基于LwIP協(xié)議的多點控制系統(tǒng)研究

來愛華，盧　軍，游繼安*

(1.湖北工程學院 新技術學院， 湖北 孝感 432000;2.湖北工程學院 計算機與信息科學學院，湖北 孝感 432000)

基于LwIP協(xié)議的多點控制系統(tǒng)研究

來愛華1，盧軍2，游繼安1*

(1.湖北工程學院 新技術學院， 湖北 孝感 432000;2.湖北工程學院 計算機與信息科學學院，湖北 孝感 432000)

摘要：設計了一款基于LwIP協(xié)議的多點控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由下位機硬件和上位機軟件兩部分組成，利用操作上位機界面上的按鈕來控制與下位機的連接。通過控制下位機上LED燈的試驗驗證了所設計的系統(tǒng)的有效性。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；LwIP協(xié)議；控制系統(tǒng)；上位機界面

隨著人們對嵌入式系統(tǒng)研究的不斷深入，利用PC機控制嵌入式下位機日益受到人們的關注。PC機與嵌入式下位機通信的方法主要有以下幾種：(1)串口通信[1]；(2)USB通信[2]；(3)CAN通信[3]；(4)雙絞線/光纖通信。在以上四種方法中，第四種方式的通信協(xié)議最為復雜，對系統(tǒng)性能要求較高，但通信時傳輸數據最為穩(wěn)定。因此，該方法常用于對傳輸穩(wěn)定性要求較高的場合。

PC機采用網絡與嵌入式下位機通信，常用的通信協(xié)議棧為LwIP協(xié)議棧，控制方式主要有兩種：(1)采用類似于DOS命令界面的控制臺方式；(2)Telnet(遠程管理登錄協(xié)議)[4]方式。然而，這兩種方式均存在較為明顯的不足。通過類似于DOS控制臺的方式無法實現(xiàn)遠程管理，而采用Telnet的命令行模式需要用戶熟悉大量的管理命令，并需要具備一定的計算機操作技能。

鑒于上述原因，便有研究者提出采用安裝了WEB服務器的PC機作為上位機與嵌入式系統(tǒng)進行通信[5]。該方法確實是一種比較理想的通信方式，但是不可否認它存在明顯的技術難題。由于WEB服務器設計起來相對較復雜，對于復雜的系統(tǒng)，WEB服務器確實是一種理想的選擇，但是對于相對較簡單的控制系統(tǒng)，利用C/S模式設計的簡易控制界面一般能滿足客戶的需求。而且，WEB服務器是基于B/S架構的，而MFC設計的界面是基于C/S架構的，相對于前者，后者在設計上更加靈活，且形式更加多樣，更容易滿足客戶的應用需求。另外，利用MFC設計的界面還有其他的優(yōu)點：(1)設計比較容易；(2)可以根據客戶的需求設計多個PC機與嵌入式系統(tǒng)進行通信的上位機界面。

1LwIP協(xié)議

LwIP協(xié)議是由瑞士計算機科學家Adam Dunkels等研發(fā)的一套輕量級開源TCP/IP協(xié)議棧，該協(xié)議棧既可以在有操作系統(tǒng)的平臺上運行，也可以移植到沒有操作系統(tǒng)的平臺上運行。LwIP的另一個優(yōu)點是該協(xié)議棧運行僅需極少的資源。實驗表明，運行該協(xié)議只需要20 KB的RAM和40 KB的ROM[6]。目前常見的單片機，如STC89C516、AVR系列單片機Atmega64、Atmega128、MSP430系列多款單片機、Cortex-M3系列單片機的閃存均超過40 KB[7]。因此，市場上常見的嵌入式芯片都可以運行該協(xié)議棧。

1.1LwIP 協(xié)議?？蚣?/p>

相對于其他協(xié)議棧來說，LwIP協(xié)議棧主要有三大優(yōu)點。其一，LwIP是專門為嵌入式系統(tǒng)設計的專用協(xié)議；其二，LwIP占用內存較少；其三，LwIP具有相對齊全的功能，而且具備完善的內存管理辦法，對嵌入式控制器的性能要求不高。

