嵌入式WEB傳感器的網(wǎng)絡(luò )化接口設計
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其實(shí)質(zhì)是在傳統傳感器的基礎上實(shí)現ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議接口，將傳感器作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)直接與計算機網(wǎng)絡(luò )通信。它的組成主要有：敏感單元、智能處理單元和ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議接口。 圖１為嵌入式ＷＥＢ傳感器的體系結構。傳統的傳感器在嵌入式ＷＥＢ傳感器中只占一部分。核心部分是完成信號處理、數據交換和控制的嵌入式智能單元以及完成數據傳輸的ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò )接口。整個(gè)傳感器的工作機理是：傳感器將被測物理量轉換為電信號，通過(guò)Ａ／Ｄ轉換為數字信號，經(jīng)過(guò)微處理器的數據處理 （濾波、校準）后將結果傳送給網(wǎng)絡(luò )；與網(wǎng)絡(luò )的數據交換由基于ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )接口模塊完成。嵌入式ＷＥＢ傳感器的內部存儲器存儲傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準參數等；微處理器實(shí)現數據的處理和補償以及輸出校準；ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議實(shí)現傳感器的直接網(wǎng)絡(luò )連接。與傳統的傳感器相比，基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的嵌入式ＷＥＢ傳感器更加可靠、便宜，擴展性更好且可以在內部直接對原始數據加工、處理，并通過(guò)Ｉｎｔｅｒｎｅｔ與外界進(jìn)行數據交換。因而它具有微型化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化。傳感器的網(wǎng)絡(luò )化接口實(shí)現了對Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或以太網(wǎng)的互連以進(jìn)行信息的發(fā)布和資源共享。其實(shí)現方式是嵌入式ＷＥＢ傳感器研究的重點(diǎn)。 網(wǎng)絡(luò )化接口實(shí)現的關(guān)鍵在于ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議的實(shí)現。ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議的實(shí)現方法主要有：采用協(xié)議棧移植，針對嵌入式系統，將ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧移植到系統中，然后調用相關(guān)的ＡＰＩ函數實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信；不采用移植方式，參照標準的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議精簡(jiǎn)相應的協(xié)議層，編寫(xiě)相關(guān)的ＡＰＩ函數完成簡(jiǎn)易的ＴＣＰ／ＩＰ通信；采用協(xié)議芯片，如Ｗ３１００Ａ芯片，該方法直接采用硬件方式實(shí)現ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，直接對芯片的寄存器進(jìn)行設置，實(shí)現數據對網(wǎng)絡(luò )的傳送。本文著(zhù)重探討采用Ｗ３１００Ａ芯片實(shí)現嵌入式ＷＥＢ傳感器的網(wǎng)絡(luò )化接口的問(wèn)題。
