（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式webserver的远程测控系统设计与研究.pdfVIP

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术和网络技术的飞速发展，嵌入式系统得到了广泛的应用，越来 越多的信息化产品都接入互联网并通过w e b 页面进行远程访问和控制，嵌入式 w e b s e r v e r 已经成为了嵌入式系统研究和应用的热点。作者详细论述了基于嵌入式 平台的远程测控系统的开发过程，在分析了嵌入式系统平台及w e b s e r v e r 技术的 基础上，设计如下的系统整体方案：使用嵌入式系统作为上位机通过r s 4 8 5 总线 来访问和控制下位机，采用b s 结构构建w e b s e r v e r 通过局域网络来实现远程用 户的访问。并按照方案选取了硬件平台并构建了软件平台并基于该平台设计了应 用软件。 论文详细的论述了采用基于a r m 9 的$ 3 c 2 4 1 0 x 作为硬件平台，在该硬件平台上 配置和移植v i v i 作为b o o t l o a d e r 过程，裁剪和配置嵌入式l i n u x 作为操作系统 的过程、配置和移植b o a 作为w e b s e r v e r 的软件系统平台的过程。按照方案设计 了应用软件，该应用软件实现对下位机的访问和控制及将数据传送给远程客户和 接收远程客户控制命令的功能，并详细的说明了应用软件中共享内存的创建、划 分和访问的设计过程，串行通信程序的设计过程，数据文档的设计过程，c g i 程序 的设计过程，等。 论文最后将该设计应用于远程水位测量系统，结果表明系统能够满足用户对于 远程控制水位仪和采集数据的要求，实现了预期的目标。 关键词：嵌入式系统，a r m ，l i n u x ，b o a ，远程控制 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 喵t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m sa r e w i d e l yu s e d a sm o r ea n dm o r ei n f o r m a t i o n a lp r o d u c t sa c c e s st oi n t e r n e ta n dt h e yc a r r y o nr e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt h r o u g ht h ew e bp a g e s e m b e d d e dw b b s e r v e rh a s b e c o m eh o ts p o t si nr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m s n ep a p e rd i s c u s s e s d e s i g no ft h er e m o t em e a s u r e m e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m i nd e t a i l a n dd e s i g n st h es y s t e ms o l u t i o nb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee m b e d d e ds y s t e m a n dt h ew e b s e r v e rt e c h n o l o g y t h a ti s u s e st h ee m b e d d e ds y s t e mt ov i s i ta n dc o n t r o l t h el o w e rp o s i t i o nm a c h i n ea st h es u p e r i o rm a c h i n et h r o u g ht h er s 4 8 5b u s ，a n du s e s t h eb ss t r u c t u r et oc o n s t r u c t 腑b s e r v e rt or e a l i z er e m o t ea c c e s sa n dc o n t r o lt h r o u g h t h el a n a l s oi th a ss e l e c t e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r i l la n dh a sc o n s t r u c t e dt h es o f t w a r e p l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h ep l a n ，a n dd e g s i g nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h e p l a t f o r m t h ep a p e rd e s c r i p t si nd e t a i lt h