LwIP 協(xié)議棧的主要任務是實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議功能，它通過一個任務管理器對不同的協(xié)議模塊進行統(tǒng)一的管理和調度。Adam Dunkels對LwIP中的主要協(xié)議模塊進行了適當裁剪，使其更加適用于硬件資源有限的嵌入式設備。LwIP協(xié)議棧功能模塊如圖1所示。模塊主要由以下六部分組成，而LwIP任務管理器是其他五部分的基礎。

圖1　LwIP協(xié)議功能模塊

1.2LwIP協(xié)議棧進程模型

LwIP協(xié)議棧將所有的通信協(xié)議放在一個獨立的進程中處理，該進程獨立于系統(tǒng)內核。當應用程序與LwIP 在同一進程中時，不僅可以采用函數調用的方式實現(xiàn)通信，也可以使用更為抽象的API 方式實現(xiàn)二者通信，這種設計的最大優(yōu)勢在于提高了LwIP 的可移植性。LwIP 進程模型結構如圖2所示。LwIP進程模型主要分為四層，分別是應用層、傳輸層、網絡層和網絡接口層。

圖2　LwIP 進程模型

2系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)總體架構

本系統(tǒng)主要包括上位機和下位機兩個部分，其中下位機部分以意法半導體公司生產的控制芯片STM32作為主控制芯片，對接收到的數據進行處理。上位機部分分布在PC機上，是基于C/S架構的控制軟件。上位機與下位機通過以太網相連，如果需要多個上位機控制同一個下位機，則可以在連接線路中增加一個路由器，系統(tǒng)中具體的上位機的數量由路由器決定。系統(tǒng)總體架構如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)整體架構

2.2系統(tǒng)硬件設計

下位機所采用的開發(fā)板主要包三個部分。第一個部分是以STM32控制芯片為主的最小系統(tǒng)，第二個部分是網絡接口，其電路如圖4所示。該部分主要由一個芯片和一個接口座組成，芯片是ECN28J60控制器和HR911105A網絡接口，該部分的主要作用是連接下位機與Internet。第三部分由三個LED燈組成，通過控制芯片輸出的低電平點亮LED。

控制芯片采用STM32f103VET6芯片,該控制芯片具有先進的RISC結構，采用ARM公司設計的內核，該芯片繼承了ARM公司產品控制性能強，低功耗，價格低廉，其片內RAM達到48 KB,片內ROM達到512 KB。因此，在該芯片上的資源足以運行LwIP協(xié)議。ENC28J60與HR9011105A是嵌入式系統(tǒng)接入以太網的關鍵器件，其中ENC28J60為網絡控制器，其功能是網絡數據轉換為嵌入式芯片能夠識別的數據，HR9011105A為隔離變壓器，通過該器件可以平衡接線線路與嵌入式開發(fā)板的電壓。最后，電路中的三個LED燈主要是方便開發(fā)者觀察實現(xiàn)結果而設置的。

2.3軟件設計

2.3.1上位機系統(tǒng)設計

上位機部分使用VC++6.0開發(fā)，移植LwIP_vl.2.0,使用MFC搭建可視化仿真測試環(huán)境，設計開發(fā)了一套運行在PC系統(tǒng)上的LwIP協(xié)議開發(fā)平臺。該系統(tǒng)包含三個模塊，其中應用程序模塊位于最頂層，為用戶提供網絡操作的調用范例與測試入口；LwIP協(xié)議棧模塊位于中間層，實現(xiàn)LwIP協(xié)議棧與WINDOWS系統(tǒng)對接；網絡驅動模塊位于最底層，使用第三方網絡驅動庫WinPcap實現(xiàn)LwIP協(xié)議棧與WINDOWS系統(tǒng)中網絡驅動的適配，這樣LwIP協(xié)議棧就可以通過WINDOWS驅動與其他網絡終端進行通信。上位機系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖4　以太網控制器硬件電路圖

(1)應用程序界面設計如圖6所示。設計應用程序的目的是通過應用程序來實現(xiàn)與下位機的連接配置，通過調整上位機界面上的參數控制下位機上LED燈的亮滅。上位機應用程序主要有兩個任務，一是IP地址撥號，二是控制三個LED燈的亮滅。

圖6　上位機控制界面

(2)系統(tǒng)調度程序設計。本系統(tǒng)總體程序主要分為上位機和下位機兩個部分。當用戶操作上位機界面時，上位機向下位機發(fā)送控制命令，從而實現(xiàn)用戶的各種控制要求，其程序流程如圖7所示。

