基于Cortex-M3內核處理器的嵌入式Web服務(wù)器設計

　　引言

　　目前，網(wǎng)絡(luò )化控制己成為遠程控制的主要研究方向，利用網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對局域乃至全球范圍內設備的監控是工業(yè)控制系統的發(fā)展趨勢[1]。嵌入式Internet遠程監控技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò )化控制的代表，它解決了工業(yè)控制領(lǐng)域中異構網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)問(wèn)題，提高了傳統裝備的智能化水平，促進(jìn)了傳統產(chǎn)業(yè)結構的調整。嵌入式Web服務(wù)器尤其適用于嵌入式Internet應用，它通過(guò)Ethernet或Modem的連接可以輕松連接到任何網(wǎng)絡(luò )，真正實(shí)現對設備的遠程管理和控制。

　　實(shí)現方案

　　嵌入式Web服務(wù)器必須具備的基本功能包括：可控制與其連接的設備并獲取設備的狀態(tài)和數據;現場(chǎng)信息可以網(wǎng)頁(yè)形式發(fā)布;可及時(shí)響應遠程用戶(hù)的控制命令。此外，嵌入式設備應具有功能簡(jiǎn)單、功耗低和便攜等特點(diǎn)。為此，筆者設計的系統如圖1所示。

　　圖1 系統框圖

　　本系統采用了ST公司的Cortex-M3內核的STM32微處理器STM32F103RB。該芯片屬于STM32系列的增強型，提供多達128KB的片內Flah、20KB的RAM和豐富的外設接口。Cortex-M3內核在設計上專(zhuān)門(mén)考慮了滿(mǎn)足集功耗低、實(shí)時(shí)性強的工業(yè)級嵌入式產(chǎn)品領(lǐng)域的特點(diǎn)。在性能相同的條件下，STM32產(chǎn)品功耗比同級別產(chǎn)品要低75%，工作環(huán)境溫度達105℃。因為集成度很高，除一個(gè)電源外，LQFP100封裝芯片的最小系統只需要外接7個(gè)電容即可。

　　TCP/IP協(xié)議棧由W5100來(lái)支持，它集TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC和PHY為一體，其內部16KB的發(fā)送/接收緩沖區可快速進(jìn)行數據交換，最大通信速率達到25Mbps;內嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層，支持自動(dòng)應答;提供多種總線(xiàn)接口方式，可以很方便地與各種MCU連接，簡(jiǎn)化了硬件電路設計，使嵌入式系統在沒(méi)有操作系統的支持下，真正實(shí)現單芯片接入因特網(wǎng)的理想。

　　為減少PCB板面積和布線(xiàn)復雜性，考慮到系統的數據傳輸率要求不高，選擇SPI接口作為STM32F103RB和W5100的連接方式。STM32F103RB、W5100和RJ45接口構成一個(gè)典型的嵌入式Web服務(wù)器。

　　作為一個(gè)應用實(shí)例，本設計利用STM32F103RB的片上ADC和GPIO，將服務(wù)器與LED和壓力傳感器相連，一旦服務(wù)器接收到來(lái)自瀏覽器端的連接請求，服務(wù)器將及時(shí)響應，將當前的壓力參數、LED狀態(tài)和溫度等信息嵌入到Web頁(yè)面并發(fā)布到網(wǎng)上，這樣現場(chǎng)的各種信息就呈現在瀏覽器。此外，用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)上的控制按鈕可以遠程控制LED狀態(tài)，操作結果能及時(shí)反饋在網(wǎng)頁(yè)上。

　　硬件設計

　　圖2為嵌入式Web服務(wù)器的簡(jiǎn)化電路圖，主要顯示了構成服務(wù)器的三個(gè)核心器件的連接方式。RJ45接口是帶有網(wǎng)絡(luò )變壓器的物理層接口。在W5100中，通過(guò)將SEN引腳經(jīng)10KΩ電阻上拉到高電平以使能其處于SPI從模式。CS為片選，MISO和MOSI為兩條數據傳輸線(xiàn)。W5100的SPI工作時(shí)鐘由處于主模式的STM32F103RB提供。為方便STM32F103RB判斷W5100的工作狀態(tài)，必須將W5100的中斷引腳INT與STM32F103RB的外部中斷線(xiàn)相連接。W5100的第5、6、8和9引腳是PHY信號線(xiàn)，用于與RJ45接口相連接。除電源相關(guān)引腳外，W5100的其它引腳可以選擇置空。