基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳業(yè)慧，于玉亭，劉毅強(qiáng)（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088）

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基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳業(yè)慧，于玉亭，劉毅強(qiáng)
（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥 230088）

摘 要：企業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要是借助企業(yè)管理和決策來實(shí)現(xiàn)對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)的處理，以及對(duì)處理現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分構(gòu)成.信息網(wǎng)絡(luò)屬于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的上層結(jié)構(gòu)，主要處理較大量和變化性強(qiáng)的信息特點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)的控制主要采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，對(duì)處于企業(yè)低層的、實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)信息，有著協(xié)議簡單、安全性高一級(jí)容錯(cuò)性強(qiáng)以及成本低的特點(diǎn).當(dāng)前使用最為廣泛的是PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，對(duì)企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生通信，實(shí)現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)低層控制網(wǎng)絡(luò)的建構(gòu).

關(guān)鍵詞：嵌入式設(shè)備；移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備；硬件設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展以及PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在生產(chǎn)以及經(jīng)營中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了企業(yè)對(duì)信息的共享和控制的一體化.利用互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展必然趨勢(shì).其在快速的發(fā)展中逐漸走向成熟的嵌入技術(shù)已經(jīng)成為PROFIBUS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的方向，基于嵌入式Web技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方式必然會(huì)成為我國未來的發(fā)展方向之一.使用嵌入式技術(shù)將PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)中的總線和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，具有開放性的互聯(lián)網(wǎng)中各種安全性問題也隨之而來，例如可能會(huì)遭到黑客的非法侵襲以及非法操作等安全問題.安全問題對(duì)于工控網(wǎng)絡(luò)來講是安全中最為關(guān)鍵的，如果不能將這一問題解決，將會(huì)帶來十分嚴(yán)重的后果，因此不能將PROFIBUS盲目的介入互聯(lián)網(wǎng)中.不能將成熟的PC安全策略直接搬用在嵌入式設(shè)備中，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景來實(shí)現(xiàn)，并提出合理的安全策略.［1］

1 嵌入式Web網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)

在嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)較為重要，硬件平臺(tái)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行.只有將硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)良好的建立才能在其上實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)和程序的添加，真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的功能，例如協(xié)議轉(zhuǎn)換和安全功能等.

當(dāng)前快速發(fā)展的微電子技術(shù)使得很多體積小、功能強(qiáng)、速度快的微處理器芯片應(yīng)用在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中.目前主要的嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、PC系列、X86和Super系列等.在RIS基礎(chǔ)上進(jìn)行架構(gòu)的ARM微處理器指令的執(zhí)行效率較高，如見操作平臺(tái)建立較為簡單，同時(shí)還具有豐富的外圍擴(kuò)展電路功能，對(duì)多種任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)滿足.采用ARM技術(shù)構(gòu)架嵌入式的Web網(wǎng)關(guān)是一種可行性較高的方案.［2］

基于PROFIBUS-DP的嵌入式Web網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)要經(jīng)過以下過程：用戶在胡亮網(wǎng)上向嵌入式的網(wǎng)關(guān)發(fā)送操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)將該請(qǐng)求進(jìn)行處理后，發(fā)到連接在PROFIBUS-DP的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，隨后現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，先將相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關(guān)，隨后網(wǎng)關(guān)將此數(shù)據(jù)進(jìn)行處理隨后再將處理后的數(shù)據(jù)傳回至客戶端.依據(jù)該網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸方向該網(wǎng)關(guān)首先需要對(duì)互聯(lián)網(wǎng)和PROFIBUS-DP之間的連接，實(shí)現(xiàn)以上設(shè)備的總線應(yīng)將接口和處理數(shù)據(jù)的處理器之間的連接，隨后將具備網(wǎng)關(guān)的最基本電源電路、存儲(chǔ)器等實(shí)現(xiàn)連接.