ep r o c e d u r eo fu s e st h es 3 c 2 4 1 0b a s e do nt h ea r m 9 a st h eh a r d w a r e p l a t f o r m a n d i t d e s c r i p t s t h e p r o c e d u r eo fc o n f i g u r a t i o n ga n d t r a n s p l a n t i n go ft h e v i a st h e b o o t l o a d e r , a n dt h ep r o c e d u r eo fc u t t i n ga n d c o n f i g u r a t i o no fe m b e d d e dl i n u xa st h eo p e r a t i o ns y s t e m ，a n dt h ep r o c e d u r eo ft h e c o n f i g u r a t i o na n dt r a n s p l a n t i n gt h eb o aa st h ew e b s e r v e r i td e s i g n st h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r e ，t h i ss o f t w a r ec a nr e a l i z et h ef u n c t i o no fa c c e s sa n dc o n t r o lo ft h el o w e r p o s i t i o nm a c h i n e s a n di tc a nt r a n s l a t et h ed a t at ot h er e m o t ec u s t o m e ra n dr e c e i v et h e c o m m a n df r o mt h ec u s t o m e r n ep a p e ra l s od e s c r i p t st h ed e s i g no ft h ea p p l i c a t i o n ， i n c l u d e st h ef o u n d a t i o na n dd i v i t i o na n da c c e s so ft h es h a r i n gm e m o r y , t h ed e s i g no ft h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e ，a n dt h ed e s i g no ft h ed a t ad o c u m e n t s ，a n dt h ed e s i g n o ft h ec g ip r o g r a m s e t c a tt h el a s t ，t h ea u t h o ra p p l i e st h ed e s i g ni nt h er e m o t ew a t e rl e v e lm e a s u r e m e n t s y s t e m t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es y s t e mc a ns a t i s f yt h er e q u e s to ft h er e m o t ec o n t r o l a n dg a t h e r i n gd a t a i th a sa c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dg o a l k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，l i n u x ，b o a ，r e m o t ec o n t r o l i l 潮班j 耋大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 呻畚 学位论文作者签名：呻嵫日期：棚年j 一月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：蔫沿指导教师签名：习那韦 j 日期：j 衅f 月；j 日日期：弘吆年万月另。日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统概述 第1 章引言 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适合应 用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗要求的专用计算机系统n 1 。嵌入式系 统是面向应用、产品和用户的，所以在嵌入式系统中，具体的应用差异导致嵌入 式系统软、硬件需求千差万别。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都 必须高效率的设计，量体裁衣，尽量以最小的系统和最低的硬件去实现目标功能瞳1 。 嵌入式系统被广泛应用于工业过程控制、军事电子设备和现代武器、网络通信 设备、消费电子产品等领域。 