遠程測控中嵌入式Web服務(wù)器的FPGA實(shí)現

                                    
                                                       圖1 系統結構圖

2、硬件結構
    
系統的硬件結構如圖2所示。硬件系統的核心是構建于A(yíng)hera Cyclone FPGA中的Nios II嵌入式軟核處理器。Nios II系列嵌入式處理器是一款通用的RISC結構的CPU，它定位于廣泛的嵌入式應用。Nios II處理器系列包括了三種核心：快速的(Nios II／f)、經(jīng)濟的(Nios II／e)和標準的(Nios II／s)內核，每種都針對不同的性能范圍和成本而優(yōu)化。這三種核都使用共同的32位的指令集結構(ISA)，都兼容二進(jìn)制代碼。

                      
圖2 硬件系統圖

對于Nios II的配置在SOPC Builder中完成。通過(guò)配置所需要的外部/內部元件，SOPC Builder將自動(dòng)生成適合選定元件的CPU，以符合系統的需求。16M的CF卡作為系統的外存儲器，用來(lái)存儲測量數據，網(wǎng)頁(yè)文件和應用程序。以太網(wǎng)接口芯片采用的SMSC的Lan91cl11芯片，這是一種非PCI接口的單芯片網(wǎng)絡(luò )控制器，具有8k的FIFO，可以實(shí)現和8位、16位、32位的CPU接口，廣泛地應用于嵌入式系統設計中。
    
 3、軟件結構
    
系統軟件結構如圖3所示。uClinux是一個(gè)完全符合GNU／GPL(通用公共許可證)公約的項目和完全開(kāi)發(fā)代碼。它是標準Linux的一個(gè)分支，現在由Lineo公司支持維護。它專(zhuān)門(mén)針對沒(méi)有MMU的CPU，并且為嵌入式系統做了許多小型化的工作。uClinux For Nios是Microtronics公司專(zhuān)門(mén)針對Nios CPU 定制的uClinux操作系統，使用方便，不需要復雜的移植過(guò)程，并自動(dòng)地集成于Nios／Nios II的開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)中。只要根據自身的需求對內核和文件系統進(jìn)行配置即可，這里的Web服務(wù)器、TCP／IP協(xié)議棧及底層的接口驅動(dòng)程序即是集成于uClinux中的。除此之外，自行編寫(xiě)CGI腳本來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的功能。CGI（Common Gate Interface)動(dòng)態(tài)網(wǎng)關(guān)接口是外部擴展應用程序與WWW 服務(wù)器交互的一個(gè)標準接口。按照CGI標準編寫(xiě)的外部擴展應用程序可以處理客戶(hù)端(一般是WW W瀏覽器)輸入的協(xié)同工作數據，完成客戶(hù)端與服務(wù)器的交互操作?？梢跃帉?xiě)CGI外部擴展程序來(lái)訪(fǎng)問(wèn)外部數據系統，客戶(hù)端用戶(hù)可以通過(guò)它和WWW 服務(wù)器來(lái)進(jìn)行數據查詢(xún)。CGI可以由PERL、C及大部分的腳本語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，不過(guò)由于是用于嵌入式系統中的程序，而腳本語(yǔ)言又需要解釋器，故選擇C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)CGI腳本比較合適，還可節省很大的系統資源。

                       
                                                          圖3 軟件結構圖

3.1 uClinux操作系統內核及文件系統的配置

(1) uClinux的內核配置。內核是一個(gè)操作系統的核心，它負責管理系統的進(jìn)程、內存、設備驅動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò )系統，決定著(zhù)系統的性能和穩定性。嵌入式uClinux具有高度可靈活定制內核，保持了Linux的源代碼公開(kāi)、穩定、可裁減大小等特性。這里采用Microtronix公司專(zhuān)門(mén)為Nios／Nios II移植的uClinux1．3版本，并根據需要進(jìn)行重新配置：在“Developing Board”選項中要選擇自己所用的開(kāi)發(fā)板，添加CF卡作為系統的硬盤(pán)等。
    
(2) 文件系統配置。文件系統是操作系統的重要組成部分。對用戶(hù)而言，文件系統也是操作系統中最直接可見(jiàn)的部分，它負責管理外存上的文件，并為操作系統和用戶(hù)提供文件的存取、共享和保護等功能。這里要在文件系統配置中，選中Install Minimal、然后增加agetty、boa、dhcpcd、ftpd、inetd、init、ping、route和telnetd等選項。
    
3.2 Web服務(wù)器配置   
                                              圖4 Web 服務(wù)器工作流程

本文所使用的Web Ser

ver為Boa，它是一個(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開(kāi)放、性能高、速度快。其工作流程如圖4所示。目前，uClinux的代碼中已經(jīng)包含Boa的源代碼，在uClinux下實(shí)現Boa，需要對Boa做一些配置和修改。配置Boa包括以下幾個(gè)步驟：
    
(1) 打開(kāi)所建立文件系統中的“／target／etc／config”文件夾中的“boa．conf’文件。

(2) 將“ChRoot”更改為“／mnt／ide0／www”，其目的是將CF卡上面的“www”文件夾作為Web Server的主文件夾。鍵入系統IP時(shí)，服務(wù)器自動(dòng)解析為在此目錄內尋找名為“index．htm”的網(wǎng)頁(yè)，也就是本設計的主頁(yè)。
    
(3) 在“SeriptAlias”選項中添加命令：“ScriptAlias／mnt／ide0／www／cgi-bin／／cgi-bin／"，其目的是將前面的具有完整路徑的文件夾的地址映射為后一個(gè)文件夾，一是可以省去在地址欄內輸入地址的很多時(shí)間，方便用戶(hù)操作；二是增加了系統的保密性和安全性。其他選項可以選擇默認選項。
    
(4) 保存配置好的文件。當下載文件系統后，要在“／mnt／ide0／www”文件中，建立“csi-bin”目錄來(lái)存放CGI腳本文件。
    
3.3 CGI程序設計
    
CGI程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，內嵌html腳本，所以當CGI執行的時(shí)候，即可以完成對特定端口的操作，又可以將其返回的結果顯示在網(wǎng)頁(yè)上供監控人員查看。具體操作是：首先，CGI腳本采用GET的方式，接收Web Server解析的從網(wǎng)頁(yè)所傳輸過(guò)來(lái)的“QUERY_STRTING”，它代表的是用戶(hù)的監控命令。接到命令后，CGI程序將命令譯碼后傳送到串口，向現場(chǎng)監控模塊發(fā)送采集命令，并接受其傳回來(lái)的采集結果，并迅速傳到監控用戶(hù)所瀏覽的Web界面。需要注意的是，在編寫(xiě)過(guò)CGI程序并成功編譯后，要將其移動(dòng)至CF卡相關(guān)目錄，也就是上面所介紹的Boa Web Server所設置的“www／csi-bin”中，并將其后綴更改為“.cgi”，屬性改為“可執行”，這樣，Web Server才可以正確識別并執行此CGI程序。

                      
 圖5 顯示實(shí)時(shí)測量結果的網(wǎng)頁(yè)畫(huà)面

4、結論
    
本文將嵌入式系統與Internet技術(shù)相結合，在FPGA上開(kāi)發(fā)了一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，并與電網(wǎng)參數測量?jì)x器相結合，構成遠程電網(wǎng)參數測量系統，為電網(wǎng)系統網(wǎng)絡(luò )化管理提供了技術(shù)支持，具有很好的應用前景。