電源電路中電源系統(tǒng)主要用來產(chǎn)生網(wǎng)關(guān)工作中需要的三種電壓：3.3伏、1.8伏和1.25伏，網(wǎng)關(guān)電源接口外接電壓為5伏電壓，在專門的電壓降壓芯片系統(tǒng)作用下產(chǎn)生系統(tǒng)需要的電壓值.復(fù)位電路，網(wǎng)關(guān)的復(fù)位電路使用專業(yè)的復(fù)位芯片，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)處理器需要的低電壓平復(fù)位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上的電復(fù)位和工作中的按鍵復(fù)位.SDRAM，其是同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的內(nèi)存.網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在啟動(dòng)中，將可執(zhí)行的程序從FLASH中搬移到SDRAM對(duì)應(yīng)的地質(zhì)中，隨后再從SDREM的程序入口對(duì)程序進(jìn)行執(zhí)行，這樣網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)得以正常運(yùn)行.FALSH，主要利用非易失特性，對(duì)可執(zhí)行程序的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存，其中包含了BootLoader程序、內(nèi)核代碼和應(yīng)用程序代碼等.網(wǎng)關(guān)接口，網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)接口的主要作用是將網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)線的接通中連入互聯(lián)網(wǎng)中，在設(shè)計(jì)中主要使用的是DM9000網(wǎng)卡芯片，該芯片是一種高集成度、滿足成本效益的高速太網(wǎng)控制器，對(duì)自適應(yīng)的10/100M網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適應(yīng).在RJ45接頭的直接使用中將普通的網(wǎng)線嵌入網(wǎng)關(guān)連接的路由器或是在交換機(jī)的作用下介入互聯(lián)網(wǎng).串門，PROFIBUS-DP的物理層符合RS485標(biāo)準(zhǔn)，嵌入式網(wǎng)管在9針的D-sub型練級(jí)誒器的作用下介入PROFIBUS-DP系統(tǒng)中.JTAG接口，剛剛制作好的開發(fā)板中沒有任何程序存在，此時(shí)需要使用JTAG接口來實(shí)現(xiàn)首個(gè)程序的書寫，同時(shí)JTAG接口還能負(fù)責(zé)將JLINK的仿真器實(shí)現(xiàn)連接，用于嵌入式的開發(fā)和調(diào)試中.［3］

2 嵌入式Linux系統(tǒng)

在嵌入式設(shè)備中所有使用的系統(tǒng)都被稱作嵌入式操作系統(tǒng)，其中通常會(huì)包含內(nèi)核、底層相關(guān)的驅(qū)動(dòng)軟件、通信協(xié)議、圖形界面等.嵌入式操作喜用負(fù)責(zé)者整個(gè)嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件資源的配比、調(diào)度任務(wù)、控制和發(fā)生活動(dòng)中，它對(duì)軟硬件的整合性和協(xié)調(diào)性都進(jìn)行了強(qiáng)調(diào).在軟硬件的裁剪中體現(xiàn)系統(tǒng)的特征，滿足不同系統(tǒng)之間的需求.

當(dāng)前的嵌入式操作系統(tǒng)種類十分多，主要包括了PalmOS、WindowsCE、QNX、Linux等.高端嵌入式操作系統(tǒng)需要多種高級(jí)功能，例如用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持.多數(shù)的高端實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)供應(yīng)商已經(jīng)滿足了以上這些功能，但是價(jià)格同時(shí)十分高昂.嵌入式Linux系統(tǒng)在開發(fā)后受到了廣大用戶的歡迎，由于其開放源代碼的易得性以及系統(tǒng)的強(qiáng)大性，嵌入式Linux系統(tǒng)已經(jīng)成為了侵入式操作系統(tǒng)中比較優(yōu)秀的解決方案.［4］

2.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植

嵌入式Linux操作系統(tǒng)根據(jù)軟件的層次主要可以被分為三個(gè)主要部分：加載引導(dǎo)程序、Linux內(nèi)核、根文件系統(tǒng)，在嵌入式Web網(wǎng)關(guān)上嵌入Linux操作系統(tǒng)的移植主要和以上三部分相關(guān).嵌入式Linux操作系統(tǒng)中的典型結(jié)構(gòu)可以由下圖1進(jìn)行表示，其中引導(dǎo)參數(shù)為Boot parameters，主要起著關(guān)鍵的橋梁作用，對(duì)Boot Loader引導(dǎo)程序和內(nèi)核進(jìn)行聯(lián)系，Boot Loader中將引導(dǎo)參數(shù)和全局變量表示在Boot parameters中.

