi)核的處理器LPC2292，該處理器具有16 kB片內(nèi)靜態(tài)RAM和256 kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器;可以通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP），編程速度快， 512字節(jié)行編程時(shí)間為1ms，單扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400ms;同時(shí)還內(nèi)置豐富的外設(shè)接口，極大的簡(jiǎn)化和方便了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.3網(wǎng)絡(luò)接口芯片

網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用Realtek公司的RTL8019AS，它是一種高度集成的以太網(wǎng)控制芯片，能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)Plug and Play并兼容NE2000、掉電等特性。同時(shí)還支持全雙工模式，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同時(shí)發(fā)送和接收。RTL8019AS芯片內(nèi)部集成了DMA控制器、ISA總線控制器和16K SRAM、網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器。

3.4其它模塊

RS232電路有兩個(gè)作用，首先可以用作在系統(tǒng)編程（ISP），方便了LPC2292中軟件的升級(jí)和調(diào)試，提高了效率;其次，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，充當(dāng)與外界通訊的一個(gè)通道。I2C和CAN電路可以用于擴(kuò)展外圍設(shè)備，完成系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制任務(wù)和數(shù)據(jù)采集任務(wù)等。

4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件主要由以下幾個(gè)部分組成：嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式TCP/IP協(xié)議棧、嵌入式Web服務(wù)器。

4.1嵌入式操作系統(tǒng)

為了滿足多任務(wù)和實(shí)時(shí)性的要求，本系統(tǒng)移植了嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II，并針對(duì)系統(tǒng)的具體情況和相應(yīng)軟硬件資源的情況，做了適當(dāng)?shù)牟眉艉托薷摹?/p>

4.2嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

為了搭建一個(gè)Web服務(wù)器平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是必不可少的。TCP/IP協(xié)議是目前廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，并且成了事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的簡(jiǎn)易TCP/IP協(xié)議棧，該協(xié)議棧利用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)和可重入的特性，并且完全使用ANSIC進(jìn)行編寫，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)充分考慮了重用性和可移植性，可以像μC/OS-II那樣支持多種CPU。

4.3嵌入式Web服務(wù)器

在整個(gè)軟件體系中，嵌入式Web服務(wù)器處于最上層，在它之下的是上述的嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。嵌入式Web服務(wù)器除了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)文檔以外，還利用嵌入式服務(wù)器端包含（ESSI）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)文檔，從而支持實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài);此外，通過嵌入式通用網(wǎng)關(guān)接口（ECGI）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了瀏覽器端數(shù)據(jù)向服務(wù)器的傳遞，從而為對(duì)系統(tǒng)的控制提供了數(shù)據(jù)通道。

4.3.1嵌入式Web服務(wù)器層次模型

如圖4所示，嵌入式Web服務(wù)器包含四個(gè)層次，分別為套接字層、協(xié)議解析層、功能模塊層和用戶定義層。套接字層負(fù)責(zé)本系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)收發(fā);協(xié)議解析層負(fù)責(zé)解析HTTP協(xié)議，從中獲取有效數(shù)據(jù)或按照HTTP協(xié)議要求，生成HTTP協(xié)議報(bào)文;功能模塊層有三個(gè)部分，分別是嵌入式文件系統(tǒng)（EFS）、嵌入式服務(wù)器端包含（ESSI）、嵌入式通用網(wǎng)關(guān)接口（ECGI）;用戶定義層的三個(gè)部分由用戶（開發(fā)人員）自定義，從而在不改變其他模塊的情況下，增加、減少或修改系統(tǒng)的功能，使得系統(tǒng)具有二次開發(fā)功能。

4.3.2嵌入式文件系統(tǒng)

為了方便Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式文件系統(tǒng)［10-12］用來存儲(chǔ)網(wǎng)頁。此文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、效率高，所有文件被集合成一個(gè)順序結(jié)構(gòu)，文件系統(tǒng)中每個(gè)文件包含一下幾個(gè)域：HEAD，文件報(bào)頭，兩個(gè)字節(jié)，標(biāo)記一個(gè)文件的開始（0xFA， 0xF3）;NAME，文件名，長(zhǎng)度不定，以NULL結(jié)尾; SIZE，文件長(zhǎng)度，四個(gè)字節(jié)，指示文件長(zhǎng)度（以字節(jié)為單位）;FILE，文件內(nèi)容，長(zhǎng)度由SIZE指定。

4.3.3用戶定義層

用戶定義層為用戶開放了系統(tǒng)的編程接口，包括三個(gè)方面：

（1）文件系統(tǒng)構(gòu)造。當(dāng)用戶需要更改Web服務(wù)器的網(wǎng)頁時(shí)，只需在PC上用任何一種網(wǎng)頁設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)好網(wǎng)頁，然后用ConverFile工具轉(zhuǎn)化稱fiLEData. c，即完成了文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（2）ESSI變量定義。如需在瀏覽器上顯示設(shè)備的工作狀態(tài)等信息，可為每個(gè)狀態(tài)定義一個(gè)變量，并綁定一個(gè)能夠返回該狀態(tài)值的函數(shù)即可。

（3）ECGI句柄定義。為了在服務(wù)器端獲得用戶的命令信息，需要為每一個(gè)命令定義一個(gè)虛擬網(wǎng)址，并綁定該網(wǎng)址到一個(gè)服務(wù)器端的函數(shù)，該函數(shù)獲得瀏覽器端發(fā)送過來的參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的命令。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證方案的可行性和實(shí)用性，在上述的軟硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，搭建了一個(gè)測(cè)試環(huán)境：在ARM處理器上外接八個(gè)LED指示燈，通過嵌入式Web服務(wù)器顯示并控制每一個(gè)LED指示燈的亮和滅。系統(tǒng)測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖5所示，該網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)網(wǎng)段組成，用一臺(tái)路由器連接，網(wǎng)段一的地址為172. 18. 136. 0/24，段內(nèi)連接終端1和嵌入式設(shè)備，網(wǎng)段二的地址為172.18. 135. 0/24，段內(nèi)連接終端2和終端3，具體的地址分配如圖5所示。嵌入式Web服務(wù)器運(yùn)行在IP地址為172. 18. 136. 8的嵌入式設(shè)備上，測(cè)試結(jié)果如圖6。結(jié)果表明，無論是在同一網(wǎng)段內(nèi)的終端1上訪問嵌入式Web服務(wù)器，還是在不同網(wǎng)段的終端2和終端3上訪問嵌入式We服務(wù)器，系統(tǒng)都可以正常、穩(wěn)定地運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式設(shè)備的監(jiān)控功能。

以上設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的通用嵌入式Web服務(wù)器模塊，可移植到多種ARM7系列的處理器上，采用此模塊可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加快開發(fā)速度，具有一定的應(yīng)用前景。