（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式web服务器远程监控系统的研究与实现.pdf

贵州大学硬士学位论文 基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 摘要 应用嵌入式i n t e r n e t 技术的监控系统是监控领域的发展趋势人们希望嵌入式系统能 接入i n t e r n e t ，具有w e b 服务器功能，可以任何时间，任何地点，使用i e 浏览器查看嵌入式系 统的实时状态，并能对嵌入式系统进行远程监测、控制、诊断和配置等操作嵌入式i n t e r n e t 技术改变了以往的监控系统体系结构，满足了现代监控系统可扩展性、分布式、实时性等要 求。正是在这一背景下。本文对基于嵌入式w e b 服务器的远程监控系统进行了研究 嵌入式w e b 服务器的远程监控系统研究的关键技术在嵌入式w e b 服务器的实现互联网 技术和嵌入式系统发展很快，使嵌入式w e b 服务器能够得以实现，实现嵌入式w e b 服务器的关 键是实现嵌入式1 1 c p i p 协议和嵌入式w e b 服务器与浏览器的交互 本文研究相关关键技术有： 1 探讨了嵌入式w e b 服务器工作原理，通信协议，利用s x 5 2 单片机快速构建可现场简单 控制的嵌入式w e b 服务器 2 研制了一个廉价的可将现场数据打包发送到以太网的协议转换器，它可简单地将现 有的单片机应用系统接入网络 3 提供精简的t c p i p 软件虚拟协议模块，并探讨了网卡芯片r t l 8 0 1 9 a s 的嵌入式应用。 便于在一些有特定要求的场合可根据需要自行修改或直接应用于其他单片机应用开 发中 4 使用了j a v a s c r i p t 语言进行客户端验证及界面性能优化，给小容量的嵌入式w e b 服 务器减轻了负担并给客户端提供了友好的用户界面 5 应用嵌入式w e b 服务器进行了远程监控系统的设计 研究结果表明，嵌入式w e b 服务器能够通过浏览器将用户信息下达到现场设备，现场设备 的数据也能通过w e b 服务器传送到浏览器从而实现对现场设备的远程监测、控制、诊断和 配置，实现嵌入式系统网络化、智能化对信息技术应用与工业现场分布式控制做了有益尝 试 关键词： 嵌入式w e b 服务器；嵌入式i n t e r n e t ；t c p i p 协议；j a v a s c r i p t ：s x 5 2 3 d 中图分类号：t p 3 9 3 责州大学颐士学位论文基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 a b s t r a c t i ti sat e n d e o c yt ou s ee m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g yi nt h ef i e l dm o n i t o r i n ga n d s u p e r v i s o r i ti sh o p e dt h a tt h ee m b e d d e ds y s t c a nc o n n e c tw i t hi n t e r n e tt op r o v i d e w e bs e w e rf u n c t i o n s ，w h o s er e a lt i m es l a t ec a r lb es e e nb yi eb r o w s ei na l lt i m e 。 i na l lp l a c e s f u r t h e r m o r e , t h ee m b e d d e ds y s t e mc a l lb er e m o t em o n i t o r e d c o n t r o l l e d ， d i a g n o s e da n dc o n f i g u r e d e m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g yw i l lc h a n g et h ea r c h i t e c t u r e o fm o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e m a n di tw i l ls a t i s f yt h ee x p a n s i b i l i t y ，r e a l t i m ei nm o d e mm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g , d i s t r i b u t i o r li nt h i sp r e m i s e 。