圖1 嵌入式Linux系統(tǒng)的分區(qū)結(jié)構(gòu)

3 網(wǎng)關(guān)嵌入式服務(wù)器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)關(guān)嵌入Web網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案

PROFIBUS-DP每段可以最多可以實(shí)現(xiàn)32個(gè)站點(diǎn)的連接，在中繼器的幫助下可以增加段數(shù)，距離也能實(shí)現(xiàn)10km的延長，總線上的數(shù)量可以多達(dá)127個(gè)，其中將1類主站和2類主站除去，最多可以對(duì)125個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，因此必須設(shè)計(jì)出科學(xué)、合理操作性強(qiáng)的網(wǎng)頁界面，這樣管理人員在觀看PROFIBUS總線中才能將任意的設(shè)備秩序中選擇適應(yīng)的設(shè)備名，并通過表單進(jìn)行提交請(qǐng)求；設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器需要具備動(dòng)態(tài)性的互操作性，需要對(duì)用戶的動(dòng)態(tài)需求進(jìn)行生成，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)反映，完成信號(hào)采集、信號(hào)報(bào)警以及操作的執(zhí)行結(jié)果等，普通的嵌入式Web服務(wù)不能滿足這種特殊的請(qǐng)求，需要提供一種特殊手段對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)用戶和設(shè)備之間的復(fù)雜交互；在PROFIBUS-DP工控網(wǎng)絡(luò)中，完全是極為重要的問題，因此設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器功能中必須實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵信息的訪問，組間狀態(tài)以及配置等操作實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格認(rèn)證，進(jìn)一步保護(hù)嵌入式設(shè)備的安全.［5］

應(yīng)用程序接口模式可以實(shí)現(xiàn)和嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，嵌入式Web服務(wù)器中，應(yīng)用程序接口和嵌入式操作系統(tǒng)的通信，對(duì)CGI系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用，該系統(tǒng)按照其自身的規(guī)范來對(duì)Web服務(wù)器傳遞來的各種信息進(jìn)行讀取，對(duì)客戶端的請(qǐng)求進(jìn)行解釋和處理，同時(shí)將嵌入式數(shù)據(jù)庫中運(yùn)用用戶身份認(rèn)證和總線上的設(shè)備信息交互等，最后將處理結(jié)果按照CGI的規(guī)范返回到Web服務(wù)器中.這還少嵌入式Web服務(wù)器軟件的核心.

圖2 嵌入式Web網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 嵌入式Appweb服務(wù)器的移植

在網(wǎng)站 http：//appwebserver.org上實(shí)現(xiàn)源碼 appweb-src-3.4.2的下載，并在宿主機(jī)上進(jìn)行解壓，在終端對(duì)配置參數(shù)進(jìn)行修改和執(zhí)行./configure --host=arm-s3c2410-linux

--build=i686-pc-linux …….--port=80 --with-cgi= builtin --with-ssl=builtin

--with-matrixssl=builtin …… --prefix=/mnt/appweb--webDir=/var/web

--with-matrixssl=/home/chaidan/桌 面 /appweb+matrixssl/matrixssl-1.8.3/matrixssl.以上配置的參數(shù)需要移植到開發(fā)板的處理器，型號(hào)為ARM架構(gòu)的S3C2410，或是移植在S3C2410上也可以實(shí)現(xiàn)工作.

當(dāng)Configure成功執(zhí)行后，可以生成文件Makefile，在終端運(yùn)行的make命令中，完成編譯，完成后，將appweb-3.3.2目錄中的bin、lib、modules生成文件夾arm-s3c2410-linux，在目中包含了可執(zhí)行的文件夾、庫文件以及模塊等.隨后執(zhí)行安裝，完成安裝.

4 小結(jié)

21世紀(jì)是信息化的社會(huì)，信息在各行各業(yè)的生存和發(fā)展中都具有重要的作用.［6］及時(shí)全面的掌握信息就能在競(jìng)爭激烈的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)生存和發(fā)展，只有依靠對(duì)信息數(shù)據(jù)的分析才能展開有效決策.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕梅海軍.基于“藍(lán)牙”技術(shù)的嵌入式終端設(shè)備開發(fā)及硬件實(shí)現(xiàn)［D］.重慶郵電學(xué)院，重慶郵電大學(xué),2004.11-42.

〔2〕胡安揚(yáng).基于WIFI的嵌入式設(shè)備組網(wǎng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫緩存技術(shù)研究［D］.北京郵電大學(xué),2015.12-34.

〔3〕董玉明.基于ARM11的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.西安電子科技大學(xué),2010.13-32.

〔4〕尹航.基于DSP的嵌入式智能交通監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱工程大學(xué),2011.20-38.

〔5〕孫華敏.面向設(shè)備監(jiān)測(cè)的嵌入式數(shù)采分析系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京交通大學(xué),2014.21-37.

〔6〕郭曉波.基于嵌入式ARM與Linux的手持設(shè)備的音視頻無線通信系統(tǒng)研究［D］.武漢紡織大學(xué),2014.23-45.

中圖分類號(hào)：TP319.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）05-0009-02

收稿日期：2016-01-06