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　　引言
　　
　　嵌入式系統(tǒng)指被嵌入到各種產品或工程應用中的，以微處理器或微控制器為核心的軟硬件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與Internet技術相結合，形成的嵌入式Internet技術是近幾年隨著計算機網絡技術的普及而發(fā)展起來的一項新興技術。它通過現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)，增加因特網接入能力來擴展其功能，創(chuàng)造性地提出以低價位單片機作為微處理器，使嵌入式設備而非PC系統(tǒng)直接接入Internet。在本文中，采用Ubicom公司的SX52單片機外接以太網控制芯片RTL8019AS實現(xiàn)嵌入式Web服務器硬件結構和軟件功能。傳統(tǒng)的基于DCS結構工控系統(tǒng)向嵌入式Web結構轉移，可有效降低成本，這是因為沒有必要開發(fā)專有的GUI，還可以方便zui終用戶，并改善故障檢測和設備維護的遠程訪問能力。
　　
　　1、嵌入式Web服務器硬件設計與實現(xiàn)
　　
　　通常嵌入式系統(tǒng)硬件包括微控制器、存儲器外設器件和I/O端口等，其核心是嵌入式微控制器。為適應上網需求，嵌入式微控制器不僅要能執(zhí)行傳統(tǒng)的控制功能，還要能執(zhí)行與連接因特網相關的功能，而Ubicom公司的SX52芯片能比較容易地實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，所以我們選擇它作為微控制器。
　　
　　實現(xiàn)嵌入式設備接入Internet，從原則上來講zui關鍵的就是要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，還有一人關鍵的問題就是傳輸信息媒質的選擇。我們采用zui常用的連接模式，即通過以太網連接Internet，利用網絡接口控制器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。嵌入式系統(tǒng)應用zui廣泛的網絡驅動芯片就是NE2000兼容系列網絡芯片，它具有接口方便、驅動簡單、占用資源少等優(yōu)點，特別適合嵌入式系統(tǒng)。我們選用其中性能較了，供貨比較穩(wěn)定的RTL8019AS芯片。嵌入式Web服務器硬件結構框圖如圖1所示。
　　
　　嵌入式Web服務器用SX52微控制器作為處理器，以太網驅動芯片RTL8019AS經耦合隔離濾波器HR61101G和RJ45接口接入以太網，配有RS232和CAN總線兩個擴展接口，可以將具有RS232接口的設備或采用CAN總線協(xié)議通信的設備連到以太網上。RS232接口采用MAX232CPE芯片，CAN總線控制器采用Philips公司的SJA1000芯片，CAN收發(fā)器則采用了Philips公司的PCA82C250。
　　
　　數(shù)據(jù)的流向為：請求和控制信息從局域網中來，通過RJ45送到RTL8019AS，RTL8019AS負責將以太網幀的首部和尾部信息剝離，將處理后的數(shù)據(jù)包送入SX52的TCP/IP協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)報進行解析，得到原始的請求和控制信息。請求和控制信息再經過SJA1000進行CAN協(xié)議格式的數(shù)據(jù)封裝，再和現(xiàn)場的CAN總線設備進行通信。請求和控制的回復局域網的過程與上面正好相反。圖2為Web服務器主要芯片連接電路簡圖。
　　
　　SX52有5個I/O口，共40個引腳。在設計中，利用SX52的C口的RC0～RC7連接RTL8019AS的數(shù)據(jù)口SD0～SD7；SX52的B口兼顧選址和讀寫控制功能，在開發(fā)中用它與RTL8019AS的地址及讀寫控制引腳連接。在確保通信功能順利實現(xiàn)的同時，充分利用了SX52芯片I/O口靈活配置的特點，zui大程序地節(jié)約了微控制器SX52的硬件資源。
　　
　　
　　RTL8019AS基地址選擇引腳IOS0～IOS3接地，此時I/O基地址為300H，即001100000000，所以地址線SA9、SA8接+5V。因為寄存器地址偏移量為00H～1FH共32個，對應地址從300H到31FH，所以只需將地址線SA0～SA4接SX52的RB0～RB4，其余地址線接地即可。芯片IORB、IOWB引腳為讀寫信號線，接SX52的RB6、RB5讀寫控制引腳。
