一種嵌入式WEB服務器的設計與實現(xiàn)

摘要：介紹了一種嵌入式WEB服務器的設計與實現(xiàn)，實現(xiàn)了以太網與CAN總線網絡的直接互連，使用戶可以使用PC機通過Internet進行遠程訪問和控制Web服務器，從而能夠將工業(yè)現(xiàn)場測控層監(jiān)測設備得到的數(shù)據方便快捷地送到異地的管理監(jiān)控層。 關鍵詞：WEB服務器 以太網 CAN總線 在企業(yè)自動化的工業(yè)現(xiàn)場，下層車間的監(jiān)測設備之間都是采用現(xiàn)場總線相互連接，而企業(yè)的管理層和生產監(jiān)控層都是連于以太網的PC，甚至是位于異地的連于互連網上的PC。為了使工業(yè)現(xiàn)場的現(xiàn)場總線上的設備和管理監(jiān)控層之間的PC能夠通信，同時改善故障檢測和設備維護的遠程訪問能力，筆者在CAN總線網與以太網的互連系統(tǒng)中設計了一個嵌入式WEB服務器。 1 嵌入式WEB服務器硬件設計 通常嵌入式系統(tǒng)硬件包括微控制器、存儲器及外設器件和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具有傳統(tǒng)的控制功能，還要具有與因特網連接的功能。而Ubicom公司的SX52芯片能比較容易實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議，選擇它作為微控制器。關于傳輸媒質，采用最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RTL8019AS實現(xiàn)數(shù)據鏈路層協(xié)議。RTL8019AS采用臺灣Realtek公司生產的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SJAl000芯片，CAN收發(fā)器采用Philips公司的PCA82C250。圖1數(shù)據的流向為：請求和控制信息從局域網中來，通過nJ45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)據包送入SX52的TCP／IP協(xié)議棧，由協(xié)議棧對數(shù)據包進行解析，得到原始的請求和控制信息。請求和控制信息再經過SJAl000進行CAN協(xié)議格式的數(shù)據封裝，再與現(xiàn)場的CAN總線設備進行通信。請求和控制的回復信息到局域網的過程正好相反。 在嵌入式WEB服務器的硬件設計中，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，最大程度地節(jié)約了微控制器SX52的硬件資源。 圖2為WEB服務器主要芯片連接電路簡圖，結合本圖詳細分析系統(tǒng)硬件設計。 1．1 RTL8019AS驅動程序實現(xiàn) RTLS019AS是臺灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10Mbps以太網控制芯片，實現(xiàn)了基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO完成數(shù)據包的接收和發(fā)送功能。在網關設計中，使用跳線模式(JP置為高)來硬配置RTLS019AS為8位模式；使用了RTL8019的低五位地址線A0～A4以及低8位數(shù)據線D0～D7。為滿足RTL8019AS的ISA時序，RTL8019AS高端地址A5～A19須設置為0X300。SX52的B口的B0～B4腳作為地址線連接RTL8019AS的低5位地址線，B5～B7作為控制線分別連接讀寫時序控制腳IORB、IOWB、IOCHRDY；C口作為數(shù)據線連接RTLS019AS的低8位數(shù)據線；A口保留，用作日后擴展。設計中采用AT24C64這樣一個8KB的EEPROM來保存WEB服務器的配置信息，如網關IP地址、MAC地址和SJAl000的ID網絡標示符、網絡掩碼AMR和總線定時(BTR0、BTR1)等。這樣就能夠靈活方便地修改網關參數(shù)，適應不同環(huán)境，同時也考慮到以后的擴展。圖2要實現(xiàn)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)據收發(fā)，相當于實現(xiàn)PC機中網卡的驅動程序功能。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；接下來讀寫RTL8019AS的RAM以完成數(shù)據包的接收和發(fā)送。程序流程如圖3所示。 1．2 TCP／IP協(xié)議棧的實現(xiàn) 并不是所有的協(xié)議在嵌入式WEB服務器中都要實現(xiàn)，應根據項目要求有選擇地加以實現(xiàn)。