任何嵌入式系统都包含硬件和软件两个方面。硬件包括微处理器、存储器、i o 端口等。软件包括操作系统软件和应用软件，操作系统提供底层支持，应用软件 实现系统的运作及行为。 1 1 1 嵌入式系统硬件简介 嵌入式系统硬件与通用计算机硬件平台相比具有如下特点口1 ： 体积小，集成度高。嵌入式系统总是去除冗余，力争用最小的系统完成目标功 能。 面向特定的应用。具体的嵌入式系统只能适应某一特定应用，不同应用的硬件 系统一般都需要重新设计。 低功耗，对工作环境要求不高，可以在出故障后快速恢复。 嵌入式处理器是嵌入式系统中的核心部件。嵌入式处理器的功能和性能，影响 着整个系统的设计。嵌入式处理器的选择，制约了其配套的外围器件的选择，也 很大程度上影响着系统软、硬件功能的划分策略，包括操作系统的选择，所以嵌 入式硬件系统选择一般指嵌入式处理器的选择。 嵌入式处理器一般分为4 类： 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s su n i t ，e m p u ) 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 湖北工业大学硕士学位论文 常见的嵌入式处理器有： 。 i n t e l 公司x 8 6 体系结构的嵌入式处理器，包括i 9 6 0 系列、嵌入式3 8 6 4 8 6 系列、s t r o n g a r m 系列和x s c a l e 系列。 m o t o r o l a 公司的6 8 系列、c o l d f i r e 系列、m p c 系列等。 a r m 公司系列嵌入式处理器，包括a r m 7 、a r m 9 t d m i 、a r m i o t d m i 等。 1 1 2 嵌入式操作系统简介 嵌入式操作系统与通用计算机系统的操作系统类似，也是需要实现作业管理、 进程管理、存储管理、设备管理及文件管理。最终实现对嵌入式系统硬件的整合 和管理，为用户提供了对系统资源充分利用的抽象的方法h 1 。 嵌入式系统具有的特殊要求包括不同程度的实时性要求；嵌入式系统体积、功 能、能耗等方面受工作环境、具体开发、生产成本的限制；嵌入式系统的软、硬 件系统复杂多变，要求其操作系统应该根据这些环境有很好的可移植性、可配置 性和可裁剪性，以便能灵活的适应不同的软硬件环境。 嵌入式系统软件特点口3 与硬件密切相关。不同硬件平台需求不同，从而导致软件需要针对硬件进行设 计。 软件要求高效率和高可靠性。由于嵌入式系统相对通用计算机系统硬件资源 ( 如处理器、存储器，内存空间) 有限。所以在软件编程过程中必须时刻考虑 软件的运行效率。在实时系统中，还需要及时响应、处理各种突发任务。 软件一般是固化在f l a s h 或r o m 中。与通用计算机系统软件保存在硬盘中不同， 为了提高运行的速度和可靠性，嵌入式系统的软件一般在调试完毕之后下载固 化在目标板的f l a s h 或r o m 中。 常见的嵌入式操作系统有： v x w o r k 操作系统：以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛的应用于通信、 军事、航空航天等实时性要求高的领域。 w i n c e 操作系统：m i c r o s o f t 公司从整体上为有限资源平台设计的多任务、多 优先级的操作系统，但实时性较差。是软实时性操作系统。 v r t x 操作系统。 p s o s 操作系统。 p a l mo s 操作系统：主要应用于p d a ( 个人数字助理) 领域， 嵌入式l i n u x 操作系统。 2 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 2 1 嵌入式lin u x 简介 l i n u x 是一种u n i x 类操作系统，它兼容p o s i x1 0 0 3 1 标准，并包含了u n i x s y s t e mv 与b s d 4 3 的大部分特征。包含：多任务支持、多用户支持、多处理器支 持、跨平台支持、按需调入执行、分页机制、动态外存缓存、共享库支持、多种 不同格式可执行文件支持、内存保护模式、支持多种文件系统、多种网络协议支 持等特点陌1 。 嵌入式l i n u x 是将l i n u x 针对嵌入式系统进行设置和裁剪，有以下的特点口1 ： 完全开放的源代码。嵌入式l i n u x 开放源代码，使得修改和裁剪成为可能，开 发者可以对嵌入式l i n u x 进行二次开发，去掉无用的附加功能，并可以根据需要 优化操作系统代码，从而降低整个系统的开销。 成本低。g p l 协议保证了嵌入式l i n u x 也是开源的自由软件，只要是遵守g p l 协议，使用嵌入式l i n u x 源代码是免费的。因此，在整个系统的开发中，嵌入式 操作系统的费用是可以忽略不计的。 丰富的软件支持。l i n u x 提供了大量的软件和各式各样的应用程序。可以根据 需要使用l i n u x 提供的丰富的软件支持，迅速构造嵌入式应用的软件环境，这样 可以提高系统的可靠性并极大的节省了开发的时间和费用。 l i n u x 系统在操作系统上实际上由2 个比较独立的部分组成，即内核部分和系 统部分。通常启动一个l i n u x 系统的过程是这样的：一个不隶属于任何操作系统 的加载程序( 一般是b o o t l o a d e r ) 将l i n u x 部分内核调入内存，并将控制权交给 内存中l i n u x 内核的第一行代码。