摘 要： 利用簡(jiǎn)化的開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧uIP，在資源有限的單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet技術(shù)。通過(guò)uIP協(xié)議的應(yīng)用程序接口實(shí)現(xiàn)基于HTTP協(xié)議的Web服務(wù)器應(yīng)用服務(wù)。給出Web應(yīng)用服務(wù)的實(shí)現(xiàn)流程，編寫(xiě)了實(shí)現(xiàn)Web應(yīng)用服務(wù)的詳細(xì)程序代碼。
關(guān)鍵詞： 嵌入式Internet；uIP協(xié)議棧；應(yīng)用程序接口；Web應(yīng)用服務(wù)
嵌入式Internet是指電子設(shè)備通過(guò)嵌入式模塊而非PC直接接入到Internet，與Internet進(jìn)行信息交互的過(guò)程。目前Internet成為全球最大、信息最豐富的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。用戶(hù)甚至希望家電設(shè)備、儀器儀表以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集與控制等設(shè)備也能夠連接到Internet上，因?yàn)檫@意味著用戶(hù)可以方便、快捷、低廉地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)和信息傳送。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來(lái)將會(huì)產(chǎn)生比PC時(shí)代多成百上千倍的超級(jí)嵌入式Internet服務(wù)器。Internet技術(shù)和嵌入式技術(shù)的相互融合，為嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇。
1 單片機(jī)嵌入式Web應(yīng)用的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，本文采用了ATMEL公司開(kāi)發(fā)的高性能8位AVR(Advanced RISC)單片機(jī)AT90S8515，該單片機(jī)內(nèi)置8 KB可編程Flash，使用精簡(jiǎn)指令集，支持C語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言，與MCS 8051系列單片機(jī)相比在性能上有很大的提高，在目前單片機(jī)開(kāi)發(fā)中用得較多。因此利用AT90S8515單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制芯片將嵌入式系統(tǒng)與Internet相連接。其硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。
在電路的硬件系統(tǒng)組成中，注意以下幾點(diǎn)：
(1)單片機(jī)與網(wǎng)卡芯片的接口電路
AT90S8515單片機(jī)所提供的8位數(shù)據(jù)總線PA0~PA7分別對(duì)應(yīng)連接網(wǎng)卡的SD0~SD7引腳；5根地址線PC0~PC4對(duì)應(yīng)連接網(wǎng)卡的SA0~SA4引腳；讀信號(hào)線RD、寫(xiě)信號(hào)線WR與RTL8019AS的相應(yīng)信號(hào)線連接[1]。復(fù)位通過(guò)PB0控制，PB1片選地址使能[2]。外接時(shí)鐘電路單片機(jī)為8 MHz，網(wǎng)卡芯片為20 MHz。
(2)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路
一般單片機(jī)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量為64 KB，這樣的存儲(chǔ)空間在進(jìn)行單片機(jī)Web應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)顯得過(guò)小。因此需要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，擴(kuò)展容量隨系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用量而定。對(duì)于Web應(yīng)用，需要很大的存儲(chǔ)空間存放網(wǎng)頁(yè)等數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)采用靜態(tài)RAM HM62256芯片作為存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。
(3)RTL8019AS工作方式
RTL8019AS有3種工作方式：跳線方式、即插即用方式和RT免跳線方式[1]。在嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合，為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，單片機(jī)盡量少接不必要的芯片。所以將RTL8019AS選擇工作在跳線方式。其IOCS16B引腳接下拉電阻，JP引腳端接高電平。
(4)MAX232串口電平轉(zhuǎn)換電路
在現(xiàn)場(chǎng)控制端，由于單片機(jī)輸出為T(mén)TL電平，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如傳感器)輸出為EIA電平，而MAX232芯片可以完成單片機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間的雙向電平轉(zhuǎn)換[3]。
(5)網(wǎng)絡(luò)隔離濾波接口電路
在網(wǎng)絡(luò)接入端需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)隔離濾波器HR901170A。HR901170A主要對(duì)系統(tǒng)電路起保護(hù)作用，減少信號(hào)共模干擾，完成信號(hào)的傳輸。HR901170A的內(nèi)部集成了RJ45接口，可以直接接入到Internet。
2 嵌入式Internet的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)
2.1 嵌入式TCP/IP協(xié)議
軟件編程是實(shí)現(xiàn)嵌入式Web系統(tǒng)的關(guān)鍵。Web通信中的數(shù)據(jù)封裝、解析都是由單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。軟件實(shí)現(xiàn)主要包括兩部分：一是單片機(jī)精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，對(duì)數(shù)據(jù)的逐層打包、封幀、傳送等流程[2]；二是單片機(jī)Web應(yīng)用服務(wù)的實(shí)現(xiàn)。
