基于ARM嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 亞

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。嵌入式Web服務(wù)器EWS（Embedded Web Server）是指將Web服務(wù)器引入到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和控制設(shè)備中，在相應(yīng)的硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)的支持下，使傳統(tǒng)的測(cè)試和控制設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議、Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和控制設(shè)備。嵌入式Web服務(wù)器簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)服務(wù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它在嵌入式設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)接口的功能。嵌入式Web服務(wù)器基于HTTP協(xié)議運(yùn)作，有標(biāo)準(zhǔn)的接口形式和通信協(xié)議。它可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò)的合法用戶提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面。Web技術(shù)的開(kāi)放性和平臺(tái)獨(dú)立特性能夠降低開(kāi)發(fā)難度，減少軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)維護(hù)工作量，提高了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和控制設(shè)備的管理水平。

1 嵌入式Web服務(wù)器的主要特點(diǎn)

在工業(yè)設(shè)備上嵌入Web服務(wù)器，使得設(shè)備能與現(xiàn)今最大的網(wǎng)絡(luò)Internet無(wú)縫連接，無(wú)需專用的線路。通信介質(zhì)是以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，能有最大的普及范圍；傳輸內(nèi)容不僅限于數(shù)據(jù)，還有圖像、聲音等多媒體信息；通信協(xié)議（HTTP）是標(biāo)準(zhǔn)的而且是公開(kāi)的，其獨(dú)立于系統(tǒng)平臺(tái)；所使用的超文本標(biāo)記語(yǔ)言（HTML）具有統(tǒng)一性，標(biāo)準(zhǔn)化界面獨(dú)立于客戶端的軟件硬件平臺(tái)，極大地節(jié)省了客戶端的開(kāi)發(fā)工作；所使用的Web架構(gòu)具有開(kāi)放性和平臺(tái)獨(dú)立性，能夠大大降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作量。同時(shí)，還能提供大量工具和函數(shù)庫(kù)減少開(kāi)發(fā)的工作量。在客戶端使用任意與Internet互連的標(biāo)準(zhǔn)PC（標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器）就可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地訪問(wèn)。嵌入式Web服務(wù)器具有通用性，這使得它能夠嵌入到任何設(shè)備中。通過(guò)應(yīng)用程序接口，服務(wù)器可以運(yùn)行程序去實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能，這是普通的監(jiān)控方式不能相比的。它具有可擴(kuò)展的特性，通過(guò)應(yīng)用程序接口實(shí)現(xiàn)各種具體的應(yīng)用。此外，它還具備升級(jí)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。

2 嵌入式Web服務(wù)器的應(yīng)用

嵌入式Web服務(wù)器是應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)上的Web服務(wù)器機(jī)構(gòu)。目前的主要應(yīng)用是設(shè)備管理和企業(yè)應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。嵌入式Web服務(wù)器作為一個(gè)后臺(tái)程序直接在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置、控制和監(jiān)測(cè)，保證設(shè)備有效、高效地運(yùn)作。Web接口使得用戶可以在任何一臺(tái)有互聯(lián)網(wǎng)接入能力的帶有Web瀏覽器的設(shè)備訪問(wèn)到該嵌入式設(shè)備。Web服務(wù)器提供應(yīng)用程序接口可以擴(kuò)展Web的應(yīng)用。這種設(shè)備管理方式不僅起到監(jiān)測(cè)和控制的功能，而且根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)可以更加人性化和智能化。它使對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的操作從監(jiān)控變?yōu)楣芾怼Ａ硗庖粋€(gè)應(yīng)用是企業(yè)應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。Web服務(wù)已成為支撐現(xiàn)代應(yīng)用程序的技術(shù)和系統(tǒng)的核心組件，現(xiàn)今約87%的企業(yè)用戶都希望為他們的程序添加上基于Web的用戶接口。嵌入式Web服務(wù)器很好地提供了Internet網(wǎng)絡(luò)的接口，將應(yīng)用程序和Web接口結(jié)合起來(lái)，是應(yīng)用程序網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展良好的解決方案。

