通用嵌入式Web服務(wù)器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1　引言

從20世紀(jì)90年代中期開始, Internet以前所未有的驚人速度在全球蔓延,目前,幾乎覆蓋到了地球的每一個(gè)角落,成為計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)發(fā)展亮點(diǎn);與此同時(shí),嵌入式技術(shù)在最近十幾年里也得到了飛速發(fā)展,被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療儀器、信息家電、航空航天、軍事國(guó)防等眾多領(lǐng)域。Internet與嵌入式技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物———嵌入式Web服務(wù)器[1],是一個(gè)很有發(fā)展前景的研究方向,它將極大拓展嵌入式設(shè)備的應(yīng)用范圍,使嵌入式設(shè)備具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,而且可以使用通用PC的瀏覽器作為用戶界面,操作簡(jiǎn)便,符合用戶的使用習(xí)慣。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)采用當(dāng)前流行的B/S結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是隨著Internet技術(shù)的發(fā)展,對(duì)傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展和改造。實(shí)質(zhì)上B/S結(jié)構(gòu)是一種特殊的C/S結(jié)構(gòu),所不同的是,在B/S結(jié)構(gòu)中,系統(tǒng)主要功能都在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn),瀏覽器是客戶端,提供用戶接口,將用戶的請(qǐng)求傳遞到服務(wù)器,并將服務(wù)器的響應(yīng)展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

分析嵌入式系統(tǒng)的具體情況,發(fā)現(xiàn)對(duì)于一般的嵌入式系統(tǒng),基本的功能需求大體上分為兩大類,可以用兩個(gè)字來概括“監(jiān)控”?！氨O(jiān)”即監(jiān)測(cè),是數(shù)據(jù)采集和查看的過程,數(shù)據(jù)流的方向是從嵌入式系統(tǒng)到瀏覽器或上位機(jī);“控”即控制,如設(shè)定工作參數(shù)、遠(yuǎn)程打開關(guān)閉現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備等,控制流的方向是從上位機(jī)或?yàn)g覽器到嵌入式系統(tǒng)的?？偠灾?就是要實(shí)現(xiàn)信息(上行的數(shù)據(jù)流和下行的控制流)的雙向流動(dòng)。

(1)嵌入式服務(wù)器端包含———“監(jiān)”功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于上行的數(shù)據(jù)流,通過嵌入式服務(wù)器端包含技術(shù)(ESSI)來實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端包含(SSI)[2]是在普通靜態(tài)HTML語言中嵌入SSI指令,以便將文本、圖形或應(yīng)用程序信息包含到網(wǎng)頁中。例如,可以使用SSI包含時(shí)間/日期戳、版權(quán)聲明等。嵌入式服務(wù)器端包含是對(duì)服務(wù)器端包含技術(shù)的改造和完善,使其適應(yīng)于嵌入式系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境。在本系統(tǒng)中,自定義了一條ESSI指令“DATA”,用來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示,該指令的語法如下: DATA var = state func = Get-State>/DATA>,該指令與標(biāo)準(zhǔn)的HTML[3]標(biāo)記兼容,其屬性有兩個(gè),分別為var和func, var表示設(shè)備的狀態(tài)名稱,一個(gè)設(shè)備可以定義多個(gè)狀態(tài)名; func管理接口函數(shù),
用來獲得相應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)信息,原型為uint8* func( )。嵌入式服務(wù)器端包含技術(shù)的運(yùn)行過程如圖2所示。

(2)嵌入式通用網(wǎng)關(guān)接口———“控”功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于下行的控制流,通過嵌入式通用網(wǎng)關(guān)接口(ECGI)[4]來實(shí)現(xiàn),如圖2所示。在需要向嵌入式設(shè)備下達(dá)控制命令的情況下,借助表單的POST方法[5, 6]向服務(wù)器傳遞數(shù)據(jù),表單的語法格式如下:

FORM =“form”SPATTRIBUTES“>”a setof stand-ardHTML elements>“/form>”
ATTRIBUTES =* (ATTRIBUTE SP)ATTRIBUTE =ATTRIBUTENAME“=”TOKEN
ATTRIBUTENAME = name |methodTOKEN = 1* anyCHAR exceptCTLs or separators>
SP = US-ASCII SP, space (32)>

CHAR =anyUS-ASCII character (octets 0 - 127)>
CTL = anyUS-ASCII control character(octets 0 - 31) and DEL (127)>

表單的name屬性指定了管理接口函數(shù)名,此函數(shù)用來處理表單數(shù)據(jù),原型為void TestForm(uint8*
content), content是瀏覽器傳送過來的參數(shù);表單的另一個(gè)屬性method指定了瀏覽器向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)的方式。為進(jìn)一步闡述ECGI的工作原理,舉例如下:

form name=“TestForm”method=“POST”>
p>TestEmbedded Common Gateway Interface /p>
p>input type=“text”name=“var1”>/p>
p>input type=“text”name=“var2”>/p>
p>input type=“text”name=“var3”>/p>
p>input type=“submit”
name=“Go”value=“OK”>/p>
/form>

包含有上述表單的HTML文件傳送到瀏覽器之后,網(wǎng)頁上出現(xiàn)三個(gè)編輯框和一個(gè)submit按鈕,用戶在編輯框中輸入?yún)?shù),點(diǎn)擊submit按鈕后,瀏覽器向Web服務(wù)器傳送以下內(nèi)容:

var1=value1var2=value2var3=value3Go=OK,

其中, value1、value2、value3為用戶輸入的參數(shù),服務(wù)器接收到以上參數(shù)后,便調(diào)用表單的name屬性指定的管理接口函數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式設(shè)備的控制。

3　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備狀態(tài),及時(shí)將監(jiān)測(cè)到的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上;同時(shí)接收來自用戶的控制信息,利用這些控制信息準(zhǔn)確地控制設(shè)備工作。因此,在硬件上,需包含以下幾個(gè)模塊:
嵌入式處理器、網(wǎng)絡(luò)接口芯片和有關(guān)I/O接口。

3. 1　硬件原理框圖

系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖3所示,嵌入式處理器LPC2292處于中心位置,設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理器打包后,經(jīng)由RTL8019AS發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上,供用戶瀏覽,用戶的控制命令經(jīng)過RTL8019AS傳遞到處理器LPC2292,再由處理器控制相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。

3. 2　嵌入式處理器

嵌入式處理器采用了Philips公司的基于ARM7TDMI內(nèi)核的處理器LPC2292,該處理器具有16 kB片內(nèi)靜態(tài)RAM和256 kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器;可以通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP),編程速度快, 512字節(jié)行編程時(shí)間為1ms,單扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400ms;同時(shí)還內(nèi)置豐富的外設(shè)接口,如:A/D轉(zhuǎn)換器、CAN控制器、UART接口、I2C接口、SPI接口、定時(shí)器、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗等,極大的簡(jiǎn)化和方便了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的可靠性[7]。

3. 3　網(wǎng)絡(luò)接口芯片

網(wǎng)絡(luò)接口芯片采用Realtek公司的RTL8019AS,它是一種高度集成的以太網(wǎng)控制芯片,能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)Plug and Play并兼容NE2000、掉電等特性。同時(shí)還支持全雙工模式,能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的同時(shí)發(fā)送和接收。RTL8019AS芯片內(nèi)部集成了DMA控制器、ISA總線控制器和16K SRAM、網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器。用戶可以通過DMA方式把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SRAM中,讓芯片自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去;而芯片在接收到數(shù)據(jù)后,用戶也可以通過DMA方式將其讀出。

3. 4　其它模塊

RS232電路有兩個(gè)作用,首先可以用作在系統(tǒng)編程(ISP),方便了LPC2292中軟件的升級(jí)和調(diào)試,提高了效率;其次,在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),充當(dāng)與外界通訊的一個(gè)通道。I2C和CAN電路可以用于擴(kuò)展外圍設(shè)備,完成系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制任務(wù)和數(shù)據(jù)采集任務(wù)等。

