遠(yuǎn)程測控中嵌入式Web服務(wù)器的FPGA實(shí)現(xiàn)
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嵌入式系統(tǒng)是指被嵌入到各種產(chǎn)品或工程應(yīng)用中以微處理器或微控制器為核心的軟硬件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)相結(jié)合，形成的嵌入式Internet技術(shù)是近幾年隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及而發(fā)展起來的一項(xiàng)新興技術(shù)。工程技術(shù)人員、管理人員或調(diào)試人員通過Web而不用親臨現(xiàn)場就可以得到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，并對測控儀器進(jìn)行控制、校準(zhǔn)等工作。這里介紹利用嵌入式軟核處理器Nios II及廣泛應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)uClinux來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的遠(yuǎn)程測控服務(wù)器的功能。
1、功能及體系結(jié)構(gòu)
圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中嵌入式Web服務(wù)器和監(jiān)控端位于現(xiàn)場，它們之間的連接可以用串行口、并行口、USB等實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場監(jiān)控端完成對目標(biāo)地區(qū)電網(wǎng)參數(shù)(電壓、電流、諧波等數(shù)據(jù))的檢測，并將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)傳送至web界面，使得無論監(jiān)控人員在哪里，只要連接至Internet網(wǎng)絡(luò)，便可對目標(biāo)區(qū) 域電網(wǎng)參數(shù)實(shí)時(shí)觀測。其實(shí)現(xiàn)過程是：三相電壓、電流分別通過電壓互感器、電流互感器變換后，經(jīng)電路調(diào)理送至AID轉(zhuǎn)換，每周期采樣128點(diǎn)，DSP芯片對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波、FFT運(yùn)算、計(jì)算各參數(shù)值、存儲(chǔ)、顯示等操作。測量電路與Nios之間的通信通過串口傳輸，根據(jù)事先約定的通信協(xié)議(基于Modbus協(xié)議)可以方便地把所測數(shù)據(jù)發(fā)送至以Nios II處理器為核心的嵌入式服務(wù)器。通過CGI技術(shù)，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控端的命令傳輸及將測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2、硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件系統(tǒng)的核心是構(gòu)建于Ahera Cyclone FPGA中的Nios II嵌入式軟核處理器。Nios II系列嵌入式處理器是一款通用的RISC結(jié)構(gòu)的CPU，它定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。Nios II處理器系列包括了三種核心：快速的(Nios II／f)、經(jīng)濟(jì)的(Nios II／e)和標(biāo)準(zhǔn)的(Nios II／s)內(nèi)核，每種都針對不同的性能范圍和成本而優(yōu)化。這三種核都使用共同的32位的指令集結(jié)構(gòu)(ISA)，都兼容二進(jìn)制代碼。
圖2 硬件系統(tǒng)圖
對于Nios II的配置在SOPC Builder中完成。通過配置所需要的外部/內(nèi)部元件，SOPC Builder將自動(dòng)生成適合選定元件的CPU，以符合系統(tǒng)的需求。16M的CF卡作為系統(tǒng)的外存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁文件和應(yīng)用程序。以太網(wǎng)接口芯片采用的SMSC的Lan91cl11芯片，這是一種非PCI接口的單芯片網(wǎng)絡(luò)控制器，具有8k的FIFO，可以實(shí)現(xiàn)和8位、16位、32位的CPU接口，廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。
3、軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。uClinux是一個(gè)完全符合GNU／GPL(通用公共許可證)公約的項(xiàng)目和完全開發(fā)代碼。它是標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個(gè)分支，現(xiàn)在由Lineo公司支持維護(hù)。它專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。uClinux For Nios是Microtronics公司專門針對Nios CPU 定制的uClinux操作系統(tǒng)，使用方便，不需要復(fù)雜的移植過程，并自動(dòng)地集成于Nios／Nios II的開發(fā)環(huán)境(IDE)中。只要根據(jù)自身的需求對內(nèi)核和文件系統(tǒng)進(jìn)行配置即可，這里的Web服務(wù)器、TCP／IP協(xié)議棧及底層的接口驅(qū)動(dòng)程序即是集成于uClinux中的。除此之外，自行編寫CGI腳本來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的功能。