3 嵌入式WEB服務(wù)器的構(gòu)造

3.1 硬件系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器采用低價(jià)格、高性能的基于ARM7的LPC2210微控制器為主控芯片，通過(guò)SPI接口控制以太網(wǎng)控制器芯片ENC28J60實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信。采用基于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與擴(kuò)展能力。圖1為嵌入式Web服務(wù)器的硬件系統(tǒng)組成。

圖1 嵌入式Web服務(wù)器的硬件系統(tǒng)組成

3.2 最小系統(tǒng)

主控芯片采用LPC2210，內(nèi)部?jī)H有16 KB的RAM，沒(méi)有片內(nèi)Flash。由于μC/OS-Ⅱ和TCP/IP協(xié)議的移植，同時(shí)要進(jìn)行簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)存儲(chǔ)，因此在LPC2210外分別開(kāi)展了512 KB的SDRAM以及2 MB的Flash。LPC2210含有SPI接口，滿足操作以太網(wǎng)控制器ENC28J60的要求。同時(shí)，LPC2210含有 SCI、I2C等外部資源，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展。由于LPC2210工作在+3.3 V，但是其內(nèi)核的工作電壓是+1.8 V，因此設(shè)計(jì)電源時(shí)要考慮+3.3 V供電以及+1.8 V供電。此外，本設(shè)計(jì)中還使用了帶“看門狗”的專用復(fù)位芯片以提高系統(tǒng)抗干擾能力。

3.3 TCP/IP通信模塊

本文采用Microchip公司推出的SPI接口的以太網(wǎng)控制器ENC28J60，其最大通信速率為10 Mb/s。ENC28J60引腳簡(jiǎn)單，通過(guò)SPI接口和LPC2210相連接，網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)引腳通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器后連接到RJ45接口，2個(gè)中斷引腳接單片機(jī)的外部中斷或者連接到通用I/O口，2個(gè)指示燈引腳外接發(fā)光管連接到地或者電源，其余引腳是電源和地，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)難度。圖2為ENC28J60接口電路。網(wǎng)口插座采用內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器、狀態(tài)顯示燈和電阻網(wǎng)絡(luò)的RJ45接座HR911105A，具有信號(hào)耦合、電氣隔離、阻抗匹配和抑制干擾等優(yōu)點(diǎn)。

4 TCP/IP通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

4.1 ENC28J60硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

ENC28J60所執(zhí)行的操作完全依據(jù)外部主控制器通過(guò)SPI接口發(fā)出的命令，這些命令為一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的指令，用于訪問(wèn)控制存儲(chǔ)器和以太網(wǎng)緩沖區(qū)。指令至少包含一個(gè)3 bit操作碼和一個(gè)用于指定寄存器地址或數(shù)據(jù)常量的5 bit參數(shù)，指令后還會(huì)有一個(gè)或多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。ENC28J60共有7條指令，表1顯示了所有操作的命令代碼。通過(guò)SPI接口對(duì)ENC28J60相應(yīng)寄存器進(jìn)行讀寫操作即可完成ENC28J60硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

圖2 ENC28J60接口電路

表1 ENC28J60的SPI指令集

4.2 使用MCHPStack實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信

由于本設(shè)計(jì)選擇用Microchip公司的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信，因此同時(shí)選擇該公司提供的協(xié)議棧MCHPStack作為參考。MCHPStack是Microchip公司為其生產(chǎn)的微處理器進(jìn)行以太網(wǎng)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的一個(gè)協(xié)議棧，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)清晰地體現(xiàn)出了OSI參考模型的分層思想。通過(guò)該協(xié)議棧所提供的一個(gè)狀態(tài)機(jī)函數(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn) ARP、IP、ICMP、UDP以及 TCP通信。TCP作為運(yùn)輸層協(xié)議，是應(yīng)用層協(xié)議HTTP的基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議只需要在TCP基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)即可完成。