t h i sp a p e r w o r k so v e rt h er e m o t em o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dw e bs e r v e r t h ek e yt oi m p l e m e n tt h i sk i n do fs y s t e mi st oi m p l e m e n tt h ee m b e d d e d 霄e bs e r v e r t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n de m b e d d e ds y s t e mi ss of a s tt h a tt h ee m b e d d e dw e b s e r v e rc a nb ei m p l e m e n t e d t h ek e yt oi m p l e m e n tt h ee m b e d d e dw e bs e r v e ri st o i m p l e m e n t ，t h et c w i pp r o t o c o la n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nw e bs e r v e ra n db r o w s e m u c hw o r kh a sb e e nd o n ei nt h i sp a p e r ： 1 s t u d yt h ep r i n c i p l eo fe m b e d d e dw e bs e r v e ra n dc o n s t r u c tae m b e d d e dw e bs e r v e r u s i n gs x 5 2 2 ac h e a pe t h e r n e tp r o t o c o lt r a n s f e rh a sb e e nd e s i g n e dt ob ee a s i l yu s e di nt h e p l a c ew h e r ec o n v e n t i o n a le m b e d d e ds y s t e m sm a yh ew a n tt ob ec o n t r o l l e do r m o n i t o r e dv i ae t h e r n e tb yu s u a l l yu s e di eb r w s e 3 t h eo f ft h e _ s h e l f1 伢i pv i r t u a lp e r i p h e r a lm o d u l e sa r eo f f e r e da tl e n g t hi n t h i st h e s i s t h i sw i l lb ec o n v e n i e n tf o rl a t e rm o d i f i c a t i o n so f1 n c p l pp r o t o c o l a c c o r d i n gt os p e c i a la p p l i c a t i o n s 4 u s i n gj a v a s c r i p tt ot a k et h ec l i e n t c e r t i f i c a t i o np e r f o r m a n c ea n do p t i m i z et h e w e bi n t e r f a c e i ta l l e v i a t e st h eb u r d e no ft h es m a l lc a p a c i t yd e v i c e sa n dp r o v i d e c u s t o m e r _ f r i e n d l y u s e ri n t e r f a c e 5 d e s i g nt h er e m o t em o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e mb yu s i n go fe m b e d d e dw e b s e r v e r t h er e s u l to fe x p e r i m e n t ss h o wt h a te m b e d d e d - e bs e r v e rc a nr e a l i z er e m o t e m o n i t o r i n ga n ds u p e r v i s i o ns y s t e mt h r o u g hb r o w s e rw e l l a sar e s u l tt h e yc a nr e m o t e m o n i t o r ，c o n t r o l ，d i a g n o s ea n dc o n f i g u r ee m b e d d e ds y s t e m , w h i c he n d o we m b e d d e d s y s t e m w i t h n e t w o r k a n di n t e l l i g e n c e f u n c t i o n s t h e r e a l i z a t i o n o f e m b e d d e di n t e r n e t t e c h n o l o g ym a k e s8t r yt oa p p l yt e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o nn e t w o r kt oi n d u s t r i a l d i s t r i b u t i o nc o n t r 0 1 k e y w o r d ： e m b e d d e dw e bs e r v e r ；f m b e d d e di n t e r n e t ；t c p i pp r o t o c o l jj a v a s c r i p t ls x 5 2 肋 贵州大学硕士学位论文 基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 第一章绪论 卜1 引言 。 