然后l i n u x 要将自己剩余部分加载入内存( 如 果有的话) ，初始化所有的设备，在内存中建立好所需的数据结构( 有关进程、设 备、内存等) 。到此为止，l i n u x 内核已经控制了所有的硬件设备。然后由系统部 分上场，内核加载根设备并启动i n i t 守护进程，i n i t 会根据配置文件加载文件系 统，配置网络、服务进程、终端等随3 。 l i n u x 内核主要是由5 个子系统组成：进程调度、内存管理、虚拟文件系统、 网络接口、进程间通信呻1 。 进程调度：控制进程对c p u 的访问。当需要选择下一个进程运行时，由调度程 序选择最值得运行的进程。 内存管理：允许多个进程安全的共享主内存区域。 虚拟文件系统( v f s ) ：隐藏各种硬件的具体细节，为所有的硬件提供统一的接 口，v f s 提供了数十种不同的文件系统，分为逻辑文件系统和设备驱动程序。 网络接口：提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持。 进程间通信：支持进程间各种通信机制。 3 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 2 2b o o tio a d e r 简介 b o o t l o a d e r 是系统加电后引导的第一段代码，从计算机体系结构可以知道， 通用计算机中的引导程序是由固化在主板上的b i o s ( b a s i ci n p u to u t p u ts y s t e m ) 和硬盘上的m b r ( m a s t e rb o o tr e c o r d ) 中的引导程序一起组成。其主要作用是从 硬盘中将内核加载到内存中，然后跳转到内核的入口点去执行，即启动操作系统， 然后将控制权交给操作系统，完成启动引导功能。 而在嵌入式系统中，并没有b i o s 那样的固件程序，因此系统引导的任务就完 全由b o o t l o a d e r 来完成。通常来说，在基于a r m 9 2 0 t 的嵌入式系统中，系统在上 电或复位之后从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 处开始执行，所以将b o o t l o a d e r 程序的起始地址放 置在o x 0 0 0 0 0 0 0 0 处n 训。 一般来说，b o o t l o a d e r 包含两种不同的操作模式：启动加载模式( b o o t l o a d i n g ) 和下载模式( d o w n l o a d i n g ) n 。 启动加载模式是指b o o t l o a d e r 从板上某个固态的存储设备上( n o r f l a s h 或 n a n d f l a s h ) 将操作系统加载至r a m 中运行，这种模式不需要用户的操作也称为自 主模式( a u t o n o m o u s ) 。这种模式是系统正常的工作模式，在产品系统发布的时候， b o o tl o a d e r 必须工作于这种模式。 下载模式是指b o o t l o a d e r 启动之后，从串口或以太网络接口从主机上下载文 件并加载至r a m 中，然后将文件写入板上的固态存储设备中。这种方式一般用于 第一次安装内核或系统更新。这种模式下，b o o t l o a d e r 会提供命令行接口供用户 交互使用。 总之，b o o t l o a d e r 的作用就是正确的调出内核并加载执行。由于嵌入式系统 硬件差异很大，b o o t l o a d e r 的实现依赖于c p u 的体系结构，所以大多数的 b o o t l o a d e r 分为两大部分。第一部分为硬件设备初始化的代码，使用汇编编制， 短小精悍。第二部分为扩展的功能，一般使用c 语言实现。 1 2 嵌入式w e b s e r v e r 概述 如今，i n t e r n e t 技术得到了飞速的发展，已经融入到了我们日常的工作和生 活中，深深的影响了工作和生活的方式，人们充分的利用i n t e r n e t 来获取自己所 需要的资源。基于t c p i p 协议的w e b 技术得到了日益广泛的应用，基于高性能的 w e b 服务器的w e b 应用在日常工作生活中产生了巨大的影响n ，。 从九十年代以来，基于i n t e r n e t 的设备互联的理念更加促进了互联网技术的 发展，这种理念要求所有的设备都被分配一个网络地址，通过这个i p 地址将所有 4 湖北工业大学硕士学位论文 的设备统一在一个基于t c p i p 的全球化的i n t e r n e t 中。随着这个理念发展的就 是嵌入式w e b 服务( e w s ) 技术，这种技术是就是把网络化设备设计成w e b 服务器， 通过h t t p 协议和w e b 页面形式实现对设备的远程控制。e w s 与传统的w e b 应用相 比，简化了系统结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的测控设备中。而有 了标准的接口形式和通信协议，内嵌于设备的w e b 服务器同样可以向任何接入它 所在网络的合法用户提供统一的基于嵌入式浏览器方式的操作和控制界面，浏览 器成了设备的前端控制板n 引。 