在移植協(xié)議棧的過(guò)程中需要注意數(shù)據(jù)的大小端格式以及結(jié)構(gòu)體字節(jié)對(duì)齊兩點(diǎn)。TCP/IP各層協(xié)議所使用的字節(jié)序均為big-endian字節(jié)順序，而LPC2210為littleendian字節(jié)順序。本文使用的編譯環(huán)境ADS支持4字節(jié)結(jié)構(gòu)體對(duì)齊，而協(xié)議棧中結(jié)構(gòu)體是單字節(jié)對(duì)齊的。因此，LPC2210在對(duì)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)，既要進(jìn)行字節(jié)順序轉(zhuǎn)換，又要使用#Pragma_packed定義結(jié)構(gòu)體按單字節(jié)對(duì)齊，否則無(wú)法正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)的解析，以致無(wú)法正確實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信。

5 嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

Brower/Server（B/S）模式已經(jīng)成為流行的開(kāi)發(fā)模式，課題中的嵌入式Web服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)的功能主要是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布功能。B/S訪問(wèn)模式是Web Server和Browser之間的直接訪問(wèn)?？蛻艉头?wù)器間的中間節(jié)點(diǎn)不對(duì)HTTP請(qǐng)求及響應(yīng)做任何操作，只需在客戶端采用如IE這樣的瀏覽器對(duì)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，不用開(kāi)發(fā)客戶端程序。采用B/S結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）具有分布性特點(diǎn)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行業(yè)務(wù)處理；

（2）系統(tǒng)維護(hù)或升級(jí)只在服務(wù)器端，無(wú)需對(duì)客戶端進(jìn)行改動(dòng)，只需要改變服務(wù)器端網(wǎng)頁(yè)，即可實(shí)現(xiàn)所有用戶的同步更新，易于維護(hù)和升級(jí)；

（3）開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，共享性強(qiáng)。

B/S訪問(wèn)模式只需對(duì)服務(wù)器端程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在服務(wù)器端形成動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)最常用的工具有ASP和JSP。由于采用的嵌入式芯片SX52只有4 KB存儲(chǔ)容量，在SX52中既實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，又實(shí)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(duì)SX52用匯編語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。

Java applet能夠被傳送到瀏覽器并且在瀏覽器所在的本地機(jī)上運(yùn)行。本設(shè)計(jì)正是利用這一特性改進(jìn)了傳統(tǒng)的B/S模式設(shè)計(jì)出的應(yīng)用程序，Java applet對(duì)于管理和處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)也是一種行之有效的技術(shù)。Java applet能實(shí)時(shí)表示從輪詢得到的更新信息，利用這個(gè)特性顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。所以程序客戶端采用Java applet設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

嵌入式Web服務(wù)器接入以太網(wǎng)時(shí)，在程序中設(shè)置了自身的IP地址和MAC地址，可以與局域網(wǎng)上任一臺(tái)微機(jī)通信。服務(wù)器端主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：利用HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)瀏覽功能和利用套接字編程實(shí)現(xiàn)與客戶端applet通信的功能。服務(wù)器程序用SX52的匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

在Web服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)文件的瀏覽。方案將Web服務(wù)器上擴(kuò)展的EEPROM與SX52相連，用來(lái)存儲(chǔ)要瀏覽的Web文件，EEPROM里的Web內(nèi)容采用原始數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)，沒(méi)有進(jìn)行封裝和編碼。文本內(nèi)容以ASCⅡ碼形式存儲(chǔ)，圖像內(nèi)容以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)。

嵌入式Web服務(wù)器是嵌入式技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著嵌入式技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式Web服務(wù)器具有廣闊的應(yīng)用前景。本文提出了簡(jiǎn)化的嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)方案，采用高性能的ARM微處理器，通過(guò)SPI接口控制以太網(wǎng)控制器芯片ENC28J60，并移植了源代碼完全公開(kāi)的 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)以及TCP/IP協(xié)議棧，不僅成本低廉、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且運(yùn)行穩(wěn)定，將其應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控等場(chǎng)合取得了理想的效果。

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