网络技术的发展引发了工业控制领域的深刻技术变革控制系统结构网络化与控制系 统体系开放性将是控剖系统技术发展的趋势人们希望当一台设备具有网络功能的同时，可 以在任何时间、任何地点、使用任何平台随时察看设备的实时状态，并在远程实现对这台设 备的监视、控制、诊断、测试和配置等操作预计在不远的将来，每台设备中都将有一个 i p 地址，与i n t e r n e t 网络相连接，具有远程诊断和维护等功能i l j 在工业控制中，普遍使用现场总线进行数据传输，现场总线是指安装在制造或过程区域 的现场装置之问、以及现场装置或控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行和多点通 信的数据总线”国际上现有多种现场总线标准，包括基金会现场总线f f 、控制局域网络 c a n 、局部操作网络l o n w o r k s 、过程现场总线p r o f i b u s 和h a r t 协议，以及d e v i c e n e t 、 c o n t r o l n e t 、pn e t 等阁，而且在今后相当长一段时间内多种现场总线将并存在工业现场 使用现场总线通信主要有以下弊端：使用专用线缆通信、成本高、协议不统一、传输信息单 一因此，需要另一种通信网络取代传统的现场总线应用于工业现场通信“ 目前，以太网在确定性和速度方面有了很大的提高。己成为世界上应用最多的网络。正 逐渐应用于工业自动化领域与此同时，各种嵌入式系统也在不断发展，越来越多的嵌入式 控制设备都具有了以太网接入功能，因而能够利用以太网的开放性实现嵌入式控制系统的网 络化i 1 ，实现通过测览器访问设备，为用户提供了种方便、快速、通用性强、传递信息多 样、成本相对低廉的现场通信方式 卜2 远程监控系统的发展及现状叫叮 远程监控系统是集现代计算机技术、通信技术、传感器技术、自动控制技术和人机系统 技术等为一体，对受控对象进行远程实时监控和控制管理的计算机集成系统监控系统在实 际工程中的应用有：工业生产过程实时监控、动力设备集中监控、环境与安保集中监控、医 疗设备维护管理系统、水利系统监控、图像远程监控系统、电力综合监控系统、综合网络监 控系统，移动监控系统等本文中涉及的监控系统主要指用于控制的计算机系统( 包括软件、 地r i 趾街) ，而不包括传感器、检测仪表和执行机构监控系统的体系结构经历了多次变化， l 纶山早期的集中式监控结构演变到目前流行的三层分布式结构。远程监控系统的发展经历 了如f 两个阶段： i 2 1 集散系统 最初诞生的传统测控系统是单片机、p c 、工控机为核心的多个分散单元的集合体形成 早期集散控制系统的雏型当总线出现以后，一般借助s - 1 0 0 或p c 总线形成测控系统但 是由于连线过长和过多，用这些总线形成的测控系统的稳定性较差，抗干扰能力较弱，难以 实现大范围的有效测控随后出现的是集散控制系统( d c s ) ，它由多台微处理机分散在现场 的不同位置，彼此之同以高速数据通信进行连接。 贵州大学硕士学位论文 基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 1 2 2 现场总线 随着计算机局域网( l a n ) 的出现，产生了基于t a n 的d c s 系统与此同时，由两线制电 流为4 2 0 m a 标准信号发展而来的智能化现场设备和控制自动化设备之间的通信标准的确 立，使现场总线与智能化测控仪器非常容易连接，随之使得网络监控得以形成其实，现场 总线网络既是一种信息网络，又是一种自动化系统作为信息网络，它所传送的是数字，例 如可以是接通电源、关断电源、开闭阀门等指令和数据作为自动化系统，与原来的自动化 系统相比，其在结构上有较大的变化，最显著特征是通过网络传送信号进行联络，可由单个 节点或多个网络节点共同完成所要求的自动化功能。因此，它是一种有网络集成的自动化系 统由于现场总线适应了工业控制系统应具有分散化、网络化，智能化等特点要求。同时许 多国际组织，例如国际电工委员会( i 鳓、美国仪表学会( i s a ) 、i s p 、i f c 、w o r l d f i p 和 f i n t ( f i e l db u si n t e r n a t i o n a l ) 等，多年来为制定现场总线标准做了大量工作，结果出现 了多种不同的现场总线标准，例如i s p 、| o r l d f i p 、h a r t 、l o nw o r k s 和i e c - i s a 等不可 否认，现场总线技术对测控领域的技术进步起到巨大的推动作用，但也正是由于多种不同总 线标准的同时存在。