一種嵌入式Web服務(wù)器的設計方案

隨著(zhù)計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和嵌入式智能儀器得到越來(lái)越廣泛的應用，人類(lèi)社會(huì )進(jìn)入后PC時(shí)代。本文主要介紹了嵌入式Web服務(wù)器設計方案，以及實(shí)現和主要應用。

1.引言

嵌入式Web服務(wù)器（Embedded Web Server，EWS）是指將Web服務(wù)器嵌入到現場(chǎng)測試和控制設備中，在相應的硬件平臺和軟件系統的支持下，使傳統的測試和控制設備轉變?yōu)榫邆淞艘訲CP/IP為底層通信協(xié)議，Web技術(shù)為核心的基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )測試和控制設備。

嵌入式Web服務(wù)器簡(jiǎn)化了傳統服務(wù)器的系統結構，在嵌入式設備上它同時(shí)實(shí)現信息傳輸和網(wǎng)絡(luò )接口的功能。嵌入式Web服務(wù)器基于HTTP協(xié)議運作，有標準的接口形式和通信協(xié)議。它可以向任何接入它所在網(wǎng)絡(luò )的合法用戶(hù)提供統一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面。Web技術(shù)的開(kāi)放性和平臺獨立特性能夠降低開(kāi)發(fā)難度，減少軟件系統和通信系統的設計維護工作量，提高了現場(chǎng)測試和控制設備的管理水平。

2.嵌入式WEB服務(wù)器總體設計方案

接入Internet有很多種接入方式：電話(huà)撥號接入、ISDN，ADSL、以太網(wǎng)接入等，其中以太網(wǎng)作為一種廉價(jià)、高效的Internet接入方式，已經(jīng)得到了非常廣泛的應用，本文的Internet接入采用以太網(wǎng)方式。

將TCP/IP協(xié)議棧嵌入到單片機中，使用網(wǎng)絡(luò )控制芯片實(shí)現單片機的上網(wǎng)和數據傳輸。利用網(wǎng)絡(luò )單片機（嵌入了TCP/IP協(xié)議棧的單片機）可以實(shí)現很多功能，嵌入式Web服務(wù)器就是其中的一種。通過(guò)Web服務(wù)器，客戶(hù)端瀏覽器可以瀏覽這些設備的動(dòng)態(tài)信息，并且還可以實(shí)現與系統的交互功能。

（1）嵌入式Web服務(wù)器的一般結構

嵌入式Web服務(wù)器的設計通常以通用Web服務(wù)器系統結構為藍本，根據嵌入式系統的特性進(jìn)行優(yōu)化。嵌入式Web服務(wù)器的硬件系統包含了Web通信功能的微處理器或者微控制器系統，它可以和前端的應用系統直接集成在一起，也可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與應用系統相連。

一個(gè)完整的硬件系統由微型處理器、FLASH存儲器、DRAM存儲器、網(wǎng)絡(luò )接口和前端應用系統硬件所組成。微型處理器負責全局的運行和管理，FLASH存儲器用來(lái)存儲實(shí)時(shí)操作系統的系統內核、TCP/IP協(xié)議棧、各種Web文檔；DRAM存儲器在系統運行時(shí)使用；網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現與Internet的連接；前端應用系統的硬件完成傳統意義上的應用功能。

由于嵌入式系統硬件資源有限，嵌入式Web服務(wù)器的硬件結構不能很復雜，實(shí)時(shí)操作系統的系統內核、TCP/IP協(xié)議棧、各種Web文檔都必須存儲在FLASH中，這對軟件系統設計提出了較高的要求。嵌入式Web服務(wù)器應用系統的硬件結構如圖1所示。

（2）系統的硬件設計方案

LPC2132微控制器是所設計的嵌入式Web服務(wù)器的核心，一方面LPC2132微控制器內部要實(shí)現TCP/IP協(xié)議棧，并驅動(dòng)網(wǎng)絡(luò )接口控制器ENC28J60，經(jīng)耦合隔離變壓器H1102和以太網(wǎng)以實(shí)現Internet接入；另一方面，LPC2132微控制器又是相應控制系統的控制單元。

由于以太網(wǎng)的廣泛使用，本文選擇了最為常用的Internet接入方式，即通過(guò)以太網(wǎng)接入Internet.由美國Microchip公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60是本設計所選擇的網(wǎng)絡(luò )接口控制器，它集成了介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層和物理層的功能，主要完成網(wǎng)絡(luò )接口層中數據幀的發(fā)送和接收。

H1102是一款耦合隔離變壓器，用來(lái)對網(wǎng)絡(luò )上的脈沖進(jìn)行轉換和濾波。H1102聯(lián)接RJ45接頭，可以直接接入以太網(wǎng)。

串行電平轉換模塊選用了Maxim公司出品的MAXSP3232E芯片。該芯片內部含有倍增電路和轉換電路，只需+5V電源供電即可實(shí)現TTL電平到RS232C電平的轉換。RS232串口一方面是作為開(kāi)發(fā)調試用的，一方面可以作為相應的通信應用。