以太網數(shù)據的傳輸采用MAC地址來識別，而ARP協(xié)議提供IP地址和數(shù)據鏈路層使用的MAC地址之間的轉換功能，為了保證系統(tǒng)在以太網的通信，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)據流的傳輸，基于應用的需要和對可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對TCP協(xié)議進行簡化處理，主要針對HTTP協(xié)議開發(fā)TCP協(xié)議。由于嵌入式系統(tǒng)的資源有限，因此將TCP／IP協(xié)議最大幅度精簡，以提高程序的運行速度，減少在SX52存儲器中占用的空間。TCP／IP協(xié)議棧主流程圖如圖4所示。精簡協(xié)議主要遵循以下兩個原則： (1)協(xié)議內容精簡 嵌入式WEB服務器的實現(xiàn)需要ARP、IP、TCP、ICMP等網絡協(xié)議的支持，每一個完整協(xié)議都很龐大，在存儲容量并不大的SX52上全部實現(xiàn)是不現(xiàn)實的。應該在保證實現(xiàn)網絡通信基本功能的前提下盡可能地精簡協(xié)議，確定出協(xié)議的哪一部分是必需的，哪一部分可以省略，以滿足系統(tǒng)要求。 (2)協(xié)議接口層次明確 TCP／IP協(xié)議分布在鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層上，是分層實現(xiàn)的，每一層只負責處理通信過程中的一部分問題，其它層不能實現(xiàn)其功能。采用模塊化的設計思路，如果需要修改哪個協(xié)議，只需修改相應模塊的功能，其它模塊不用改動。協(xié)議分層簡化了程序的設計和調試，每層的協(xié)議相互獨立，使協(xié)議的開發(fā)更高效。在網絡系統(tǒng)中，按照分層的思想，從網絡最底層開始每一層都為高層提供服務，明確層間接口對軟件開發(fā)十分重要。 2 嵌入式WEB服務器應用程序的實現(xiàn) Brower／Server(簡稱B／S)模式已經成為流行的開發(fā)模式，課題中的嵌入式WEB服務器要實現(xiàn)的功能主要是現(xiàn)場實時數(shù)據發(fā)布功能。B／S訪問模式是WEBServer和Browser之間的直接訪問?？蛻艉头掌鏖g的中間節(jié)點不對HTTP請求及響應做任何操作，只需在客戶端采用如IE這樣的瀏覽器對服務器上的數(shù)據進行瀏覽，不用開發(fā)客戶端程序。采用B／S結構具有如下優(yōu)勢： %26;#183;具有分布性特點，可以隨時隨地進行業(yè)務處理； %26;#183;系統(tǒng)維護或升級只在服務器端，對客戶端無須進行改動，只需要改變服務器端網頁，即可實現(xiàn)所有用戶的同步更新，易于維護和升級； %26;#183;開發(fā)簡單，共享性強。圖4B／S訪問模式只需對服務器端程序進行開發(fā)。在服務器端形成動態(tài)網頁最常用的工具有ASP和JSP。由于采用的嵌入式芯片SX52只有4KB存儲容量，在SX52中既實現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧，又實現(xiàn)ASP和JSP的功能是很困難的。所以可以采用字節(jié)傳輸方式針對SX52用匯編語言編程實現(xiàn)動態(tài)網頁。 Java applet能夠被傳送到瀏覽器并且在瀏覽器所在的本地機上運行。本設計正是利用了這一特性改進了傳統(tǒng)的B／S模式設計出的應用程序，Java applet對于管理和處理動態(tài)數(shù)據也是一種行之有效的技術。Java applet能實時表示從輪詢得到的更新信息，利用這個特性顯示實時數(shù)據。所以程序客戶端采用Java applet設計實現(xiàn)。 嵌入式WEB服務器接入以太網時，在程序中設置了自身的IP地址和MAC地址，可以與局域網上任一臺微機通信。服務器端主要實現(xiàn)兩部分功能：利用HTTP協(xié)議實現(xiàn)網頁瀏覽功能和利用套接字編程實現(xiàn)與客戶端applet通信的功能。服務器程序用SX52的匯編語言實現(xiàn)。 在WEB服務器中實現(xiàn)HTTP協(xié)議才能實現(xiàn)網頁文件的瀏覽。方案中將WEB服務器上擴展的EEPROM與SX52相連，用來存儲要瀏覽的WEB文件，EEPROM里的WEB內容采用原始數(shù)據的形式存儲，沒有進行封裝和編碼。文本內容以ASCⅡ碼形式存儲，圖像內容以二進制數(shù)據形式存儲。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）