１ 網(wǎng)絡(luò )化接口的實(shí)現 １．１ Ｗ３１００Ａ芯片及處理器對其訪(fǎng)問(wèn)的實(shí)現 Ｗ３１００Ａ是一ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧芯片，包含的各協(xié)議層有：ＴＣＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＩＣＭＰ和以太網(wǎng)協(xié)議的數據鏈路ＤＬＣ，以及ＭＡＣ協(xié)議。其工作方式類(lèi)似于Ｗｉｎｄｏｗｓ的Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ。芯片的內部結構示意如圖２所示。 該芯片可選擇地支持Ｉｎｔｅｌ／Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＭＣＵ接口，另外還提供一個(gè)Ｉ２Ｃ接口給上層應用層，一個(gè)ＭＩＩ接口給底層物理層。芯片支持全雙工模式，內部帶有雙口的ＳＲＡＭ數據緩沖區。其封裝是６４腳的ＬＱＦＰ。 芯片提供寄存器供ＭＣＵ訪(fǎng)問(wèn)，具體的寄存器分類(lèi)如下：控制寄存器（命令、狀態(tài)及中斷）；系統寄存器（網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、ＩＰ地址等）；用于數據收、發(fā)的指針寄存器；通道操作的通道寄存器。 比較重要的幾個(gè)寄存器如表１所示。表1 寄存器功能和地址示意圖 寄存器名稱(chēng)地 址類(lèi) 型功 能C0_CR～C3_CR0X00～0X03控制寄存器完成相應通道套接字的初始化、連接、關(guān)閉和數據收發(fā)C0_ISR～C3_ISR0X04～0X07控制寄存器套接字命令的結果情況IR0X08控制寄存器各個(gè)通道套接字和數據接收中斷產(chǎn)生情況IMR00X09控制寄存器控制各中斷的屏蔽使能GAR0X80～0X83系統寄存器用于默認的網(wǎng)關(guān)地址的設置SIPR0x8E～0X91系統控制用于IP地址設置寄存器RW_PR每寄存器3字節，具體地址見(jiàn)W3100A數據手冊指針寄存器接收數據的尾指針，依據數據大小自動(dòng)調整RR_PR指針寄存器接收數據的首指針TW_PR指針寄存器傳送數據的尾指針TR_PR指針寄存器傳送數據的當前數據指針TA_PR指針寄存器指示傳送數據的首指針SSRC0:0XA0;C1:0XB8C2:0XD0;C3:0XEB通道寄存器相應通道的套接字狀態(tài)SOPRC0:0XA1;C1:0XB9C2:0XD1;C3:0XE9通道寄存器相應通道的協(xié)議選擇控制寄存器Ｃ０＿ＣＲ（通道０的命令寄存器），用于通道０套接字（Ｓｏｃｋｅｔ）的初始化、連接、關(guān)閉和數據收發(fā)，其設置如下：
其中，Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ用于設置網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼以及ＩＰ地址等，１～６位用于通道０套接字的初始化、連接、斷開(kāi)、監聽(tīng)以及數據收發(fā)，相應位在命令執行后自動(dòng)清除。通過(guò)套接字協(xié)議選擇寄存器Ｃ０＿Ｓ０ＰＲ設置相應的協(xié)議值確定套接字中選用ＴＣＰ還是ＵＤＰ。 芯片正常工作必須對其完成相應的初始化。初始化主要是對必要的寄存器進(jìn)行相應的設置，這些寄存器包括：網(wǎng)關(guān)地址寄存器ＧＡＲ、子網(wǎng)掩碼寄存器ＳＭＲ、硬件地址寄存器ＳＨＡＲ以及ＩＰ地址寄存器ＳＩＰＲ等。上述寄存器被設置后通過(guò)執行控制寄存器ＣＲ的０位Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ激活芯片。 １．２ 硬件接口及其數據傳輸圖3 I2C接口示意圖該芯片提供了并口和串口兩種方式實(shí)現與ＭＣＵ的通信。圖３為基于Ｉ２Ｃ的串口連接方式。其中ＭＣＵ為傳感器中的處理器，以太網(wǎng)物理層設備選用ＲＴＬ８２０１芯片。Ｗ３１００Ａ提供ＭＩＩ接口與ＲＴＬ８２０１相連，其中引腳ＲＸ＿ＣＬＫ、ＲＸＤＶ、ＲＸＤ[0:３]以及ＣＯＬ用于數據的接收，而ＴＸ＿ＣＬＫ、ＴＸＥ、ＴＸＤ[０:３]用于數據的發(fā)送。ＭＣＵ中提供模擬的Ｉ２Ｃ接口與Ｗ３１００Ａ通信。Ｉ２Ｃ是串行通信總線(xiàn)方式，由數據線(xiàn)ＳＤＡ和時(shí)鐘線(xiàn)ＳＣＬ配合完成通信。 建立ＴＣＰ連接的具體過(guò)程如圖４所示。首先完成芯片的ＴＣＰ／ＩＰ初始化，設置相應通道如０通道的協(xié)議選擇寄存器Ｃ０＿ＳＯＰＲ為０Ｘ０１；選擇ＴＣＰ協(xié)議，執行通道０命令寄存器Ｃ０＿ＣＲ中的Ｓｏｃｋｅｔ＿Ｉｎｉｔ，同時(shí)將Ｃ０＿ＴＷ＿ＰＲ、Ｃ０＿ＴＲ＿ＰＲ及Ｃ０＿ＴＡ＿ＰＲ置成同一值；然后執行Ｃ０＿ＣＲ的Ｃｏｎｎｅｃｔ和Ｌｉｓｔｅｎ命令位，如此ＴＣＰ連接建立。