在嵌入式系统上构造w e b s e r v e r ，就是为了实现基于b s 模式的远程访问。所 谓的b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式就是浏览器和服务器结构。它是随着i n t e r n e t 的兴起，对c s ( c l i e n t s e r v e r ) 的一种变化和改进。在b s 模式下，用户的工 作界面就是i n t e r n e t 浏览器，主要的事务在服务器端实现。 b s 结构利用了w w w 技术，结合多种脚本语言及技术。通过浏览器实现了原来 需要在用户端安装的客户端程序的功能。随着操作系统内置了浏览器，这种结构 更加成为一种广泛使用的体系结构。显然对于原c s 结构来说是一种巨大的进步。 其最大的进步体现在，传统的c s 结构的软件进行修改的话，需要在每个客户端 更新程序，其工作量可想而知而b s 结构的软件只需要更新服务器端程序即可。 1 2 1h t t p 协议简介 h t t p ( h y p e rt e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 是超文本传输协议的缩写，它用于传 送w w w 方式的数据n5 l 。h t t p 协议采用了请求响应模型，客户端向服务器发送一个 请求，请求头包含请求的方法、u r i 、协议版本、以及包含请求修饰符、客户信息 和内容的类似于m i m e 的消息结构。服务器以一个状态行作为响应，相应的内容包 括消息协议的版本，成功或者错误编码加上包含服务器信息、实体元信息以及可 能的实体内容。 通常h t t p 消息包括客户机向服务器的请求消息和服务器向客户机的响应消 息。这两种类型的消息由一个起始行，一个或者多个头域，一个只是头域结束的 空行和可选的消息体组成。h t t p 的头域包括通用头，请求头，响应头和实体头四 个部分。每个头域由一个域名，冒号( ：) 和域值三部分组成。域名是大小写无关 的，域值前可以添加任何数量的空格符，头域可以被扩展为多行，在每行开始处， 使用至少一个空格或制表符。 客户程序向服务器发送的请求可以有不同的类型，这样服务器可以根据不同的 请求类型进行不同的处理。在h t t p l 0 中，定义了三种最基本的请求类型，g e t 、 p o s t 和h e a d ，客户程序用大写指令将请求发送给服务器，后面跟随具体的数据。 5 湖北工业大学硕士学位论文 h s t p 协议是基于请求响应范式的。一个客户机与服务器建立连接后，发送 一个请求给服务器，请求方式的格式为，统一资源标识符、协议版本号，后边是 m i m e 信息包括请求修饰符、客户机信息和可能的内容。服务器接到请求后，给予 相应的响应信息，其格式为一个状态行包括信息的协议版本号、一个成功或错误 的代码，后边是m i m e 信息包括服务器信息、实体信息和可能的内容。 许多h t t p 通讯是由一个用户代理初始化的并且包括一个申请在源服务器上资 源的请求n 引。最简单的情况可能是在用户代理( u a ) 和源服务器( o ) 之间通过一个单 独的连接来完成，如图1 1 。 用户代理 源服务器 图1 1 简单连接图 基于h t t p 协议的客户服务器模式的信息交换过程，如图1 2 所示，它分四个 过程，建立连接、发送请求信息、发送响应信息、关闭连接。 客户端 1 2 2h t m l 语言简介 建立连接卜 发出请求信自_ 卜 i _ 一发出响应信启广一 i 一关闭连接一 图1 2 信息交换过程 服务器 超文本标记语言h t m l ( h y p e rt e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 是一种用于编制超文 本文件的文档格式化语言，他对文件显示的具体格式进行了详细的规定和描述， 当浏览器读取某一h t m l 文件时，就会显示相应的页面n7 1 。h t m l 语言具有平台无关 性，只要有相应的w e b 浏览器，就能解释运行h t m l 文件。 h t m l 文件的基本结构如下： 6 湖北工业大学硕士学位论文 h t m l 文件的基本结构( 首部) h t m l 文件的基本结构( 主体部分) 通常当客户端用户向w e b 服务器发出了请求之后，w e b 服务器就将某一w e b 网 页传给浏览器。除非客户端执行了r e l o a d 命令或发出新的请求，该w e b 网页将一 直停留在浏览器的窗体中。 如果需要在用户界面上实时的刷新采集的数据，需要浏览器能够自动更新，实 现浏览器自动更新的方法有c li e n tp u ll 和s e r v e rp u s h 。 c l i e n t p u l l ：在w e b 网页中使用了c l i e n t p u l l 后，浏览器将会自动在某一时 间间隔后更新w e b 网页或跳向别的w e b 网页。例如需要在5 秒钟之后自动更新网 页，可以在 和 之间加入 。同样，在后台程序中每隔5 秒钟将对应的h t m l 文件更新一次，就可以达到自 动刷新页面的目的。 s e r v e rp u s h ：s e r v e rp u s h 和c 1 i e n tp u l l 不同，s e r v e rp u s h 由w e b 服务器 来承担产生动态网页的任务。