一種新型嵌入式遠程監控系統的設計開(kāi)發(fā)

1 引言

嵌入式監控系統是當前工業(yè)自動(dòng)化監控應用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。微電子技術(shù)和微處理器制造工藝的提高以及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，使得構建基于Web的嵌入式遠程監控系統得以實(shí)現。這樣的遠程監控系統可以直接通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議接入Internet實(shí)現遠程監控，成為真正不受時(shí)間和空間限制的遠程監控系統。

由于近年來(lái)一些半導體廠(chǎng)家新推出的MCU的存儲能力都有了很大的提高，以及用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序具有移植性強、可讀性好等優(yōu)點(diǎn)，因此本文監控軟件采用標準C語(yǔ)言編寫(xiě)，并在m6811-elf-gcc中編譯通過(guò)。本文將從嵌入式Web監控系統的通信基礎--以太網(wǎng)接口模塊著(zhù)手，分別講述各個(gè)功能模塊的設計與實(shí)現。

2 以太網(wǎng)接口程序設計

以太網(wǎng)接口程序是與硬件設計中的網(wǎng)絡(luò )控制芯片密切相關(guān)的，不同的網(wǎng)絡(luò )控制芯片具有不同的以太網(wǎng)接口程序，但是一個(gè)完整的以太網(wǎng)接口程序通常包括三個(gè)部分：硬件模塊初始化、以太幀的發(fā)送和以太幀的接收。

1、硬件模塊初始化

本文使用的Freescale公司的MC9S12NE64 MCU集成了EPHY和EMAC兩個(gè)硬件子模塊，它們的初始化必須嚴格按照技術(shù)手冊進(jìn)行，避免忽略一些細節。

2、以太幀的發(fā)送

在NE64中發(fā)送一個(gè)以太幀，必須將該幀內容寫(xiě)入至EMAC模塊的發(fā)送緩沖區(TX緩沖區)，然后再通過(guò)發(fā)送命令將其發(fā)送出去，接下來(lái)的工作由下層硬件完成。與以太幀的發(fā)送相關(guān)的寄存器包括發(fā)送緩沖區幀結束指針寄存器(TXEFP)、發(fā)送控制和狀態(tài)寄存器(TXCTS)。

3、以太幀的接收

判斷以太幀的接收有兩種方法：查詢(xún)法和中斷法。由于中斷法有更好的執行效率，本文使用了中斷法接收以太幀。由于NE64有兩個(gè)接收緩沖區A和B，因此到達的幀可能存儲在A(yíng)緩沖區也可能存儲在B緩沖區，所以中斷矢量也有兩個(gè)：A緩沖區接收完成中斷和B緩沖區接收完成中斷，其矢量地址分別是$FFB2和$FFB4。無(wú)論是A緩沖區還是B緩沖區接收到數據，處理方法是一樣的，都是將接收到的數據幀讀出來(lái)，再進(jìn)行相應的處理。

3 uIP協(xié)議實(shí)現的程序設計

3.1 TCP協(xié)議的實(shí)現

TCP協(xié)議是嵌入式Web的核心，它提供一種基于連接的帶確認的可靠的數據流傳輸方式，可增強網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量。TCP協(xié)議的機制很復雜，它的完整實(shí)現對處理器的存儲能力和運算能力要求較高。這對于嵌入式系統來(lái)說(shuō)是比較奢侈的，因此必須對其進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文要實(shí)現的是一個(gè)基于嵌入式Web服務(wù)器的監控系統，經(jīng)過(guò)仔細分析，本文得到如圖1所示的簡(jiǎn)化的TCP狀態(tài)機。其中連接的斷開(kāi)由服務(wù)器主動(dòng)執行，通過(guò)多次實(shí)驗總結出來(lái)該方式在本文系統中，比標準的TCP協(xié)議主動(dòng)斷開(kāi)連接的狀態(tài)機簡(jiǎn)單且穩定。

圖1 服務(wù)端簡(jiǎn)化的TCP狀態(tài)圖

另外本系統可以根據不同的應用要求調整TCP所支持的連接數量，但是通常在同一時(shí)刻僅支持單個(gè)TCP連接。同時(shí)為了避免因為數據報的丟失而造成狀態(tài)機的死鎖，本文使用簡(jiǎn)單定時(shí)機制，使TCP狀態(tài)機在超時(shí)后復位。

TCP協(xié)議連接建立的過(guò)程被稱(chēng)為“三次握手”。首先，客戶(hù)端向服務(wù)端提出連接請求。此時(shí)客戶(hù)端在TCP報頭中插入自己的ISN，并置SYN標志為1，表示序列號字段合法，需要檢查。其次，服務(wù)端收到該TCP分段后，以自己的ISN回應，同時(shí)確認收到客戶(hù)端的TCP分段，置ACK標志為1。最后，客戶(hù)端確認收到服務(wù)端的ISN，置ACK標志為1。至此完整的TCP連接建立，開(kāi)始全雙工模式的數據傳輸過(guò)程。

3.2 其他協(xié)議的實(shí)現

在實(shí)現以太網(wǎng)底層驅動(dòng)的基礎上，接下來(lái)實(shí)現用于以太網(wǎng)通信的上層協(xié)議。ARP協(xié)議是為了通信雙方獲取對方MAC地址的通信協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò )通信的基礎，本文實(shí)現了ARP請求報文的發(fā)送和接收以及ARP響應報文的接收和處理功能。為方便網(wǎng)絡(luò )調試，在uIP中實(shí)現了Ping命令，當監控設備正常工作后可省略該部分內容。SD12-MCS是實(shí)現一個(gè)基于嵌入式Web的應用設備，并非嵌入式網(wǎng)關(guān)或路由器，因此為了節約嵌入式系統資源，本文裁減了IP協(xié)議的路由功能，有關(guān)路由問(wèn)題都由默認網(wǎng)關(guān)完成。盡管基于Web方式的SD12-MCS使用了TCP協(xié)議，但是目前也有一些應用是基于UDP協(xié)議的，為了系統具有更好的擴展性，本文也實(shí)現了UDP協(xié)議。

4 Web服務(wù)器的設計與實(shí)現

該監控系統的工作模式為嵌入式Web服務(wù)器方式，因此本文在實(shí)現uIP協(xié)議的基礎上，設計并實(shí)現了應用層的HTTP協(xié)議以及CGI處理程序。

4.1 HTTP協(xié)議的設計與實(shí)現