CGI（Common Gate Interface)動(dòng)態(tài)網(wǎng)關(guān)接口是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與WWW 服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展應(yīng)用程序可以處理客戶端(一般是WW W瀏覽器)輸入的協(xié)同工作數(shù)據(jù)，完成客戶端與服務(wù)器的交互操作。可以編寫CGI外部擴(kuò)展程序來訪問外部數(shù)據(jù)系統(tǒng)，客戶端用戶可以通過它和WWW 服務(wù)器來進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。CGI可以由PERL、C及大部分的腳本語言來編寫，不過由于是用于嵌入式系統(tǒng)中的程序，而腳本語言又需要解釋器，故選擇C語言來編寫CGI腳本比較合適，還可節(jié)省很大的系統(tǒng)資源。
圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖
3.1 uClinux操作系統(tǒng)內(nèi)核及文件系統(tǒng)的配置
(1) uClinux的內(nèi)核配置。內(nèi)核是一個(gè)操作系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。嵌入式uClinux具有高度可靈活定制內(nèi)核，保持了Linux的源代碼公開、穩(wěn)定、可裁減大小等特性。這里采用Microtronix公司專門為Nios／Nios II移植的uClinux1．3版本，并根據(jù)需要進(jìn)行重新配置：在“Developing Board”選項(xiàng)中要選擇自己所用的開發(fā)板，添加CF卡作為系統(tǒng)的硬盤等。
(2) 文件系統(tǒng)配置。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分。對用戶而言，文件系統(tǒng)也是操作系統(tǒng)中最直接可見的部分，它負(fù)責(zé)管理外存上的文件，并為操作系統(tǒng)和用戶提供文件的存取、共享和保護(hù)等功能。這里要在文件系統(tǒng)配置中，選中Install Minimal、然后增加agetty、boa、dhcpcd、ftpd、inetd、init、ping、route和telnetd等選項(xiàng)。
3.2 Web服務(wù)器配置 
圖4 Web 服務(wù)器工作流程
本文所使用的Web Ser
ver為Boa，它是一個(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開放、性能高、速度快。其工作流程如圖4所示。目前，uClinux的代碼中已經(jīng)包含Boa的源代碼，在uClinux下實(shí)現(xiàn)Boa，需要對Boa做一些配置和修改。配置Boa包括以下幾個(gè)步驟：
(1) 打開所建立文件系統(tǒng)中的“／target／etc／config”文件夾中的“boa．conf’文件。
(2) 將“ChRoot”更改為“／mnt／ide0／www”，其目的是將CF卡上面的“www”文件夾作為Web Server的主文件夾。鍵入系統(tǒng)IP時(shí)，服務(wù)器自動(dòng)解析為在此目錄內(nèi)尋找名為“index．htm”的網(wǎng)頁，也就是本設(shè)計(jì)的主頁。
(3) 在“SeriptAlias”選項(xiàng)中添加命令：“ScriptAlias／mnt／ide0／www／cgi-bin／／cgi-bin／"，其目的是將前面的具有完整路徑的文件夾的地址映射為后一個(gè)文件夾，一是可以省去在地址欄內(nèi)輸入地址的很多時(shí)間，方便用戶操作；二是增加了系統(tǒng)的保密性和安全性。其他選項(xiàng)可以選擇默認(rèn)選項(xiàng)。
(4) 保存配置好的文件。當(dāng)下載文件系統(tǒng)后，要在“／mnt／ide0／www”文件中，建立“csi-bin”目錄來存放CGI腳本文件。
3.3 CGI程序設(shè)計(jì)
CGI程序使用C語言編寫，內(nèi)嵌html腳本，所以當(dāng)CGI執(zhí)行的時(shí)候，即可以完成對特定端口的操作，又可以將其返回的結(jié)果顯示在網(wǎng)頁上供監(jiān)控人員查看。具體操作是：首先，CGI腳本采用GET的方式，接收Web Server解析的從網(wǎng)頁所傳輸過來的“QUERY_STRTING”，它代表的是用戶的監(jiān)控命令。接到命令后，CGI程序?qū)⒚钭g碼后傳送到串口，向現(xiàn)場監(jiān)控模塊發(fā)送采集命令，并接受其傳回來的采集結(jié)果，并迅速傳到監(jiān)控用戶所瀏覽的Web界面。需要注意的是，在編寫過CGI程序并成功編譯后，要將其移動(dòng)至CF卡相關(guān)目錄，也就是上面所介紹的Boa Web Server所設(shè)置的“www／csi-bin”中，并將其后綴更改為“.cgi”，屬性改為“可執(zhí)行”，這樣，Web Server才可以正確識別并執(zhí)行此CGI程序。
圖5 顯示實(shí)時(shí)測量結(jié)果的網(wǎng)頁畫面
4、結(jié)論
本文將嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)相結(jié)合，在FPGA上開發(fā)了一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，并與電網(wǎng)參數(shù)測量儀器相結(jié)合，構(gòu)成遠(yuǎn)程電網(wǎng)參數(shù)測量系統(tǒng)，為電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理提供了技術(shù)支持，具有很好的應(yīng)用前景。
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