给公司，企业基于不同现场总线形成的测控网络之间的互连又设置了不 少障碍 1 - 3 嵌入式以太网研究的历史与现状 嵌入式设备在很多领域得到了广泛应用，不同的嵌入式设备之间通常是通过 r s - 2 3 2 。r s - 4 8 5 等进行组网这种网络的距离非常有限，速度往往也不高，而且独立于 i n t e r n e t 之外i n t e r n e t 已经成为信息交流的重要渠道，如果将各类嵌入式系统i n t e r n e t 接入剑i n t e r n e t 则可以方便地把信息传送到网络上的任何一个地方嵌入式i n t e r n e t 概念 正足起源于把嵌入式系统与i n t e r n e t 结合起来的这种想法。i n t e r n e t 是在嵌入式系统应用 领域，以i n t e r n e t 技术为基础，使嵌入式系统与i n t e r n e t 相互连接，实现嵌入式系统与 i n t e r n e t 之间的资源共享、信息通信和状态控制等功能，这种嵌入式系统与i n t e r n e t 之间 的连接与应用称为嵌入式i n t e r n e t q 将嵌入式系统与以太网相结合的想法由来已久。主要的困难在于当时的以太网在速度和 确定性等方面都有很大欠缺，不能满足工业通信网络要求另外，各种网络通信协议对于嵌 入式系统存储器容量、运算速度等的要求比较高，当时的嵌入式系统中除部分3 2 位以上的 处理器外，都无法达到这一要求h 。 随着工业以太网在速度上不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技术的融入，以太 网与工业通信网络的差距正在逐步缩小另外，从8 0 年代起，一些i t 组织和公司开始进行 嵌入式系统的研发，大部分新开发的嵌入式处理器都支持网络协议，如r a b b i t 半导体公司 的r a b b i t 2 0 0 0 3 0 0 0 处理器、a m d 公司的a m l 8 6 系列嵌入式处理器、m o t o r o l a 公司的h 6 8 h c 系列嵌入式处理器等等【7 l 。可以说，目前研究嵌入式以太网的条件已经成熟 国外对嵌入式以太网的研究已从理论阶段过渡到开发阶段在工业控制领域，美国 o p t 2 2 公司采用嵌入式以太网，研制开发了。以太网i o 系统一s n a p i 0 系统，通过以太 网对分布在远程设备现场的i 0 口进行访问，从而实现对远程设备的监测和控制。s n a p i 0 已成功应用于工业过程控制、路桥收费系统监控、输油管线的监控及楼宇的智能化监控等多 项工程中此外，惠普公司应用i e e e l 4 5 1 2 智能传感器标准，研制的嵌入式以太网控制器 具有1 0 b a s e t 以太网接口，能够运行肿佃肿，i c p i j d p 协议，应用于传感器、驱动器等现 场设备嘲目前，国内在基于嵌入式以太网方面的研究并不多见，对工业通信网络领域的理 2 贵州大学硕士学位论文 基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 论研究主要局限于现场总线网络上，也有部分学者对建立工业以太网通信网络进行了探讨， 但仍停留在概念上，未能进入到实质研究阶段翻 卜4 基于嵌入式唧服务器的远程监控系统的提出 嵌入式技术为嵌入式w e b 服务器的出现开辟了一条崭新的途径。嵌入式w e b 服务器以8 位、1 6 位或3 2 位单片机及d s p 为硬件工作平台，以嵌入式实时多任务操作系统啪s 为软 件工作平台，其上运行小型精简的服务器程序嵌入式系统本身即是用于控制系统，将控制 系统与嵌入式w e b 服务器进行有机的结合便可构成一个基于嵌入式w e b 服务器的远程监控系 统，它可以完成以下功能m ： ( 1 ) 实时数据发布功能：实时数据包括环境温度、压力、设备运行状态信息，环境实时 图像，时钟信息等嵌入式w e b 服务器将实时数据以网页形式发布到i n t e r n e t 网上，且动 态实时刷新，远方客户通过接入i n t e r n e t 浏览该服务器发布的监控系统实时信息 ( 2 ) 参数设置功能：包括运行参数和设备状态参数如时钟的设置、温度压力的上下限 值蒈w e b 服务器接收到远方客户提交的参数设置请求后执行参数写入操作 ( 3 ) 远程实时控制功能：控制功能包括对设备的控制w e b 服务器接收到远方客户提交 的控制操作请求后，下发控制命令驱动监控系统中相应的执行机构 基于嵌入式w e b 服务器的监控系统的优点是：第一，这种系统的硬件是一个同处理器和 操作系统捆绑较为紧密、功能专一专门设计的独立的设备。不像插卡系统那样受通用计算 机系统中其它软件硬件的影响，因此性能上更稳定，易于实现系统的模块化设计第二，将 w e b 服务器：植入”监控系统后接入i n t e r n e t ，在世界上任何一个地方即可通过网络浏览器 从i n t e r n e t 获取该f e b 服务器发布的监控系统实时信息，进而实现远程实时控制、调节与 维护第三，这种基于用协议标准化的w e b 用户界面降低了为不同操作平台而定制人机界面 的开发费用、通信费用、人员培训费用和系统升级维护费用。第四，嵌入式系统体积小，功 耗低，维护方便，特别适合于监控现场条件恶劣的场合。 