２ 嵌入式ＷＥＢ傳感器的ＷＥＢ功能的實(shí)現及其在測控系統中的應用 ＷＥＢ的工作基于客戶(hù)機／服務(wù)器模型，由ＷＥＢ瀏覽器和ＷＥＢ服務(wù)器即傳感器構成，兩者之間采用ＨＴＴＰ協(xié)議進(jìn)行通信。因此在傳感器的上層協(xié)議應該采用ＨＴＴＰ協(xié)議。同時(shí)要實(shí)現瀏覽器與嵌入式ＷＥＢ傳感器交互，除了要解決上述ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議接口外，在傳感器中應提供一個(gè)ＥＥＰＲＯＭ存儲相應的網(wǎng)頁(yè)文件。交互時(shí)，ＨＴＴＰ通過(guò)統一資源定位器ＵＲＬ(Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｌｏｃａｔｏｒ)確定傳感器應該為瀏覽器提供哪些資源。為了節省空間，通過(guò)一種靈活的Ｈｕｓｈ算法實(shí)現。ＥＥＰＲＯＭ中的每一個(gè)文件都有一個(gè)不同的Ｈｕｓｈ值與之相對應，存取時(shí)很快可以計算出文件的地址。此外，它可以根據網(wǎng)頁(yè)中嵌入的特殊標志實(shí)現動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)。即顯示實(shí)時(shí)采集的數據并進(jìn)行控制操作。 下面是存儲在溫度傳感器中的一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)程序，其中的“＠”字符用來(lái)在網(wǎng)頁(yè)中插入溫度的標志，網(wǎng)頁(yè)文件存放在傳感器的ＥＥＰＲＯＭ里。當用戶(hù)發(fā)出頁(yè)面請求時(shí)，處理器上的程序在ＴＣＰ打包時(shí)，把溫度值嵌入到網(wǎng)頁(yè)中的“＠”字符處，再將網(wǎng)頁(yè)文件添加相應的ＨＴＴＰ頭，返回給請求的用戶(hù)。如此用戶(hù)將在瀏覽器上看到實(shí)際的溫度顯示值。 ＜ＨＴＭＬ＞ ＜ＨＥＡＤ＞ ＜ＴＩＴＬＥ＞實(shí)時(shí)溫度監視＜／ＴＩＴＬＥ＞ ＜／ＨＥＡＤ＞ ＜ＢＯＤＹ＞ ＜ｃｅｎｔｅｒ＞現在的溫度是:＜ｆｏｎｔ ｓｉｚｅ＝＋２ ｃｏｌｏｒ＝＃ＦＦ９９ＦＦ＞ ＠ ＜／ｆｏｎｔ＞＜／ｃｅｎｔｅｒ＞ ＜ＢＲ＞
＜／ＢＯＤＹ＞ ＜／ＨＴＭＬ＞ 如圖５所示，嵌入式ＷＥＢ傳感器和以太網(wǎng)測控網(wǎng)關(guān)將同時(shí)接到以太網(wǎng)上，實(shí)現上層網(wǎng)絡(luò )終端客戶(hù)端對其的訪(fǎng)問(wèn)。上層監控級對嵌式ＷＥＢ傳感器訪(fǎng)問(wèn)采用Ｂ／Ｓ模式，監控級通過(guò)其瀏覽器實(shí)現對嵌入式ＷＥＢ傳感器的訪(fǎng)問(wèn)。 本文所提出的網(wǎng)絡(luò )化接口方案是利用硬件芯片實(shí)現ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧，可以解決當前應用中大量存在的８位ＭＣＵ實(shí)現ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議的問(wèn)題。該網(wǎng)絡(luò )化接口應用到嵌入式ＷＥＢ傳感器上，很好地實(shí)現了現場(chǎng)級設備對外部網(wǎng)的接入，實(shí)現了信息的共享和發(fā)布，同時(shí)也擴大了控制的半徑。該網(wǎng)絡(luò )化接口實(shí)現方便，具有通用性，應用范圍廣。
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