　　
　　RTL8019AS可以兼容8位和16位操作。圖2中IOCS16是16位I/O的選擇腳。當RTL8019AS上電復位的時候，如果這個腳為低電平，RTL8019AS將選擇8位模式；如果這個腳為高電平，RTL8019AS將選擇16位的模式。由于SX52是8位的數(shù)據(jù)總線，因此要用8位總線模式（每次讀入或寫入1個字節(jié)，只需8根數(shù)據(jù)線SD0～SD7），所以將這個腳接地。
　　
　　RTL8019AS有3種工作方式：*種為跳線方式，芯片的I/O和中斷由跳線決定；第二種即插即用方式，由軟件進行自動配置；第三種為免跳線方式，芯片的I/O和中斷由外接的93C46里的內容決定。常用網卡上的RTL8019AS一般只支持第二種和第三種方式。在嵌入式應用的場合，為降低成本，同時又減少連線，不使用93C46。本設計中使用*種方式，此時JP引腳接高電平。
　　
　　AUI引腳決定使用AUI還是BNC接口。高電平時使用AUI接口，低電平時使用BNC接口，支持8線雙絞線或同軸電纜。本設計中采用雙絞線為通信介質，將該引腳接地。
　　
　　RTL8019AS使用引腳TPIN+、TPIN-、TPOUT+和TPOUT-連接耦合隔離濾波器HR61101G，利用RJ45插頭實現(xiàn)與以太網的連接。
　　
　　SJA1000是獨立的CAN通信控制器，支持CAN2.0B協(xié)議，其工作頻率為6～24MHz。它的AD0～AD7為地址數(shù)據(jù)復用線，與SX52的D口RD0～RD7相連。當遠端用戶通過Web服務器查詢現(xiàn)場的CAN總線數(shù)據(jù)時，SJA1000負責將現(xiàn)場控制單元的CAN總線數(shù)據(jù)解析，發(fā)送到SX52，再傳到網上。
　　
　　PCA82C250是CAN協(xié)議控制和物理總線的接口，它對總線提供發(fā)送能力，并對CAN控制器提供接收能力，它支持1Mbps速度。為保證SX52與SJA1000協(xié)同工作，在硬件設計中們將兩個芯片共同一個硬件復位線，確保SX52與SJA1000硬件同步復位。
　　
　　AT24C256是I2C總線的EEPROM，通?？梢杂脕泶鎯τ脩舻囊恍┰O置，比如IP地址、網關等。在本設計用它存儲靜態(tài)網頁。SCL接SX52的RA4腳，SDA接SX52的RA5腳。
　　
　　MAX232CPE完成232電平與TTL電平轉換，提供一個本地接口，為調試和維護提供方便。TXD接SX52的RA5腳。
　　
　　MAX232CPE完成232電平與TTL電平轉換，提供一個本地接口，為調試和維護提供方便。TXD接SX52的RA2腳，RXD接SX52的RA3腳，RS-RXD和RS-TXD是RS232電平，為標準串口電平。數(shù)據(jù)可以從串口輸入到單片機SX52，SX52再把數(shù)據(jù)送到RTL8019AS傳出去。
　　
　　2、嵌入式Web服務器軟件設計與實現(xiàn)
　　
　　2.1以太網接口驅動程序的實現(xiàn)
　　
　　要將嵌入式Web服務器接入以太網，就要對RTL8019AS進行編程，完成以太網幀的數(shù)據(jù)收發(fā)，相當于實現(xiàn)PC機中網卡的驅動程序功能。以太網控制器驅動程序用于設置RTL8019AS的工作狀態(tài)和工作方式，分配收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，通過對地址及數(shù)據(jù)口的讀寫來完成以太網幀的接收與發(fā)送。首先要對RTL8019AS進行復位，并將其設置為跳線模式；然后對RTL8019AS的工作參數(shù)進行設置，以使其開始工作；接下來就讀寫RTL8019AS的RAM以完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。程序流程如圖3所示。
　　
　　2.2嵌入式Web服務器TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)
　　
　　TCP/IP協(xié)議棧是SX虛擬外設的一個重要實現(xiàn)，是基于SX處理器的應用系統(tǒng)與Internet實現(xiàn)互聯(lián)的基礎。通過這些協(xié)議棧，可以更加方便地開發(fā)基于Internet的嵌入式應用系統(tǒng)。
　　