基于嵌入式w e b 服务器的远程监控系统由于克服了传统监控系统所固有的缺点，它是嵌 入式系统技术发展和人们对更完美事物追求的结合体。一个基本的基于嵌入式w e b 服务器的 远拌i 临控系统结构如图卜1 所示 图1 一l 基手嵌入式t 髓服务器的远程监控系统结构 3 异地盘控安端 异地擞端 贵州大学硕士学位论文 基于嵌入式w 曲服务器远程监控系统的研究与实现 1 - 5 论文内容意义及结构 工业应用中，一般的系统大多是控制在现场解决，而将少量的一些现场参数通过网络传 送远方用于监控，远方发出的控制通常也不多对于大量的这些系统如果采用普通单片机如 5 l 系列等来传送以太数据包则速度太慢，而采用3 2 位的系统对开发者要求太高，开发速度 及成本相对于很少量的传送要求来说开销太大了u b i c o u 公司的s x 系列单片机速度快( 可 达到1 0 伽i p s ) 、有成熟的协议栈软件可以利用，只需很少的改动即可快速构建一个小型w e b 服务器，它外围芯片少，成本低，开发速度快，可以在很广的范围内找到应用空间 除了用户界面，大部分嵌入式系统还有一个用来进行状态监控和系统诊断的外部界面 传统上这是串口终端的形式实现的，但在工业中逐渐发现了远程诊断的好处因为- 曲测览 器广泛使用，所以它是用户界面的合理选择从技术上讲，浏览器就是w e b 客户端，这就意 味着嵌入式系统必须是v e b 服务器，这也是本论文标题的由来 本文作者从2 0 0 5 年1 月开始了本课题的总体分析工作，并在阅读了大量国内外文献的同 时，开始着手设计的准各工作经过一年多的努力，嵌入式w e b 服务器的设计已经完成，对 基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统也进行了相关的设计 本文的主要研究工作体现在以下几个方面： 1 嵌入式i e b 服务器的设计与实现 分析了核心部件$ x 5 2 b d 处理器的功能结构及嵌入式w e b 服务器的通信协议、通信原理 深入分析t c p i p 协议栈程序( 古网络芯片接口) ，并讨论了如何综合及做应用修改一些所 采用的特别方法也可用于其它资源有限的小型嵌入式网络设备中介绍用s x 5 2 b d 及通用 r t l s 0 1 9 a s 网卡芯片研制一个以太协议转换器。它可以将目前大量存在的单片机系统( 控制 器及仪表等) 简单地接入局域网络实现嵌入式w e b 服务器与浏览器，夕 围单片机之间的数 据通信。 2 单片机接入以太网通用模块设计及实现 利用s x 5 2 b d 芯片的速度及u b i c o m 公司提供的t c p i p 软件虚拟模块来设计一个通用的可 将其它仪表或单片机系统接入以太网进行远程测控的接口模块它可以方便地将各种现场信 号打包剑以太网上，并可以利用流行的i e 浏览器进行远程操纵 3 使j h 了j a v a s c r i p t 语言进行客户端验证及界面性能优化，给小容量的嵌入式w e b 服务器 减轻了负担并给客户端提供了友好的用户界面 4 府川嵌入式w e b 服务器设计的远程监控系统设计与实现制定监控系统设计方案、下层 f l i 行协议，用四个功能模块实现了远端用户与现场设各的通信，这四个功能是：e b 服务 器接收浏览器命令模块、融服务器向浏览器发送命令模块、b 服务器向现场发控制 命令模块、w e b 服务器接收现场返回信息模块 t 贵州大学硕士学位论文基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 第二章嵌入式w e b 服务器的实现 利用嵌入式w e b 服务器可对测控设备进行控制和数据传输，嵌入式w e b 技术是嵌入式 i n t e r n e t 技术的重要组成部分，也是实现智能远程监控的关键技术，本章对应用该技术设 计嵌入式w e b 服务器进行较为详细的研究。 2 - 1 嵌入式w e b 服务器概述 由于i n t e r n e t 技术的渗透。嵌入式系统正在变得越来越智能化并具有越来越多的网络 特性而w e b 技术的飞速发展，给嵌入式系统接入i n t e r n e t 提供了很好的途径近年来， w e b 技术的发展几乎改变了现在的信息表达形式w e b 具有界面友好，操作方便等特点，因 此深得广大用户的青睐，越来越多的应用是基于w e b 技术的由于h i m l 语言的标准统性， 只要在嵌入式设备中有一个w e b 服务器，就可以使用任意一种w e b 浏览器接收和发送信息 那么如何设计这种特别的w e b 服务器，如何在嵌入式设备中安置w e b 服务器，就成了嵌入式 w e b 服务器发展的研究方阱 w e b 技术在i n t e r n e t 上的广泛应用，导致w e b b r o w s e r 这一新的软件应用模型的流行， 该模型本来是奉行“瘦客户机胖服务器”的理念，主要的应用程序在服务器上，客户端只 需要浏览器环境，便可根据需要从服务器下载应用程序来完成相应的任务但由于需要将 w e b 服务器安置在嵌入式系统中。受嵌入式系统资源有限的影响，我们必须实现瘦w e b 服务 器。瘦w e b 服务器是随着w e b 应用环境的改变而提出的因为在嵌入式应用当中，特别是在 嵌入式设备当中，一个w e b 服务器不可能是很全面的。