基于Cortex-M3內(nèi)核處理器的嵌入式Web服務器設計

　　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(shù)作為網(wǎng)絡化控制的代表，它解決了工業(yè)控制領(lǐng)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(lǐng)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(guān)引腳外，W5100的其它引腳可以選擇置空。