　　以太網數(shù)據(jù)的傳輸是采用MAC地址來識別的，而ARP協(xié)議提供IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用MAC地址之間的轉換功能。為了保證系統(tǒng)在太網的通信，首先要實現(xiàn)ARP協(xié)議。由于嵌入式Web服務器要能在Internet上通信，在網絡層一定要實現(xiàn)IP協(xié)議，還要實現(xiàn)能報告數(shù)據(jù)傳送差錯等情況的ICMP協(xié)議。在應用層，主要實現(xiàn)遠端主機通過瀏覽器的訪問控制方式，所以要實現(xiàn)HTTP協(xié)議；而HTTP協(xié)議是基于TCP協(xié)議實現(xiàn)傳輸?shù)?，加上TCP協(xié)議是面向可靠的數(shù)據(jù)流的傳輸，基于應用的需要對可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對TCP協(xié)議進行了簡化處理，主要針對HTTP協(xié)議開發(fā)TCP協(xié)議。
　　
　　圖4為TCP/IP協(xié)議棧主流程圖。系統(tǒng)初始化后，進入主程序循環(huán)部分。主程序循環(huán)包括兩大部分：對接收到的以太網數(shù)據(jù)幀進行解包和對欲發(fā)送的數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送。對接收到的以太網數(shù)據(jù)幀進行解包，供應用程序使用；對欲發(fā)送的數(shù)據(jù)進行打包，將數(shù)據(jù)以以太網數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送出去，使采用TCP/IP協(xié)議的以太網內所有計算機能收到此數(shù)據(jù)幀。
　　
　　
　　2.3嵌入式Web服務器應用程序的實現(xiàn)
　　
　　工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)經嵌入式Web服務器上傳到以太網才能被用戶利用，因此網絡用戶和Web服務器之間通信程序的開發(fā)也是本課題中很重要的一部分。課題中嵌入式Web服務器實現(xiàn)的功能主要是現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)發(fā)布功能。實時數(shù)據(jù)包括溫度、設備運行狀態(tài)信息、通信狀態(tài)信息、時鐘信息等。嵌入式Web服務器將實時數(shù)據(jù)以網頁形式發(fā)布到Internet上，遠方客戶通過接入Internet瀏覽該服務器發(fā)布的工業(yè)現(xiàn)場實時信息。本設計采用Brower/Server（簡稱B/S）開發(fā)模式。用這種方式開發(fā)嵌入式Web服務器應用程序具有很多優(yōu)點。比如降低客戶端的要求，方便客戶端的分布使用，客戶端的開發(fā)和維護費用降低等。但是因為SX單片機的資源有限，在用單片機搭建的服務器上編程實現(xiàn)實時動態(tài)數(shù)據(jù)的瀏覽任務較重。在服務器端運行程序，速度也受到限制，加上網頁界面或程序結構的單方面調整都將導致整個系統(tǒng)全盤修改，系統(tǒng)的靈活性與可擴展性差。在設計中，如果僅僅采用B/S訪問方式，其功能是難以*完成的。針對應用傳統(tǒng)B/S模式開發(fā)Web服務器應用軟件的弊端，提出了改進方案。
　　
　　為克服傳B/S訪問模式的弊端，做了以下兩點改進。
　　
　　①采用套接字編程，實現(xiàn)部分服務器程序在客戶端運行，在客戶端瀏覽器實現(xiàn)動態(tài)網頁顯示實時數(shù)據(jù)。在改進方案中，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的實時瀏覽采用了Javaapplet技術。
　　
　?、诓辉賹TML語言寫入匯編程序，在瀏覽器端解板成網頁，而是利用嵌入式Web服務器擴展的EEPROM24C256與SX52相連，用來存儲要瀏覽的Web文件。當瀏覽器與Web服務器交互時，利用HTTP協(xié)議通過統(tǒng)一資源定位器URL來確定Web服務器應該為瀏覽器提供哪些資源。
　　
　　這種改進方案在訪問模式上還是通過瀏覽器訪問嵌入式Web服務器，在通信模式上卻利用了C/S（Client/Server）模式，其于套接字來編程，即所謂的B/S和C/S相結合模式。圖5為B/S和C/S結合模式的原理。
　　