它必须拥有足够小的容量，并且不影 响嵌入式系统的整体性能，但必须具备个w e b 服务器应有的特征 1 2 1 嵌入式w e b 服务器的主要功能有： 响应多个客户的实时h t t p 请求，并为每个客户建立连接，这是嵌入式w e b 服务器 的首要功能 对设备的实时监控，管理参数的在线查看甚至配置等 对设备访问的安全控制机制，包括s s l ，用户口令等 实现设备的故障智能报警，保证不同操作系统或者客户端对设备访问的一致性 r 2 - 2嵌入式w e b 服务器的基本原理 嵌入式w e b 服务器是w e b 的内容提供者呻“它响应客户端请求，并向客户端提供某 种形式的数据通常，这些数据采用超文本标记语言( h t n ，h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 服务器也可提供其它形式的数据如：图像、声音、应用程序，甚至是视频。w e b 浏览器是w e b 的客户端。浏览器包括与w e b 服务器建立通信所需的软件及转换，并显示从服务器方返回数 据的软件测览器和服务器使用t c p i p 的h t i p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传 输协议) 建立连接，使得客户与服务器= 者的超媒体传输变得很容易所有的客户机及w e b 服务器统一使用t c p i p ，统一分配i p ，使得客户和服务器的逻辑连接变成简单的点对点连 接u r l ( u n i f o r nr e s o u r c el o c a t o r ，统一资源定位器) 实现了单一文档能在整个国际互联 网主机中的定位从功能上来讲，- 曲服务器监听用户端的服务请求，根据用户请求的类型 提供相应的服务用户端使用w e b 浏览器和w e b 服务器进行通信w e b 服务器在接收到浏览 器的请求后，处理用户请求并返回需要的文档图2 - 1 简单描述了上述过程 5 贵州大学硕士学位论文 基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 w e b i r t p 请求i r r r p 请求w e b 服 服 务 i n t e r n e t务 罂 图2 - l 髓原理 2 - 3 基于s x 5 2 b d 嵌入式w e b 服务器的硬件组成 本文所述嵌入式w e b 服务器的硬件系统包括s x 5 2 b d p q 单片机、以太网控制器及其附属 电路、3 2 k 以上串行e e p r o m ，虚拟串口电路、振荡器电路、复位电路和电源部分如图2 - 2 所示 传 2 3 1 芯片组成 图2 _ 2 基于s x 5 2 的嵌入式w e b 服务器的硬件框图 ( 1 ) s x 5 2 b d n q 1 s 1 6 i v i s x 5 2 b d p o 是u b i c o m 公司( 公司名字的出处为u b i q u i t o u sc o m m u n i c a t i o n 无所不在 的通讯，原$ c e n i x 公司) 生产的一款r i s c 指令集的高速8 位单片机( 微控制器) ，其内部 结构框图如图2 3 所示。s ) 【5 2 功p q 片上带有4 i ：1 6 位的f l a s h 程序存储器和2 6 2 x 8 位的 r 脯，具有在线系统编程调试功能由于采用的c p u 是并行流水线方式及单时钟周期指令， 在l o o l i h z 晶振的驱动一f 指令执行速度可高达1 0 叫i p s 该单片机的最大特点就是具有。虚 拟外设”的功能，即用户可通过软件对i 0 口进行灵活配置，c p u 执行虚拟软件模块就可驱 动髀通的i o 口来模拟硬件外设的功能，例如u a r t 、s p i 、i i c 和f s k 等。在s x 系列单片机 中郁足这样实现的。此外，s x 5 2 叻p q 还可利用其速度优势，通过虚拟夕 设功能来运行复杂 的州络办议栈，例如a r p 、i p 、i c 肝、t c p 、u d p 、m t p 以及s m t p 等而且，用户针对具体 麻川- f 对协议栈进行灵活配置，使用起来非常方便 6 贵州大学硕士学位论文基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 图2 - 3s x 系列微处理器的内部结构图 由于s x 系列单片机采用一种全新的结构，因此，它具有如下特点和优点： 1 指令执行周期短 s x 系列微控制器具有一种类似r i s c 的流水线结构，从而大大减少了代码并尽可能地增 强了它的性能另外，它采用一种四段流水线方式，即一个取指令段，一个译码段、一个指 令执行段、一个回写段，同时还具有快速的片内指令和数据存储器所有这些特性可使每个 指令在单个周期内执行。如表2 - 1 所示，它可实现一个时钟周期执行一条指令，即一个5 0 m h z 时钟可提供5 0 m i p s 的指令执行速度；相应地，l o o w l z 的时钟可提供i o o m i p s 的指令执行速 度 2 时钟频率可以达到l o o l 肝t z 由于s x 系列微控制器与传统的微控制器的体系结构不同，它的内部没有硬件实现的接 口电路，如串行口( u a r t ) 、a d 转换器等，受外界的干扰就比较小，所以它可以突破传统 微控制器时钟频率3 3 姗z 的限制，达到1 0 0m h z ( 目前s x 系列微控制器最高的时钟频率) 表2 - 1s x 系列微处理器指令的流水线操作 尹。