由單片機(jī)組成的嵌入式Web往往應(yīng)用于特殊的、專(zhuān)用的領(lǐng)域，一般不需要太多的功能，這與PC機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用有很大的不同。支持PC機(jī)進(jìn)行Internet通信的TCP/IP協(xié)議是一個(gè)非常龐大的協(xié)議簇。而單片機(jī)芯片沒(méi)有足夠的空間資源，所以從嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和單片機(jī)空間資源兩個(gè)方面考慮，都沒(méi)有必要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)完整的TCP/IP協(xié)議。目前市場(chǎng)上沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet的TCP/IP協(xié)議軟件，需要開(kāi)發(fā)人員根據(jù)具體應(yīng)用的需要去開(kāi)發(fā)一套適用于單片機(jī)的嵌入式TCP/IP協(xié)議，工作量異常龐大，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。一種比較簡(jiǎn)單和易實(shí)現(xiàn)的做法是使用由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的免費(fèi)公開(kāi)源代碼的小型TCP/IP協(xié)議，即uIP協(xié)議棧，它專(zhuān)門(mén)為8位和16位單片機(jī)編寫(xiě)。uIP的代碼大小為3 304 B，對(duì)單片機(jī)RAM的需求為360 B，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TCP/IP協(xié)議對(duì)資源的要求。有關(guān)uIP詳述和應(yīng)用例程可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。
2.2 uIP驅(qū)動(dòng)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備RTL8019AS
uIP是一個(gè)僅包含3層網(wǎng)絡(luò)層核心協(xié)議的協(xié)議棧，uIP自身不包含任何類(lèi)型的底層網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和上層應(yīng)用程序，它只提供接口函數(shù)供用戶(hù)開(kāi)發(fā)使用。因此為了完成與底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交互，用戶(hù)必須根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的類(lèi)型，在uIP中自行實(shí)現(xiàn)對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。本文采用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是RTL8019AS網(wǎng)卡，因此需要在uIP中實(shí)現(xiàn)對(duì)RTL8019AS網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)[4]。
RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序包括：RTL8019AS芯片初始化、芯片復(fù)位以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。RTL8019AS芯片初始化可以通過(guò)初始化函數(shù)void init_8019(void)完成。芯片復(fù)位通過(guò)芯片上的RSTDRV引腳執(zhí)行復(fù)位操作，該引腳高電平有效。
3 單片機(jī)上嵌入式Web服務(wù)器的軟件實(shí)現(xiàn)
3.1 Web服務(wù)器的建立
在進(jìn)行以上的工作之后，用戶(hù)就可以建立Web服務(wù)器，通過(guò)uIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同的微控制器或工作站之間的通信。Web服務(wù)器和客戶(hù)端瀏覽器間的通信采用HTTP協(xié)議。嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常需要根據(jù)用戶(hù)的指令，采集系統(tǒng)的當(dāng)前數(shù)據(jù)信息傳送給客戶(hù)端瀏覽器，為實(shí)現(xiàn)這種客戶(hù)端瀏覽器和Web服務(wù)器的動(dòng)態(tài)交互，需要在服務(wù)器端采用通用網(wǎng)關(guān)接口CGI(Common Gateway Interface)技術(shù)。CGI是一個(gè)在服務(wù)器上運(yùn)行的程序，它分析處理用戶(hù)發(fā)送到服務(wù)器上的數(shù)據(jù)信息，完成動(dòng)態(tài)文件資源的創(chuàng)建和處理，再將用戶(hù)信息返回給客戶(hù)端。
Web服務(wù)器初始化完成后，服務(wù)器等待客戶(hù)端的連接請(qǐng)求，客戶(hù)端瀏覽器輸入服務(wù)器的IP地址后發(fā)一個(gè)物理地址解析協(xié)議(ARP)請(qǐng)求包，服務(wù)器收到后進(jìn)行應(yīng)答?？蛻?hù)端收到應(yīng)答包后發(fā)送超文本傳輸協(xié)議(HTTP)包，服務(wù)器收到HTTP包后開(kāi)始建立與客戶(hù)端的TCP連接并作出對(duì)此包的響應(yīng)?？蛻?hù)端收到響應(yīng)包后即斷開(kāi)連接，服務(wù)器偵測(cè)到客戶(hù)端斷開(kāi)了連接也同時(shí)斷開(kāi)連接。
3.2 Web服務(wù)器數(shù)據(jù)處理流程
當(dāng)系統(tǒng)的網(wǎng)卡接收到從網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)包后，首先分析目的地址是否與自己的物理地址一致，如果不一致，則丟棄此包；如果一致，則讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并分析。如果是ARP請(qǐng)求包，則轉(zhuǎn)入ARP處理程序，并發(fā)送一個(gè)ARP應(yīng)答包給客戶(hù)端。如果是IP包，則交由IP層處理，同時(shí)去掉以太網(wǎng)首部[4-5]。IP層根據(jù)IP首部的協(xié)議字段分析該IP包屬于什么數(shù)據(jù)包，如果是UDP包則，丟棄；如果是ICMP請(qǐng)求包，則發(fā)送一個(gè)ICMP應(yīng)答包給客戶(hù)端；如果是TCP包且IP地址和端口號(hào)正確，則接收數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)解包后，將數(shù)據(jù)部分通過(guò)串口輸出，控制MAX232現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。反之，如果現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)按照TCP協(xié)議格式打包，送入RTL8019AS，由RTL8019AS將數(shù)據(jù)發(fā)送到局域網(wǎng)中。根據(jù)需要還可以在收到串口數(shù)據(jù)時(shí)，先完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，再將處理好的數(shù)據(jù)送到局域網(wǎng)。具體的處理過(guò)程如圖2所示。