I/O口擴展包括系統的LED顯示電路、JTAG調試電路以及其他測試電路等。

（3）系統的軟件設計方案

Web服務(wù)器是在嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的基礎上實(shí)現的一種應用程序。從系統軟件工作過(guò)程來(lái)看，可將系統分三部分：第一部分，以太網(wǎng)控制器驅動(dòng)程序的實(shí)現；第二部分：嵌入式TCP/IP協(xié)議的實(shí)現，這部分內容在第一部分的基礎上，結合系統具體環(huán)境，對標準TCP/IP協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)化并在A(yíng)RM7單片機上進(jìn)行移植；第三部分：應用層部分，通過(guò)嵌入式TCP/IP協(xié)議對用戶(hù)數據進(jìn)行收發(fā)處理。這里是在應用層實(shí)現HTTP協(xié)議來(lái)完成Web服務(wù)器功能的。

所以系統軟件設計部分主要包括了以太網(wǎng)控制器的驅動(dòng)程序、嵌入式TCP/IP協(xié)議棧以及動(dòng)態(tài)web網(wǎng)頁(yè)的實(shí)現等幾個(gè)模塊：

1）以太網(wǎng)控制器驅動(dòng)程序是指LPC2132微控制器對ENC28J60芯片的驅動(dòng)、控制過(guò)程。

2）在LPC2132微控制器內部嵌入TCP/IP協(xié)議棧是系統實(shí)現的關(guān)鍵，它主要包括了ARP，ICMP，IP，TCP和HTTP協(xié)議的設計與實(shí)現。

3）動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的實(shí)現。使用CGI技術(shù)，可以實(shí)現動(dòng)態(tài)信息的交換，從而達到遠程監視、控制的目的。

軟件設計中的另一任務(wù)是確定開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。對于嵌入式系統來(lái)說(shuō)，掌握匯編語(yǔ)言的編程是至關(guān)重要的，即使使用高級語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程，通過(guò)閱讀編譯出來(lái)的匯編代碼，也可以發(fā)現高級語(yǔ)言編程時(shí)需要優(yōu)化的地方，從而提高高級語(yǔ)言所編寫(xiě)代碼的執行效率。

同時(shí)嵌入式系統的資源緊張，要合理利用資源，提高運行效率，關(guān)鍵部分、時(shí)間要求嚴格的部分還是需要使用匯編語(yǔ)言來(lái)完成。但匯編語(yǔ)言在代碼編寫(xiě)和維護上效率較低，通用性不強，在復雜的項目上還是選用高級語(yǔ)言比較合理。在本設計中，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)ARM7內核的啟動(dòng)代碼（boot loader），其它的程序采用C語(yǔ)言作為設計語(yǔ)言。它有很明顯的優(yōu)勢：C語(yǔ)言是一種編譯型程序設計語(yǔ)言，它兼顧了多種高級語(yǔ)言的特點(diǎn)，有豐富的庫函數、運算速度快，而且可以直接實(shí)現對系統硬件的控制，較匯編語(yǔ)言有更好的可讀性。

3.嵌入式Web服務(wù)器設計的實(shí)現

（1）主程序流程

在主程序流程中，主要設計實(shí)現包括兩大部分：第一是對接收到的以太網(wǎng)數據幀進(jìn)行解包：第二則是對要發(fā)送的數據進(jìn)行封裝并發(fā)送。

系統初始化模塊主要包括了LPC2I32微控制器的初始化、網(wǎng)絡(luò )接口芯片ENC28J60的初始化、TCP/IP協(xié)議棧中各標志的初始化等：

ARP處理模塊主要完成接收ARP請求并發(fā)送ARP響應；ICMP處理模塊主要完成接收ICMP回顯請求并發(fā)送ICMP回顯響應；TCP數據處理模塊主要完成對TCP數據報及HTTP數據的處理。

當程序運行時(shí)，首先對系統初始化，這時(shí)系統處于等待狀態(tài)，直到有數據幀到達。ENC28J60接收完數據幀以后，首先去除幀頭，然后判斷該數據幀的報文是否為ARP包，若是，則進(jìn)行ARP數據包處理，若不是，則檢查數據報頭，看IP數據包的報文是否為ICMP數據包，若是ICMP數據包，則轉到ICMP數據處理子程序。若不是ICMP數據包，就繼續進(jìn)行判斷，看是否為T(mén)CP數據包，若為T(mén)CP數據包則轉入TCP數據處理子程序，若此時(shí)即不是ICMP數據包也不是TCP數據包，則將該包丟棄。

子程序的設計是為了完成TCP/IP協(xié)議體系的每一層的功能的，TCP/IP協(xié)議的每一層都是相互聯(lián)系的，但也是相對獨立的，具體由下面7個(gè)部分實(shí)現：以太網(wǎng)驅動(dòng)程序、以太網(wǎng)層程序、ARP協(xié)議處理程序、IP協(xié)議處理程序、ICMP協(xié)議處理程序、TCP協(xié)議處理程序、HTTP協(xié)議處理程序。