序抒令时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期 123456 第i 条_ j _ 令取指令译码指令执行回写 第2 条射彳令取指令译码指令执行回写 第3 条指令取指令译码指令执行回写 第4 条指令取指令译码指令执行 第5 条指令取指令译码 第6 条指令 取指令 3 虚拟外设 在8 位机结构领域里，如果需要增加删功能，一般通过修改和再掩膜已有的设计方案， 增加用来实现所需外设的硅面积来实现；而由于s x 微控制器理想的运行速度和所有i o 引 脚的可编程性，使得用软件实现外设功能成为可能 7 责州大学硕士学位论文基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 用软件实现外设，不是很复杂，但它可以动态地加载：在需要的时候，加载；不需要的 时候，不加载。这有利于资源的充分利用。这一点类似于实时操作系统( r t o s ) 。而且，u b i c o m 公司为用户免费提供多种虚拟外设( 如u a r t 、s p i ，i i c 和f s k 等) ，会大大地缩短产品的研 发周期。 4 实时性 s x 系列微控制器的这种高性能允许多项功能在时间片的方式下运行，从实用的角度看， 其运行速度使人感觉到多项功能在同时运行因此，这种结构能保证真正的r t o s 的实现 为提高其灵活性，m c u 应能在任何时钟频率下运行，如从d c 到最大额定速率，同时在不要 求最高性能的应用中，提供较低的舡p s 速率和功率 因为在一个指令中，既包含操作码又包含操作数，因此蛐c u 可以达到较高的代码效率 同时，由于可灵活地将操作码和操作数分开，所以可以得到最高的代码密度此外，还可以 增强其它特性，例如可以利用带一位进位的进位标志模式加快多字节算术运算，以及用b a n k 和p a g e 指令切换到新寄存器组和指令页上执行 新结构可以支持实时系统的另一要素，即确定性的中断响应能力，每次都可在很少且精 确的时钟周期内响应中断；而目前的结构，只有在当前执行指令的边界时才能中断任务这 意味着响应中断所需的周期数是不可预测的。因为指令边界是由指令长度和指令周期数来决 定的，它随不同指令而变化这不仅产生了低速中断响应，而且还引起系统时序的抖动通 过在中断时将主要的寄存器自动地存储到特殊的硬件堆栈中，可实现短而可预测的中断响应 时间，消除抖动并确保虚拟外设功能正确地执行 5 灵活性 s x 系列微控制器利用片内o t p 或闪速程序存储器来存取虚拟外设软件模块，可在后续 生产过程中加载这些模块。以实现生产的灵活性闪速存储器还具有在线系统编程优点所 以，即使在生产过程的最后阶段，也可以改变这些软件以适应新的要求而且，开发人员可 以结合展新的接口技术，所有的i o 引脚都可单独编程这就可以按要求修改功能，增加或 减少它所支持的虚拟外设。 ( 2 ) r 肌l s 0 1 9 a s 1 目 e t l s 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司出品的一种高度集成的以太网控制器。用它可方便地实现一 个仝枝工的即插即用( p n p ) 的n e 2 0 0 0 兼容适配器。全双工功能使连接全双工以太网交换 h u b 的双绞线能同时发送和接收。此特征不仅增加信道带宽( 从1 0 到2 0 m b p s ) ，而且还避免 了由于以太网c s 雌c d 协议的信道的集中特性所带来的性能下降问题微软的即插即用功能 减轻了用户在适配器的资源配置方面出现的问题( 如i r q , i o 和存储器地址等) 然而，对 于不用作即插即用兼容设备的专门应用，r t l 8 0 1 9 a s 也支持跳线和无跳线方式 为了能实现完全的即插即用，r t l s 0 1 9 a s 提供了集成l o b a s e t 收发器和a u i 接口向的自 动检测而且，l o b a s e t 收发器能自动纠正接收线上的极性错误。此外，它还提供了8 条中 断请求( i r q ) 和1 6 条i 0 地址线，使资源配置更加灵活。 i m 暑0 1 9 & s 自带1 6 肺的s r 埘，工作在e t h e r n e ti i 和i e e e s 0 2 3 、l o b a s e 5 、l o b a s e 2 、 l o b a s e t 下，与n e 2 0 0 0 兼容 按数据链路的不同。