圖7　上位機控制程序流程

下位機的主要作用是接收來自上位機發(fā)送來的消息，并對該消息進行分類處理，其主要工作流程如圖8所示。

應用層程序包含整個LwIP協(xié)議棧，它一方面作為獨立任務存在，另一方面也可以借助原始接口直接通過LwIP協(xié)議棧完成與LwIP協(xié)議棧的通信。基于LwIP協(xié)議的程序調度流程如圖9所示。

盡管LwIP協(xié)議沒有明確劃分各個層次，但是實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧的IP子協(xié)議模塊、ICMP子協(xié)議模塊和UDP子協(xié)議模塊，并且提供了操作系統(tǒng)適配層、內存緩沖與存儲管理、網絡接口函數等附加模塊。

圖8　下位機控制流程

(3)當應用程序界面和LwIP模塊設計完成后，接下來需通過協(xié)議棧接收與發(fā)送數據，網絡驅動子模塊的作用是將LwIP協(xié)議棧與WINDOWS系統(tǒng)對接，將LwIP協(xié)議棧生成的報文通過WINDOWS傳輸接口發(fā)送出去。發(fā)送技術主要分為兩類，一類是WINDOWS編程，另一類是通過網絡開發(fā)包WinPcap。其中，第一類方法較復雜，第二類方法操作較簡便。WinPcap為Win32應用程序提供訪問網絡底層的能力，利用該網絡操作庫可以對WINDOWS網絡設備進行操作，利用WinPcap提供的一組接口可實現(xiàn)網絡數據包的捕獲與分析。

2.3.2下位機軟件設計

下位機接收來自上位機的消息，當下位收到的消息為撥號消息時，進行撥號，當收到的消息為控制消息時，對下位機上的LED燈進行控制。其工作流程如圖10所示。

在該部分中，不僅需要通過控制芯片STM32對下位機的外設進行控制，同時還需要接收來自上位機的消息。因此，下位機模塊不僅需要定義LwIP模塊，而且還要定義下位機的撥號連接信息。

圖9　LwIP進程調度

3系統(tǒng)測試

本文選用四個控制臺測試所設計的控制系統(tǒng)的有效性。四個控制臺分別向下位機發(fā)送控制命令來點亮下位機上不同的LED燈,測試結果見圖11?？梢钥闯觯到y(tǒng)的控制效果均已實現(xiàn)，且具有很好的穩(wěn)定性。

圖10　下位機程序流程圖

(a)控制臺一向下位機發(fā)送控制命令

(b)控制臺二向下位機發(fā)送控制命令

(c)控制臺三向下位機發(fā)送控制命令

(d)控制臺一向下位機發(fā)送控制命令

4結束語

本文基于LwIP協(xié)議實現(xiàn)了下位機嵌入式系統(tǒng)與上位機軟件的通信功能，組合意法半導體公司Cortex-M3處理器STM32f103VET6與ECN28J60控制器硬件，利用嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP實現(xiàn)與PC機客戶端的Socket通信，通過多個上位機終端控制一個下位機終端。經測試，所設計的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠方便快捷地實現(xiàn)各種數據通信。

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(責任編輯：張凱兵)

Study on Multi-Points Control System Based on LwIP Protocol

Lai Aihua1, Lu Jun2, You Ji’an1*

(1.CollegeofTechnology,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China; 2.SchoolofComputerandInformationScience,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China)

Abstract：A multi-points control system which is based on the LwIP protocol is developed. The system consists of the hardware of the slave computers and the software of the master computer, in which the communication with the slave computers is accomplished by operating the buttons on the interface on the master computer. The test on the control of the display of the LEDs on the slave computers validates the effectiveness of the proposed system.

Key Words：embedded system; LwIP protocol; control system; PC interface

收稿日期：2015-09-11

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFB576)

作者簡介：來愛華(1986-)，女，湖北咸寧人，湖北工程學院新技術學院助教，碩士。

中圖分類號：TP393.1

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4824(2015)06-0028-06

游繼安(1987-)，男，湖北孝感人，湖北工程學院新技術學院助教，碩士，本文通信作者。