一个s e r v e rp u s h 始终维持w e b 服务器和客户端浏 览器的s o c k e t 连接，并且可以连续向浏览器发出几帧或无数帧的数据，每帧的数 据可以为各种m i m e 类型。当浏览器接收到数据以后就立刻显示它们，并在w e b 页 面上用新收到的一帧的数据代替以前的数据。使用语句： ”c o n t e n t t y p e ：m u l t i p a r t x m i x e d r e p l a c e ：b o u n d a r y = b o u n d a r y n n ” 1 2 3c gl 简介 c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 通用网关接口，是w e b 服务器和主机应用 程序之间进行信息交换的一种接口标准或规范，c g i 作为标准已经被大多数w e b 服 务器所支持n 8 l 。 c g i 实现了对标准输入输出的重定向：借助c g i ，w e b 服务器可以激活一个c g i 程序，并将来自w e b 页面的信息通过标准输入或环境变量传递给该程序；随后， 又可以将该程序的响应标准输出信息返回给客户端的w e b 浏览器。 所谓的c g i 方法指的是w e b 服务器激活c g i 程序之后，向其传递数据的方法或 途径，主要采用的方法有g e t 和p o s t n 9 i 。 7 湖北工业大学硕士学位论文 g e t 方法： 。 使用该方法时，w e b 服务器将用户提交的数据( 小于1 0 2 4 字符) 存入到环境 变量q u e r y s t r i n g 中，c g i 程序从该变量获取所需的数据。使用g e t 方法时，数 据附在u r l 后，以“u r l ? d a t a 的形式传给w e b 服务器。w e b 服务器处理该请求 时，激活u r l 指明的c g i 程序并将d a t a 存到环境变量中，c g i 程序从环境变量 q u e r y _ s t r i n g 中获得信息。 p o s t 方法： 使用该方法时，w e b 服务器通过标准输入向c g i 程序传递用户通过页面提交的 数据，而c g i 通过标准输入获得所需数据。数据的长度在环境变量c o n t e n t l e n g t h 中指明。所以当数据量大于1 0 2 4 时，只能用p o s t 方法。由于数据最后一般不使 用e o f 标签，所以c g i 程序读取数据之前，必须利用c o n t e n t _ l e n g t h 中的值。 数据组织和编码( u r l 编码) c g i 程序处理的输入数据是被w e b 服务器处理过的数据，w e b 服务器将可能会 导致c g i 出错的字符进行替换( 称为u r l 编码) ，并且将数据组织便于c g i 程序进 行处理。 “名= 值 对： w e b 服务器将数据组织成由“”隔开的有序排列的“名= 值 ( n a m e = v a l u e ) 对的形式。这里的“名”指的是h t m l 表单( f o r m ) 中数据输入区域的名字( 由表 单元素的n a m e 指定) ，而“值是指的是用户的输入或选择( 一般以v a l u e 指定) ， 然后以“= 连接。如n a m e l = v a l u e l n a m e 2 = v a l u e 2 & n a m e 3 = v a l u e 3 & e t c u r l 编码： w e b 浏览器对用户数据中的某些特殊的字符进行相应的编码处理，称为u r l 编 码。任何a s c i i 值大于7 f h 或小于2 1 h 的字符都将编码成# # 的形式( “# # 为相 应字符的十六进制a s c i i 值) 啪3 。 c g i 环境变量： 环境变量指的是当w e b 服务器激活c g i 程序时为该c g i 程序所设置的与系统有 关的变量，w e b 服务器与c g i 程序交换信息的协作方式是通过环境变量实现的常 用的环境变量有瞳： 与服务器有关的环境变量 g a t e w a y i n t e r f a c e ：给出服务器所支持的c g i 版本 s e r v e r _ n a m e ：给出服务器的i p 地址或主机名 s e r v e r _ p o r t ：给出服务器接收的h t t p 请求的端口号 s e r v e r p r o t o c o l ：给出服务器用于处理请求的协议名和版本号 8 湖北工业大学硕士学位论文 s e r v e r s o f t w a r e ：给出服务器软件的名字和版本 与客户机有关的环境变量 h t t pa c c e p t ：给出客户机可以接受的m i m e 类型 h t t p _ u s e r _ a g e n t ：给出客户群浏览器软件的名字和版本 h t t p ：给出客户机所指向的文件的_ r e f e r e r h t m lu r l 与请求有关的环境变量 c o n t e n t 给出 方法传递数据时的数据长度_length：post q u e r ys t r i n g ：给出g e t 方法传递数据时存放的数据 r e q u e s t _ m e t h o d ：给出传递数据使用的方法( g e t 或者p o s t ) 1 3 串行多机通信简介 1 3 1 串行通信简介 串行通信是二进制代码序列在一条信道上以位( 码元) 为单位，按时间顺序且 按位传输的通信方式。