可以将r t l s 0 1 9 a s 内部划分为远程i ) m a ( r e m o t ed 姒) 通道和本地 d 姒( 1 0 c a ld 姒) 通道两个部分本地d 姒完成控制器与网线的数据交换，主处理器收发数 据只需对远程蹦a 操作当主处理器要向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程d m a 通道 送剑r t l s 0 1 9 a s 中的发送缓存区，然后发出传送命令r t l s 0 1 9 a s 在完成了上一帧的发送后， 再完成此帧的发送r t l s 0 1 9 a s 接收到的数据通过m a c 比较、c r c 校验后，由f i f o 存到接收 缓冲区，收满帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器原理框图如图2 - 4 所示 8 贵州大学硕士学位论文基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 图2 _ 4r t l s o l 9 a s 原理框图 在图2 - 4 中，接收逻辑在接收时钟的控制下，将串行数据拼成字节送到f i f o 和c r c ； 发送逻辑将f i f o 送来的字节在发送时钟的控制下逐步按位移出，并送到c r c = c r c 逻辑在接 收时对输入的数据进行c r c 校验，将结果与帧尾的c r c 比较，如不同，该帧数据将被拒收， 在发送时c r c 对帧数据产生c r c ，并附加在数据尾传送；地址识别逻辑对接收帧的目的地址 与预先设置的本地物理地址进行比较，如不同且不满足广播地址的设置要求，该帧数据将被 拒收；f i f o 逻辑对收发的数据作1 6 个字节的缓冲，以减少对本地d m a 请求的频率 ( 3 ) 2 4 ( ? 2 5 6 2 4 c 2 5 6 是m i c r o c h i p 公司生产的一种串行3 2 k b 的e 2 p r o m 存储器，采用c m 0 6 工艺，通 过2 根数据线和外界通信，兼容1 2 c 总线接口，可设为硬件写保护，1 0 万次的擦写，2 0 0 年以上的数据保护 图2 - 2 中的e 2 p r o m2 4 c 2 5 6 用来存储w e bs e r v e r 的网页信息它可以处理w e b 页面、 图像文件、p d f 文档及其它文件当然，它不能像p c 上w e bs e r v e r 中的硬盘那样可以存储 大量的页面。它的容量决定了w e bs e r v e r 的资源文件的大小 2 3 2 底层设备 l 传感器 这里所说的传感器包括智能传感器和由普通传感器探头及其信号处理电路实现的传感 器，它们是系统的底层设备，传感器监测并输出现场被控对象的实时信息给外围单片机进行 处理，然后由外围单片机传给上位机。最终将这些状态信息通过浏览器反馈给远程用户 当系统应用于不同场合，选择不同的传感器时，传感器的实际输出类型和输出值可能不 能符合外围单片机输入的电压要求时，这时需要增加相应转换电路或标准转换器以实现信号 的正确采集；当传感器较分散并与外围单片机的距离较远时需增加变送单元以实现远距离数 据正确采集。 另外，系统所挂接的传感器应满足现场实际要求，如：量程，灵敏度、精度和稳定性 等都要达到现场应用的要求 2 控制器 控制器也是系统的底层设备，远程用户通过浏览器设定某个控制器的输出状态信息给 w e b 服务器，控制器接收w e b 服务器的相应的控制信息，最终实现对被控对象的远程控制 当系统应用于不同控制场合，而选择不同的控制器时，控制器的输入控制信号和实际输 出信号的实际类型和大小可能不符合w e b 服务器( 即s x 5 2 b d ) 输出的电压要求时，这时需 要增加相应转换电路或标准转换器以实现正确控制，如：使用光电转换、继电器电路等 另外，系统所挂接的控制器应满足现场实际控制要求，如：灵敏度控制准确度和稳 9 贵州大学硕士学位论文 基于嵌入式w e b 服务器远程监控系统的研究与实现 定性等都要达到现场应用的要求 3 外围单片机 由于系统中以s x 5 2 b d 为核心组成的嵌入式w e b 服务器容量小，如果既要完成网络协议 的转换工作又要完成数据的处理工作，这样给服务器的负担会过重，因此模拟量在进入w e b 服务器前的处理工作可以由另外一片单片机( 如8 0 5 1 ) 等来完成，在有需要时再送入s x 5 2 b d ， 这样可以大大减轻w e b 服务器的工作量，并且易于控制系统的维护这里外围单片机可以选 择常见的8 0 5 1 、p i c l 6 c 5 2 等 2 - 4t c p i p 协议栈概述u ，j 【雒1 捌 2 4 1 概述 t c p i p 起源于6 0 年代末美国政府资助的一个分组交换网络研究项目，到9 0 年代发展 成为计算机之间最常应用的组网形式它是风靡全球的i n t e r n e t 的基础 t c p i p 协议族是一组不同层次上的多个协议的组合t c p i p 通常被认为是一个四层协 议系统，如图2 5 所示。每一层负责不同的功能 应用层 传输层 网络层 数据链路层 回回回 丑 玉 图2 51 l 卫i p 网络协议栈的结构 ( 1 ) 数据链路层，有时也称为网络接口层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计 钎君t 对应的网络接口卡它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒介) 的物理接口细节 ( 2 ) 网络层，有时也称作互联网层处理分组在网络中的活动，例如分组的路由选择 在t c p i p 协议族中，网络层协议包括i p 协议( 网际协议) 、i c 肝协议( i n t e r n e t 互联网控 l ；4 报文悱议) 以及i g i i p 协议( i n t e r n e t 组管理协议) ( 3 ) 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。t c p 为两台主机提供高