基于Cortex-M3內(nèi)核處理器的嵌入式Web服務器

　　引言

　　目前，網(wǎng)絡化控制己成為遠程控制的主要研究方向，利用網(wǎng)絡實現(xiàn)對局域乃至全球范圍內(nèi)設備的監(jiān)控是工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[1]。嵌入式Internet遠程監(jiān)控技術作為網(wǎng)絡化控制的代表，它解決了工業(yè)控制領域中異構(gòu)網(wǎng)絡互聯(lián)問題，提高了傳統(tǒng)裝備的智能化水平，促進了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。嵌入式Web服務器尤其適用于嵌入式Internet應用，它通過Ethernet或Modem的連接可以輕松連接到任何網(wǎng)絡，真正實現(xiàn)對設備的遠程管理和控制。

　　實現(xiàn)方案

　　嵌入式Web服務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(shù)據(jù);現(xiàn)場信息可以網(wǎng)頁形式發(fā)布;可及時響應遠程用戶的控制命令。此外，嵌入式設備應具有功能簡單、功耗低和便攜等特點。為此，筆者設計的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　本系統(tǒng)采用了ST公司的Cortex-M3內(nèi)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(nèi)Flah、20KB的RAM和豐富的外設接口。Cortex-M3內(nèi)核在設計上專門考慮了滿足集功耗低、實時性強的工業(yè)級嵌入式產(chǎn)品領域的特點。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，除一個電源外，LQFP100封裝芯片的最小系統(tǒng)只需要外接7個電容即可。

　　TCP/IP協(xié)議棧由W5100來支持，它集TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC和PHY為一體，其內(nèi)部16KB的發(fā)送/接收緩沖區(qū)可快速進行數(shù)據(jù)交換，最大通信速率達到25Mbps;內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層，支持自動應答;提供多種總線接口方式，可以很方便地與各種MCU連接，簡化了硬件電路設計，使嵌入式系統(tǒng)在沒有操作系統(tǒng)的支持下，真正實現(xiàn)單芯片接入因特網(wǎng)的理想。

　　為減少PCB板面積和布線復雜性，考慮到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(gòu)成一個典型的嵌入式Web服務器。

　　作為一個應用實例，本設計利用STM32F103RB的片上ADC和GPIO，將服務器與LED和壓力傳感器相連，一旦服務器接收到來自瀏覽器端的連接請求，服務器將及時響應，將當前的壓力參數(shù)、LED狀態(tài)和溫度等信息嵌入到Web頁面并發(fā)布到網(wǎng)上，這樣現(xiàn)場的各種信息就呈現(xiàn)在瀏覽器。此外，用戶通過網(wǎng)頁上的控制按鈕可以遠程控制LED狀態(tài)，操作結(jié)果能及時反饋在網(wǎng)頁上。

　　硬件設計

　　圖2為嵌入式Web服務器的簡化電路圖，主要顯示了構(gòu)成服務器的三個核心器件的連接方式。RJ45接口是帶有網(wǎng)絡變壓器的物理層接口。在W5100中，通過將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(shù)據(jù)傳輸線。W5100的SPI工作時鐘由處于主模式的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的外部中斷線相連接。W5100的第5、6、8和9引腳是PHY信號線，用于與RJ45接口相連接。除電源相關引腳外，W5100的其它引腳可以選擇置空。

圖2為嵌入式Web服務器的簡化電路圖

　　軟件設計

　　主程序

　　主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

　　當程序開始啟動時，程序首先初始化STM32和W5100，配置STM32工作在SPI主模式，而W5100工作在從模式，啟動STM32的A/D和片上的溫度傳感器，配置W5100工作于TCP服務器模式，在TCP服務器模式下，端口的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4 W5100處于TCP服務器模式的端口狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　在使用內(nèi)部溫度傳感器時要注意：溫度傳感器在從調(diào)電模式喚醒后到它能以正常水平輸出采樣電壓前有一段建立時間;ADC喚醒后同樣需要一段建立時間，為使延遲最小，ADON位(用于啟動A/D轉(zhuǎn)換)和TSVREFE位(用于將溫度傳感器從調(diào)電模式中喚醒)應該同時置位。另外，對溫度傳感器的采樣時間要大于2.2μs。

　　接下來是一個無限循環(huán)體，程序開始不斷檢查外部中斷狀態(tài)標志(WInteRFlag)和Socket接收數(shù)據(jù)狀態(tài)標志(SockRecvFlag)是否改變，同時開始處理A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，以保證服務器在產(chǎn)生網(wǎng)頁時能得到當前的各種數(shù)據(jù)。