3.3 單片機(jī)上的Web服務(wù)器編程
uIP協(xié)議棧提供了一個(gè)稱(chēng)為宏的UIP_APPCALL的應(yīng)用程序接口供用戶(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時(shí)使用[4]。要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)Web Server服務(wù)，首先將該宏定義為一個(gè)應(yīng)用程序函數(shù)名，然后在此函數(shù)中實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議。完成后，用戶(hù)可以從局域網(wǎng)內(nèi)的任何客戶(hù)機(jī)訪問(wèn)該單片機(jī)Web服務(wù)器。如果分配一個(gè)公網(wǎng)IP地址，則也可以從Internet上訪問(wèn)此Web服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)的程序如下：
#define UIP_APPCALL uip_http /*定義宏UIP_APPCALL為uip_http的應(yīng)用程序函數(shù)*/
void uip_http(void) /*開(kāi)始實(shí)現(xiàn)http協(xié)議建立Web服務(wù)器*/
{struct uip http_state*s；
s=(struct uip app_state*)uip_conn->appstate；
if(uip_connected())
{… /*打開(kāi)連接接口函數(shù)，開(kāi)始一個(gè)新的應(yīng)用程序連接*/
}
if(uip_newdat()||uip_rexmit()) /*接收數(shù)據(jù)接口或重發(fā)數(shù)據(jù)接口函數(shù)，應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)*/
{if(uip_datalen()>0) /*判定數(shù)據(jù)的大小接口函數(shù)
{if(uip_conn->lport==80) /*收到新連接端口號(hào)為80的請(qǐng)求，此即http應(yīng)用*/
{update_table_data()；
s->dataptr=newpage；
s->dataleft=1957；
uip_send(s->dataptrs->dataleft)； /*發(fā)送上述http應(yīng)用數(shù)據(jù)*/
}
}
}
if(uip_acked()) /*返回ACK數(shù)據(jù)確認(rèn)接口函數(shù)*/
{if(s->dataleft>uip_mss()&&uip_conn->lport==80)
{s->dataptr+=uip_conn->len；
s->dataleft-=uip-conn->len；
uip_send(s->dataptrs->dataleft)；
}
return；
}
if(uip_poll())
{… /*輪詢(xún)接口函數(shù)用于輪詢(xún)各個(gè)客戶(hù)端發(fā)起的連接*/
return；
}
if(uip_timedout()|| /*判斷連接是否超時(shí)*/
uip_closed()|| /*關(guān)閉當(dāng)前的連接*/
uip_aborted()) /*中斷連接接口*/
{return；}
}
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成功應(yīng)用在寧波市某商業(yè)廣場(chǎng)的地下停車(chē)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。由于該商業(yè)廣場(chǎng)停車(chē)場(chǎng)業(yè)務(wù)量較大，常常導(dǎo)致車(chē)位飽和而客戶(hù)不知道的情形下進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)尋找車(chē)位，而該停車(chē)場(chǎng)規(guī)定進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)超過(guò)15 min的車(chē)輛即開(kāi)始收費(fèi)。導(dǎo)致客戶(hù)常常尋找超過(guò)規(guī)定的時(shí)間而仍未找到停車(chē)位但需付費(fèi)，從而發(fā)生客戶(hù)和管理方之間的糾紛，影響商業(yè)廣場(chǎng)的整體形象。使用了該系統(tǒng)后，各個(gè)車(chē)位上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集停車(chē)信息并反饋給系統(tǒng)。系統(tǒng)在停車(chē)場(chǎng)入口處顯示停車(chē)場(chǎng)當(dāng)前有無(wú)可停車(chē)位以及哪些區(qū)域有空閑車(chē)位等信息。如果車(chē)位已滿(mǎn)，將會(huì)顯示無(wú)可停車(chē)位。除此之外，管理人員還可通過(guò)客戶(hù)端進(jìn)行查詢(xún)、計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)等工作。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)費(fèi)用低廉且操作簡(jiǎn)單。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，客戶(hù)端使用普通的Web瀏覽器，通過(guò)Internet即可與單片機(jī)嵌入式Web應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行通信。客戶(hù)端瀏覽器不需要開(kāi)發(fā)額外的軟件，也不需要瀏覽器支持特別的功能。客戶(hù)端可通過(guò)訪問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器的網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容與之進(jìn)行交互。嵌入式Web與現(xiàn)場(chǎng)控制接口互連，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制、診斷、管理及維護(hù)等。嵌入式技術(shù)和Internet技術(shù)的相互融合，加速了電子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用趨勢(shì)。應(yīng)用單片機(jī)作為嵌入式Internet技術(shù)的硬件設(shè)備可以降低系統(tǒng)的成本。本文設(shè)計(jì)的嵌入式Web系統(tǒng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求，稍加修改即可應(yīng)用在智能家電、智能建筑、儀器儀表、通訊產(chǎn)品、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域。
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