　　通過B/S方式訪問Web服務器上的靜態(tài)網頁，在個網頁中嵌有Javaapplet文件?？蛻舳说腎E瀏覽器瀏覽這個網頁時，會把網頁中標識的Javaapplet源程序下載到客戶端執(zhí)行。在Javaapplet源程序中，創(chuàng)建了一個套接字來完成與服務器的通信（前提是在Web服務器上同時運行一個相應的服務器監(jiān)聽程序），主要是獲取實時數(shù)據(jù)，用于在瀏覽器中顯示。事實上，Javaapplet中的Socket通信是一個典型的C/S訪問方式。
　　
　　通過這種B/S和C/S相結合的訪問方式，能夠很好的實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的動態(tài)瀏覽。特別是這種實現(xiàn)方式秉承了B/S和C/S兩者的優(yōu)點，具有很大的靈活性。
　　
　　以下是服務器與客戶端applet通信具體實現(xiàn)過程。
　　
　?、賱?chuàng)建Socket。用tcbLocalPortMSB和tcbLocalPortLSB設置服務器監(jiān)聽端口號，具體設為8080；用myIP3～0設置服務器IP址，具體設為192.168.1.111。
　　
　?、趯⒎掌髟O為Listen監(jiān)聽狀態(tài)，等待接收客戶端連接。用TCPAPI函數(shù)建立被動連接代碼如下：
　　
　　TCPAppInit
　　
　　BankTCB_BANK
　　
　　MovtcbLocalPortLSB,#APPLET_PORT_LSB；設置TCP服務端口
　　
　　MovtcbLocalPortMSB,#APPLET_PORT_MSB
　　
　　Jmp@TCPAppPassiveOpen；跳轉到TCP被動連接程序，進行端口偵聽
　　
　　_TCPAppPassiveOpen
　　
　　_bankTCP_BANK
　　
　　movtcpState,#TCP_ST_LISTEN
　　
　　clrtcpUnAckMSB
　　
　　clrtcpUnAckLSB
　　
　　retp
　　
　?、郛擳CP的狀態(tài)為established時，雙方連接建立，可以開始傳輸數(shù)據(jù)。此時產生新的套接字，用來管理遠端客戶機服務，原來的端口繼續(xù)用來監(jiān)聽。
　　
　?、軘?shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送的兩問好。接收數(shù)據(jù)時，用TCPAppRxBytes（）函數(shù)獲得接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，根據(jù)得到的字節(jié)數(shù)多次調用TCPAppRxData（）函數(shù)接收數(shù)據(jù)，在全部數(shù)據(jù)接收完畢后可以在TCPAppRxDone（）函數(shù)中做相應的處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先調用函數(shù)TCPAppTxBHytes（）設置要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，根據(jù)此字節(jié)數(shù)調用TCPAppTxData（）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后調用TCPAppTxDone（）函數(shù)確認。其中采集的動態(tài)數(shù)據(jù)保存在變量globTemp3中。
　　
　?、莓擳CP狀態(tài)為closed時，服務器關閉連接，不再發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。程序具體實現(xiàn)時，設定客戶端和服務器端連接建立后，服務器端即向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。
　　
　　3、結論
　　
　　本文所設計的嵌入式Web服務器，采用改進的Web應用程序開發(fā)模式，用Javaapplet實現(xiàn)客戶端程序，不用在客戶端應用程序，方便用戶使用；能取代傳統(tǒng)的工控機和接口卡，實現(xiàn)現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)直接上網，小巧輕便，成本低。
　　
　　該Web服務器不僅可以廣泛應用于工業(yè)控制領域，實現(xiàn)小型工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)網絡化，還可以實現(xiàn)智能儀器、智能園區(qū)、環(huán)境工程、植物工廠、工業(yè)制冷等方面的應用。