一種新型嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

1 引言

嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)是當(dāng)前工業(yè)自動化監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點之一。微電子技術(shù)和微處理器制造工藝的提高以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得構(gòu)建基于Web的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)得以實現(xiàn)。這樣的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以直接通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接入Internet實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，成為真正不受時間和空間限制的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

由于近年來一些半導(dǎo)體廠家新推出的MCU的存儲能力都有了很大的提高，以及用C語言編寫的程序具有移植性強(qiáng)、可讀性好等優(yōu)點，因此本文監(jiān)控軟件采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，并在m6811-elf-gcc中編譯通過。本文將從嵌入式Web監(jiān)控系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)--以太網(wǎng)接口模塊著手，分別講述各個功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。

2 以太網(wǎng)接口程序設(shè)計

以太網(wǎng)接口程序是與硬件設(shè)計中的網(wǎng)絡(luò)控制芯片密切相關(guān)的，不同的網(wǎng)絡(luò)控制芯片具有不同的以太網(wǎng)接口程序，但是一個完整的以太網(wǎng)接口程序通常包括三個部分：硬件模塊初始化、以太幀的發(fā)送和以太幀的接收。

1、硬件模塊初始化

本文使用的Freescale公司的MC9S12NE64 MCU集成了EPHY和EMAC兩個硬件子模塊，它們的初始化必須嚴(yán)格按照技術(shù)手冊進(jìn)行，避免忽略一些細(xì)節(jié)。

2、以太幀的發(fā)送

在NE64中發(fā)送一個以太幀，必須將該幀內(nèi)容寫入至EMAC模塊的發(fā)送緩沖區(qū)(TX緩沖區(qū))，然后再通過發(fā)送命令將其發(fā)送出去，接下來的工作由下層硬件完成。與以太幀的發(fā)送相關(guān)的寄存器包括發(fā)送緩沖區(qū)幀結(jié)束指針寄存器(TXEFP)、發(fā)送控制和狀態(tài)寄存器(TXCTS)。

3、以太幀的接收

判斷以太幀的接收有兩種方法：查詢法和中斷法。由于中斷法有更好的執(zhí)行效率，本文使用了中斷法接收以太幀。由于NE64有兩個接收緩沖區(qū)A和B，因此到達(dá)的幀可能存儲在A緩沖區(qū)也可能存儲在B緩沖區(qū)，所以中斷矢量也有兩個：A緩沖區(qū)接收完成中斷和B緩沖區(qū)接收完成中斷，其矢量地址分別是$FFB2和$FFB4。無論是A緩沖區(qū)還是B緩沖區(qū)接收到數(shù)據(jù)，處理方法是一樣的，都是將接收到的數(shù)據(jù)幀讀出來，再進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 uIP協(xié)議實現(xiàn)的程序設(shè)計

3.1 TCP協(xié)議的實現(xiàn)

TCP協(xié)議是嵌入式Web的核心，它提供一種基于連接的帶確認(rèn)的可靠的數(shù)據(jù)流傳輸方式，可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。TCP協(xié)議的機(jī)制很復(fù)雜，它的完整實現(xiàn)對處理器的存儲能力和運(yùn)算能力要求較高。這對于嵌入式系統(tǒng)來說是比較奢侈的，因此必須對其進(jìn)行簡化。本文要實現(xiàn)的是一個基于嵌入式Web服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過仔細(xì)分析，本文得到如圖1所示的簡化的TCP狀態(tài)機(jī)。其中連接的斷開由服務(wù)器主動執(zhí)行，通過多次實驗總結(jié)出來該方式在本文系統(tǒng)中，比標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議主動斷開連接的狀態(tài)機(jī)簡單且穩(wěn)定。

圖1 服務(wù)端簡化的TCP狀態(tài)圖

另外本系統(tǒng)可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求調(diào)整TCP所支持的連接數(shù)量，但是通常在同一時刻僅支持單個TCP連接。同時為了避免因為數(shù)據(jù)報的丟失而造成狀態(tài)機(jī)的死鎖，本文使用簡單定時機(jī)制，使TCP狀態(tài)機(jī)在超時后復(fù)位。

TCP協(xié)議連接建立的過程被稱為“三次握手”。首先，客戶端向服務(wù)端提出連接請求。此時客戶端在TCP報頭中插入自己的ISN，并置SYN標(biāo)志為1，表示序列號字段合法，需要檢查。其次，服務(wù)端收到該TCP分段后，以自己的ISN回應(yīng)，同時確認(rèn)收到客戶端的TCP分段，置ACK標(biāo)志為1。最后，客戶端確認(rèn)收到服務(wù)端的ISN，置ACK標(biāo)志為1。至此完整的TCP連接建立，開始全雙工模式的數(shù)據(jù)傳輸過程。

3.2 其他協(xié)議的實現(xiàn)

在實現(xiàn)以太網(wǎng)底層驅(qū)動的基礎(chǔ)上，接下來實現(xiàn)用于以太網(wǎng)通信的上層協(xié)議。ARP協(xié)議是為了通信雙方獲取對方MAC地址的通信協(xié)議，是網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，本文實現(xiàn)了ARP請求報文的發(fā)送和接收以及ARP響應(yīng)報文的接收和處理功能。為方便網(wǎng)絡(luò)調(diào)試，在uIP中實現(xiàn)了Ping命令，當(dāng)監(jiān)控設(shè)備正常工作后可省略該部分內(nèi)容。SD12-MCS是實現(xiàn)一個基于嵌入式Web的應(yīng)用設(shè)備，并非嵌入式網(wǎng)關(guān)或路由器，因此為了節(jié)約嵌入式系統(tǒng)資源，本文裁減了IP協(xié)議的路由功能，有關(guān)路由問題都由默認(rèn)網(wǎng)關(guān)完成。盡管基于Web方式的SD12-MCS使用了TCP協(xié)議，但是目前也有一些應(yīng)用是基于UDP協(xié)議的，為了系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性，本文也實現(xiàn)了UDP協(xié)議。

4 Web服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)

該監(jiān)控系統(tǒng)的工作模式為嵌入式Web服務(wù)器方式，因此本文在實現(xiàn)uIP協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了應(yīng)用層的HTTP協(xié)議以及CGI處理程序。

4.1 HTTP協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)