4　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件主要由以下幾個(gè)部分組成:嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式TCP/IP協(xié)議棧、嵌入式Web服務(wù)器。嵌入式操作系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)軟硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)、指揮和控制[8]。嵌入式TCP/IP協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)通訊的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)收發(fā)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包,對(duì)于從網(wǎng)絡(luò)上接收到的數(shù)據(jù)包,協(xié)議棧對(duì)其解析,分離出有效載荷交由應(yīng)用層處理;對(duì)應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的數(shù)據(jù)包,協(xié)議棧按照相關(guān)協(xié)議的要求加上相應(yīng)的協(xié)議頭,然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。嵌入式Web服務(wù)器是本系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)了HTTP協(xié)議中的基本功能,能夠與通用的Web瀏覽器通信,并且提供開放的應(yīng)用程序編程接口API,方便的系統(tǒng)軟件資源的重用。

4. 1　嵌入式操作系統(tǒng)

為了滿足多任務(wù)和實(shí)時(shí)性的要求,本系統(tǒng)移植了嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II,并針對(duì)系統(tǒng)的具體情況和相應(yīng)軟硬件資源的情況,做了適當(dāng)?shù)牟眉艉托薷?。μC/OS-II是由Jean J. Labrosse在1999年推出的,在2000年得到了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局對(duì)于商用飛機(jī)的、符合RTCA DO-178B標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證,從而證明μC/OS-II具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。μC/OS-II是開放源代碼的,本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)使用的是μC/OS-IIV2. 52版本,為了將其移植到ARM7TDMI平臺(tái)上,主要在以下方面作了修改:進(jìn)出臨界段的宏OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()、堆棧增長(zhǎng)方式、任務(wù)切換等[9]。

4. 2　嵌入式TCP/IP協(xié)議棧

為了搭建一個(gè)Web服務(wù)器平臺(tái),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是必不可少的。TCP/IP協(xié)議是目前廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,并且成了事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的簡(jiǎn)易TCP/IP協(xié)議棧,該協(xié)議棧利用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的信號(hào)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)多任務(wù)和可重入的特性,并且完全使用ANSIC進(jìn)行編寫,在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)充分考慮了重用性和可移植性,可以像μC/OS-II那樣支持多種CPU。

4. 3　嵌入式W eb服務(wù)器

在整個(gè)軟件體系中,嵌入式Web服務(wù)器處于最上層,在它之下的是上述的嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧。嵌入式Web服務(wù)器除了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)文檔以外,還利用嵌入式服務(wù)器端包含(ESSI)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)文檔,從而支持實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài);此外,通過嵌入式通用網(wǎng)關(guān)接口(ECGI)[4]技術(shù)實(shí)現(xiàn)了瀏覽器端數(shù)據(jù)向服務(wù)器的傳遞,從而為對(duì)系統(tǒng)的控制提供了數(shù)據(jù)通道。

4. 3. 1　嵌入式Web服務(wù)器層次模型

如圖4所示,嵌入式Web服務(wù)器包含四個(gè)層次,分別為套接字層、協(xié)議解析層、功能模塊層和用戶定義層。套接字層負(fù)責(zé)本系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)收發(fā);協(xié)議解析層負(fù)責(zé)解析HTTP協(xié)議,從中獲取有效數(shù)據(jù)或按照HTTP協(xié)議要求,生成HTTP協(xié)議報(bào)文;功能模塊層有三個(gè)部分,分別是嵌入式文件系統(tǒng)(EFS)、嵌入式服務(wù)器端包含(ESSI)、嵌入式通用網(wǎng)關(guān)接口(ECGI);用戶定義層的三個(gè)部分由用戶(開發(fā)人員)自定義,從而在不改變其他模塊的情況下,增加、減少或修改系統(tǒng)的功能,使得系統(tǒng)具有二次開發(fā)功能。

4. 3. 2　嵌入式文件系統(tǒng)