串行传输时，发送端按位发送，接收端按位接收，同时还 要对所传输的位加以确认乜引。所以通信双方要采取同步措施，否则接收端将不能 正确区分所传输的字符。 。 串行通信分为同步传输( 位同步传输) 和异步传输( 字符异步传输) o 在异步传输模式下，传输数据是以字符为单位，当发送一个字符时，需要在字 符前加上一个起始信号，其长度为一个码元，极性为“o ，即空号极性；字符后 面要加上一个终止符号，长度为1 2 个码元，极性为“l ，即传号极性。加上起 始终止符号后即可以区分出所传的字符，传送时字符可以连续发送，也可以单独 发送，不发送字符时线路保持“1 ”状态。每个字符可由8 b i t 组成，加上起止位 共l l 位，两字符间的间隔长度可以不固定乜3 i 。 起始位：当不发送字符时，线路处于逻辑“1 ”状态，当发送字符时，首先发 送一个逻辑“0 信号，接收机收到这个信号之后，就开始准备接收数据位信号。 起始位的作用就是使得设备同步，通讯双方必须在通信之前同步。 数据位：数据位个数一般可以是5 9 位，在字符传送过程中，数据位从最低 有效位开始传送，依次在接收设备中转换为并行数据。 奇偶校验位：为了确保数据传输的正确性，常传输奇偶校验位，可以选择奇校 验或偶校验。 停止位：停止位表明数据的结束，当接收设备接收到停止位之后，通信线路便 恢复到逻辑“1 ”状态，等待下一个字符的起始位到来。 9 湖北工业大学硕士学位论文 波特率：通信线路上传送的所有位信号都保持一致的信号持续时问，每一位的 宽度都由数据的码元传输速率确定，码元的传输速率指的是单位时间内传输的码 元的数量，即波特率。 常见的串行通信接口为r s 2 3 2 ，r s 2 3 2 是1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e i a ) 联合贝尔系统，调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯 的标准。r s 2 3 2 中任何一条信号线电压均为负逻辑关系，逻辑“1 ”为一5 v 一1 5 v ， 逻辑“0 为+ 5 v + 1 5 v 。其传输电缆长度在码元畸变小于4 的情况下为5 0 英尺。 r s 2 3 2 的不足之处在于： 接口的信号电平较高，容易损坏接口电路，又因为与t t l 电平不兼容所以需要 电平转换电路才能与t t l 电路连接。 传输速率低。异步传输时，波特率为2 0 k b p s 。 接口使用一根信号线和一根信号返回线构成共地传输形式，容易产生共模干 扰，抗干扰能力弱。 传输距离有限。 在总线上只允许一个收发器。 由于r s 2 3 2 的缺点，单纯的r s 2 3 2 串口无法满足设计的需要，所以本设计通过 串口( r s 2 3 2 转r s 4 8 5 ) 与下位机通讯。 r s 4 8 5 为半双工通信方式，即在任意一时刻，只能是一个发送一个接收，但二 者可以互换，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发两用设备( 如本设计中 的上位机和下位机) 。r s 4 8 5 的优点有： 电气特点：逻辑“1 以两线间电压差+ ( 2 6 ) v 表示，逻辑“o ”以两线间 电压差为一( 2 - - - 6 ) v 表示，接口信号电平降低，不易损坏接口电路芯片。 最高传输速率为l o m b p s 。 采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力强。 最大传输距离标准值为3 0 0 0 英尺。 允许接入多个( 1 2 8 ) 收发器，具有多站能力。可以利用单一的r s 4 8 5 接口简 单的建立设备网络。 构建r s 4 8 5 网络时，其拓扑结构为总线型，不支持环形或星形。采用一条双绞 线电缆作为总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线尽量短，以 使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。在构建总线的过程中，应该使用 一条单一的连续的信号通道作为总线，每个收发器的引出线在总线上距离应该平 均，不能多个收发器紧靠在一起安装。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 2 多机通信简介 要保证主机与从机之间的可靠通信，必须保证各个从机的通信接口具有识别功 能。本设计中下位机采用的m c s s l 系列单片机串行口工作方式2 和工作方式3 支 持多机通信。每个下位机都编有不同的地址码，主机通过相应的地址码来识别。 一般情况下，下位机总是处于地址码接收状态。每次通信时，主机向各个下位机 先发送地址信息码，终端机收到地址码后，与本终端机地址码比较，若相同则接 收后面的数据( 控制命令) ，并且根据命令回传数据给主机。若主机长时间收不到 被寻址下位机的回传数据，则转出错处理，将该下位机标记为未响应，多次未响 应之后，视为该下位机无效。当上位机和该下位机通信时，其它下位机仍处于地 址码接收状态，对主机随后发来的数据信息不会响应，被寻址的下位机处理完数 据信息后，转换成地址码接收状态，为下一次通信做好准备。 