　　一旦W5100的Socket端口有中斷事件產(chǎn)生時，W5100將通過其中斷引腳INT觸發(fā)STM32的外部中斷，使STM32進入外部中斷處理函數(shù)改變WInterFlag，程序接著進入處理W5100中斷事件函數(shù)，在此函數(shù)中，STM32通過訪問W5100的中斷寄存器(IR)和端口0中斷寄存器(S0_IR)判斷出W5100的端口0產(chǎn)生何種中斷事件，若Socket接收到數(shù)據(jù)，則改變SockRecvFlag。

　　程序檢測到SockRecvFlag發(fā)生改變，立即進入處理接收數(shù)據(jù)函數(shù)。處理接收數(shù)據(jù)函數(shù)是整個程序的核心，它主要負責收發(fā)數(shù)據(jù)、解析HTTP協(xié)議和響應用戶的不同請求。圖5為該過程的程序流程圖。

圖5 數(shù)據(jù)處理程序流程圖

　　數(shù)據(jù)處理程序

　　HTTP協(xié)議是一種請求/響應協(xié)議。在基于HTTP的客戶/服務器數(shù)據(jù)交換時，當HTTP請求產(chǎn)生時，就開始一次HTTP通信。過程如下：瀏覽器提取出URL中的主機后，向DNS發(fā)出請求，解析主機名的IP地址;DNS解析地址并將結(jié)果返回給瀏覽器;瀏覽器向該地址請求建立TCP連接;瀏覽器發(fā)出請求報文;服務器向瀏覽器發(fā)送響應報文，并將指定數(shù)據(jù)發(fā)送給瀏覽器;斷開連接。

　　根據(jù)HTTP協(xié)議規(guī)定，如果客戶端沒有發(fā)出請求，則服務器不會自動發(fā)送頁面。因此通過在網(wǎng)頁程序中加入 標記，使瀏覽器在無用戶干預下周期性地刷新頁面，從而保證用戶及時地獲得遠程現(xiàn)場的信息。

　　HTTP消息包括一個起始行、零個或多個消息頭域、一個標示頭域結(jié)束的實體行和一個可能存在的消息體。本程序主要解析消息的起始行，而忽略其它內(nèi)容，這種處理思路也符合嵌入式系統(tǒng)硬件對軟件實現(xiàn)的復雜度要求。請求方法決定了對請求URI所指定的資源進行操作的方式，GET方法讀取URL指定的資源，一般用來向服務器傳輸少量且透明的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總量被限制在255個字符以內(nèi)，而POST方法可傳輸大量數(shù)據(jù)，與HTML的表單特性相配合以實現(xiàn)遠程動態(tài)交互控制。

　　當連接開始時，客戶端發(fā)送GET方法請求給服務器，以訪問服務器網(wǎng)頁，為限定特定用戶訪問，增加數(shù)據(jù)安全性，在網(wǎng)頁中加入基本認證機制。當客戶端請求受基本認證機制保護的網(wǎng)頁時，服務器即要求用戶認證，服務器端對用戶的登陸信息按Base64碼解碼，只有認證成功，瀏覽器才能獲得正確的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)。正確的控制網(wǎng)頁如圖6所示，若用戶信息有誤，服務器返回以狀態(tài)碼401為起始行的響應消息。

圖6 控制網(wǎng)頁

　　由于服務器端檢測的數(shù)據(jù)處在不停的變化之中，為使網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)也能及時地更新，網(wǎng)頁程序初始化時，要顯示的數(shù)據(jù)都使用字符串標記暫時表示，在每次發(fā)送響應消息到端口前，再將網(wǎng)頁中定義字符串標記用當前設備的實際值替換。

　　對LED的控制，網(wǎng)頁程序采用HTML語言的表單，HTTP協(xié)議請求方法采用POST。POST作為請求方法時，首先和Web服務器建立連接，成功后瀏覽器將HTML表單中的值發(fā)送給Web服務器。這種方式?jīng)]有字符長度的限制，表單數(shù)據(jù)是作為附加的文檔發(fā)送而不是作為URL的一部分發(fā)送。服務器程序通過判斷客戶的不同控制命令即時做出LED燈的開關響應。

　　在每次連接成功后，服務器端程序會返回以狀態(tài)碼200開頭的響應消息，消息的起始行為：HTTP/1.1 200 OK。當用戶請求一個服務器端不存在的文件時，服務器返回以狀態(tài)碼404開頭的響應消息。

　　結(jié)語

　　這種利用硬件實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡芯片W5100及具有Cotex-M3內(nèi)核的STM32處理器構(gòu)成嵌入式Web服務器的方案性價比高。通過網(wǎng)絡,用戶在瀏覽器端可及時收到遠程現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)，遠程現(xiàn)場的開關狀態(tài)指示燈可實時地響應用戶的開關信號操作請求。測試表明該系統(tǒng)傳輸大塊數(shù)據(jù)文件的速率可達到100KBPS。為提高網(wǎng)絡資源的安全性，可采用AES(Advanced Encryption Standard，先進加密標準)等編碼機制來加密必須保護的私有數(shù)據(jù)。