為了方便Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式文件系統(tǒng)[10-12]用來存儲(chǔ)網(wǎng)頁。此文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、效率高,所有文件被集合成一個(gè)順序結(jié)構(gòu),文件系統(tǒng)中每個(gè)文件包含一下幾個(gè)域:HEAD,文件報(bào)頭,兩個(gè)字節(jié),標(biāo)記一個(gè)文件的開始(0xFA, 0xF3);NAME,文件名,長(zhǎng)度不定,以NULL結(jié)尾; SIZE,文件長(zhǎng)度,四個(gè)字節(jié),指示文件長(zhǎng)度(以字節(jié)為單位);FILE,文件內(nèi)容,長(zhǎng)度由SIZE指定。

為了將多個(gè)文件(包括網(wǎng)頁文件、圖片文件等)轉(zhuǎn)化為嵌入式文件系統(tǒng)所需要的可編譯格式,在PC上開發(fā)了一個(gè)工具軟件ConvertFile,其功能是把一個(gè)指定目錄下的所有文件轉(zhuǎn)換成一個(gè)filedata. c文件,從而加快了后續(xù)程序的開發(fā)。

4. 3. 3　用戶定義層

為了方便更改系統(tǒng)功能,提供二次開發(fā)能力,系統(tǒng)引入了用戶定義層。該層為用戶開放了系統(tǒng)的編程接口,主要有三個(gè)方面:

(1)文件系統(tǒng)構(gòu)造。當(dāng)用戶需要更改Web服務(wù)器的網(wǎng)頁時(shí),只需在PC上用任何一種網(wǎng)頁設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)好網(wǎng)頁,然后用ConverFile工具轉(zhuǎn)化稱filedata. c,即完成了文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(2)ESSI變量定義。如需在瀏覽器上顯示設(shè)備的工作狀態(tài)等信息,可為每個(gè)狀態(tài)定義一個(gè)變量,并綁定一個(gè)能夠返回該狀態(tài)值的函數(shù)即可。

(3)ECGI句柄定義。為了在服務(wù)器端獲得用戶的命令信息,需要為每一個(gè)命令定義一個(gè)虛擬網(wǎng)址(此網(wǎng)址并不對(duì)應(yīng)一個(gè)網(wǎng)頁文件),并綁定該網(wǎng)址到一個(gè)服務(wù)器端的函數(shù),該函數(shù)獲得瀏覽器端發(fā)送過來的參數(shù),執(zhí)行相應(yīng)的命令。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證方案的可行性和實(shí)用性,在上述的軟硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上,搭建了一個(gè)測(cè)試環(huán)境:在ARM處理器上外接八個(gè)LED指示燈,通過嵌入式Web服務(wù)器顯示并控制每一個(gè)LED指示燈的亮和滅。系統(tǒng)測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如圖5所示,該網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)網(wǎng)段組成,用一臺(tái)路由器連接,網(wǎng)段一的地址為172. 18. 136. 0/24,段內(nèi)連接終端1和嵌入式設(shè)備,網(wǎng)段二的地址為172.18. 135. 0/24,段內(nèi)連接終端2和終端3,具體的地址分配如圖5所示。嵌入式Web服務(wù)器運(yùn)行在IP地址為172. 18. 136. 8的嵌入式設(shè)備上,測(cè)試結(jié)果如圖6。結(jié)果表明,無論是在同一網(wǎng)段內(nèi)的終端1上訪問嵌入式Web服務(wù)器,還是在不同網(wǎng)段的終端2和終端3上訪問嵌入式We服務(wù)器,系統(tǒng)都可以正常、穩(wěn)定地運(yùn)行,并實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式設(shè)備的監(jiān)控功能。

6　結(jié)束語

引入嵌入式Web服務(wù)器,采用B/S方式對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,已逐漸成為一種趨勢(shì),極大的方便了系統(tǒng)的使用和維護(hù),此方式以友好的用戶界面和簡(jiǎn)單的操作方法贏得了越來越多的用戶的支持。以上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的通用嵌入式Web服務(wù)器模塊,可移植到多種ARM7系列的處理器上,采用此模塊可簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì),加快開發(fā)速度,具有一定的應(yīng)用前景。