a t 8 9 s 5 2 串口操作模式2 和3 被一起用于多机通信，两者的帧格式相同，都由 1 1 位构成：一位起始位( o ) ，8 位数据位( 低位在先) ，1 位可编程的第9 数据位 和一位停止位，见表1 1 。： 表1 1 数据格式表 多机通信主要利用了模式2 的一个操作特点：如果接收的第9 位数据不是1 ， 则不会引起串行口中断，过程如下： 通信开始前，所有从机都工作于模式2 。当主机要向某一从机发送数据时，首 先发送该从机的地址。只有下行地址帧第9 位为“1 ”，而所有的数据帧包括上行 地址帧的第9 位都为“o ”。对于工作于模式2 的从机，地址帧能使所有从机中断， 取入主机发送的地址，若此地址与自己的地址相符，则该从机就把串行口转入操 作模式3 ，以便接收主机随着发来的数据。若与自己地址不符，则仍然工作于模式 2 ，对主机发送的数据帧不予理睬，继续处理自己的事务，从而顺利地实现了地址 帧和数据帧的分离，实现了系统的多机通信。 1 3 3m o d b u s 协议简介 本设计中通信协议采用变形的m o d b u s 协议进行通信。 m o d b u s 协议是应用于电子控制器上的一种通用标准。通过此协议，控制器相互 之间、控制器经由网络( 例如以太网) 和其它设备之间可以通信，它已经成为通 湖北工业大学硕士学位论文 用工业标准。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过 何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自 其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录，它制定了消息域格局和内容的公共格 式2 副。 当在m o d b u s 网络上通信时，此协议决定了每个控制器必须要知道它们的设备 地址，并识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生 成反馈信息并用m o d b u s 协议发出。在其它网络上，包含了m o d b u s 协议的消息转换 为在此网络上使用的帧或包结构，这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、 路由路径及错误检测的方法。 控制器通信使用主从技术，即仅一设备( 主设备) 能初始化传输( 查询) ， 其它设备( 从设备) 根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备可单独和 从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备需返回消 息作为回应，如果是以广播方式，则不作任何回应。m o d b u s 协议建立了主设备查询 的格式：设备( 或广播) 地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。从 设备回应消息也由m o d b u s 协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、 和错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执行其命令，从 设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 1 4 课题的意义和任务 远程网络测控是指本地计算机通过网络( 如i n t e r n e t 或无线) 对远端的设备状 态进行查询、监测与控制。通过远程测控，管理人员不必亲临现场或恶劣的环境 就可以监视现场的工作情况，完成信息获取、参数设置与调整、运行故障恢复等。 水位测控仪是应用在河流模型中用来测量水位的仪器，在河流模型中，多个水 位仪构成网络测量各个点的水位数据，以提供给工程人员进行分析和处理。 利用在现场布置一台嵌入式设备以替代计算机来实现远程访问控制，通过网络 ( i n t e r n e t i n t r a n e t ) 与远程客户端进行连接。该嵌入式设备提供远程访问的能 力，实现工程人员在远程实时的监测和控制各个水位测量仪的目的并且可以满足 在工业控制场合长期工作和无人值守的要求。 课题的工作就是将嵌入式系统做为上位机，由该系统负责下位机( 水位测量仪 群) 的控制及数据采集工作，并且在该系统上构建w e b 服务器，实现与远程工作 站的数据通讯，使得工作人员可以在远程通过基于浏览器的操作界面来实现对水 位仪的控制和查看数据的目的。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 5 论文的内容 论文的内容组织如下： 第1 章：引言 简要的介绍了嵌入式系统软硬件和嵌入式w e b 及所用到的技术，并且说明了课 题的意义、任务和内容。 第2 章：系统方案设计 在对设计的需求进行了分析的基础上，提出了一些解决方案，并最终选定了以 嵌入式平台作为上位机及服务器并构成有线网络的解决方案。 第3 章：系统硬件结构 介绍了基于a r m 9 平台的s 3 c 2 4 1 0 x 开发板的硬件结构，着重介绍了存储分配和 与通信有关的以太网接口及串口接口。 第4 章：系统软