基于微控制器的WEB應用服務設計

楊濛濛，林鈺坤，祁才君

(浙江大學電氣工程學院，杭州310027)

1 引言

工業控制設備常用的外部通信接口是UART(即RS232或RS485)、CAN總線、USB、以太網以及簡單的GPIO控制口。每個通信口都需要相應的協議支持，針對每種協議必須在控制平臺上開發相應的控制應用軟件。

控制平臺由硬件和操作系統兩部分組成?？刂破脚_的硬件平臺通常是PC、平板電腦、各種智能手機等等，而控制平臺的操作系統可能是WINDOWS XP、WIN7、UNIX、LIUNX、ANDROID 等等。由于控制軟件的開發與硬件平臺和它的操作系統密切相關，從而需要針對不同的硬件平臺和操作系統開發不同版本，軟件開發與維護的工作量很大。同時，用戶在使用前也首先需要安裝控制軟件，這些都帶來了很多不便。

如果設計工業控制設備時采用以太網通信口，同時在設備內部嵌入WEB服務，那么通過訪問工業設備的IP地址，就可以直接對設備進行控制與觀測。開發人員無需為每個控制平臺開發一套控制軟件，用戶也不需要安裝控制軟件。這樣就會為工業控制設備的設計和使用帶來很大的便利，也提高了工業控制的效率。

2 微控制器的選擇及簡介

設計的WEB應用服務中，采用LM3S8962微控制器。LM3S8962是TI公司的一款基于Cortex-M3內核的ARM芯片。Cortex-M3是工業控制系統、無線網絡系統等對功耗和成本較為敏感的嵌入式應用領域實現高性能而設計的，它很大程度上簡化了編程的復雜性，使ARM成為各種應用方案中的最優選擇。

LM3S8962功能非常強大，集成了豐富的資源:含有256 KB的單周期Flash;含有4個通用定時器模塊(GPTM)，每個模塊都能提供2個16位的定時器/計數器，也可以作為1個32位的定時器模塊;含有以太網控制器模塊;擁有同步串行接口，以及3個完全可編程控制的UART接口;含有3個PWM信號發生模塊，每個模塊都帶有1個16位的計數器，2個比較器，1個PWM信號發生器，以及一個死區發生器;含有正交編碼器(QEI)接口;含有5-24個通用IO口，最高可承受5V的電平［1］。

LM3S8962的以太網控制器符合IEEE 802.3-2002規范，遵循IEEE 1588-2002精確時間協議(PTP)，支持全功能的自協商協議，可工作在多種模式下，如半雙工和全雙工模式，掉電和節電模式，而且可編程MAC地址，支持混雜模式，擁有CRC錯誤拒絕控制和用戶可配置的中斷。由于LM3S8962已經集成了網絡物理(PHY)模塊和媒體訪問控制器(MAC)模塊，使得它只需要外接一個網絡變壓器就可以實現以太網通信。從上面的描述中可以看出，用LM3S8962實現的WEB應用服務具有電路結構緊湊、體積較小等突出優點，因此，采用LM3S8962實現WEB應用服務設計是一個性價比很高的選擇［1］。

這次WEB應用服務設計正是由LM3S8962作為WEB服務器，將TCP/IP協議棧的瘦身版本LwIP協議移植到LM3S8962中，實現數據通過以太網與工業控制設備之間的交互。設計方案具有實現簡便、傳輸穩定、性價比高等優點。

3 基于LM3S8962的嵌入式WEB應用服務設計

LM3S8962與工業控制設備連接通信之前需要制定簡單的通信協議，如 LwIP協議等，并在LM3S8962微控制器中安裝 WEB應用服務，編寫WEB應用服務的接收響應程序，當需要設置設備的相關參數時，只需要在電腦上以制定的通信協議的通信數據包向 LM3S8962發出 WEB請求，LM3S8962在收到WEB請求后會作出相應的響應，完成控制設備相關參數的設置。

該WEB應用服務設計的實現主要包括三個部分:一是LM3S8962微控制器的以太網接口驅動程序;二是基于TCP/IP協議棧的通信實現;三是嵌入式Web服務器的實現。

3.1 LM3S8962微控制器以太網接口驅動程序

以太網接口的驅動程序相當于實現計算機(PC機)上的網卡驅動程序，可以通過LM3S8962微控制器的以太網控制器模塊來處理以太網通信協議，完成通信數據包的發送和接收。首先要對LM3S8962自帶的以太網控制器模塊進行初始化，設置模式和參數，使其開始工作。正常工作后，通過以太網的中斷程序讀寫RAM，完成對數據包的接收和發送。

1)LM3S8962自帶的以太網控制器模塊初始化

程序初始化流程框圖如圖1所示。

具體程序初始化設置如下:

⑴寄存器RCC和RCC2:對400MHz進行/4分頻，則系統時鐘頻率為50MHz，PLL供電，外部晶振值為8MHz。

⑵寄存器RCC和RCC2:PWM頻率為對系統時鐘clock進行/8分頻，50MHz/8=6.25MHz。

⑶寄存器DC4:使能外設IO口ADEFG，使能外設PWM，使能外設UART0。

⑷GPIO方向寄存器GPIODIR:配置E口E0-E3為輸入，配置F口F0為輸出，配置F口F1為輸入，配置G口G1為PWM1的功能。

⑸系統中斷(g_ulSystemClock=50MHz，CLOCK_RATE=300):系統時鐘中斷周期為166667，即時鐘周期為6*10e-6s。

⑹使能并復位以太網控制器。

⑺寄存器GPIOPeriphID:使能F2、F3口輸出用于以太網LED燈。

⑻Flash寄存器:寄存器USER_REG0和USER_REG1。

⑼初始化LWIP庫，使用DHCP。

⑽LocatorInit:安裝設備定位服務。

⑾httpd_init:Web服務器的初始化配置。

⑿以太網可用的中斷:中斷計時器配置。

2)以太網控制器模塊發送數據

發送響應數據時，先分配一個新的pbuf參量來用于發送響應數據，然后將待發送的響應數據按以太網UDP數據包格式封裝，并進行校驗和計算，以太網UDP數據包的數據格式如下:

封裝好響應數據包后，復制響應數據包到pbuf當中，這樣就可以將響應數據寫入RAM。在很多情況下無法將整個響應數據包一次存入先進先出數據緩存器(FIFO)中，因此，在構成一個新的響應數據包之前，必須先等待前一個響應數據包發送完成。

圖1 程序初始化流程框圖

3)以太網控制器模塊接收數據

以太網控制器模塊接收數據采用的是查詢方式。接收數據時，接收緩沖區會構成一個循環的FIFO隊列。首先分配一個p參量p=pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT，UDP_HLEN ，PBUF_RAM)為寫入指針，新收到的數據包存于以p指出的地址為首地址的RAM中。當p=NULL時，說明當前沒有數據包可讀。而當p!=NULL時，說明系統接收到新的響應數據包，用戶將開始讀取響應數據包，直到所有響應數據包都已經讀完，此時便停止讀取響應數據包。

圖2和圖3分別是以太網控制器模塊發送和接收響應數據包的流程。

3.2 基于TCP/IP協議的以太網通信實現

TCP/IP協議棧的設計是以TCP/IP協議參考模型為核心，其中物理層和數據鏈路層是由LM3S8962以太網控制器及其驅動程序完成的。TCP/IP協議棧的設計主要包括收發緩存設計、定時器設計，以及IP(互聯網協議)、TCP(傳輸控制協議)和HTTP(超文本傳送協議)等諸多協議模塊的設計。應用層則是以HTTP協議和公共網關接口(CGI)技術為基礎，構建嵌入式WEB服務器，實現了瀏覽器和WEB服務器的動態交互［6］。

TCP/IP協議簇經過長時間的實踐檢驗，功能設計較為完善，并且它CPU耗時多、代碼體積大等問題也隨著高性能微處理器的問世逐步得到了緩解。近幾年來，TCP/IP協議的嵌入式實現已成為熱點，出現了許多瘦身版本的TCP/IP協議，如uIP、LwIP等。

WEB應用服務設計選擇了以LwIP瘦身版本協議在LM3S8962上實現的方案。LwIP是瑞士計算機科學院的一個開源的TCP/IP協議棧。LwIP協議為了提高通信的性能，使用了一種比較松散的通信機制，通過共享內存的方式實現應用層和底層協議之間的通信，避免了內存復制所造成的性能損失［8］。

圖2 以太網控制器發送數據包流程

圖3 以太網控制器接收數據包流程

3.3 嵌入式WEB應用服務器的實現

嵌入式Web服務EWS(Embedded Web Server)是指將WEB服務器引入到現場測試和控制設備中。EWS功能簡單、消耗資源少，很適合運行在像LM3S8962這樣的ARM系統上。

httpd是一種最簡單的WEB服務器，只能發布靜態網頁，提供靜態的WEB服務。而JavaScript則是一種面向對象的、能廣泛應用于瀏覽器WEB開發的、可以區分大小寫的腳本語言。它能適應動態網頁，實現交互式的WEB服務。JavaScript不僅提高了網頁的瀏覽速度，同時增強了WEB頁面與用戶的交互能力［10］。

嵌入式Web服務器的結構方案如圖4所示［10］。

嵌入式WEB服務器系統的工作流程為:①瀏覽器通過匹配的IP地址訪問內嵌于WEB服務器中的帶有JavaScript程序的網頁;②嵌入式WEB服務器收到了URL請求后，讀取內嵌的網頁，并將網頁通過HTTP通信協議傳送給瀏覽器;③網頁在瀏覽器中顯示，內嵌的程序在瀏覽器中被解釋執行;④用戶操作界面，程序會校驗用戶的操作，如果輸入的信息正確，程序會發送能被程序分析處理的請求，并通過封裝成通信數據包的形式發送給WEB服務器;⑤經過WEB服務器中的程序分析處理過的請求將封裝成響應數據包，和數據一起更新，發送回瀏覽器端;⑥當瀏覽器端收到發回的響應數據包后，Java Script程序會對頁面進行實時更新。

圖4 嵌入式WEB服務器系統的結構圖

4 WEB服務在音頻切換器中的應用

隨著互聯網的日益普及，基于以太網的廣電機房設備遠程監控系統逐漸成為發展趨勢，網絡技術在廣電設備中的應用也日趨廣泛。視、音頻矩陣切換器是廣播電視播出機房的重要設備，8路輸入2路輸出的音頻切換器，對8路視音頻輸入信號進行選擇，輸出任意1路視音頻信號的功能，每路視、音頻信號均有二路分配輸出。結合目前微控制器與以太網技術，將其應用于廣播電視系統的音頻切換器中，將大大降低成本，并易于維護，提高設備的可靠性。

4.1 音頻切換器

音頻切換器多應用于電視臺廣播電臺播出系統中，用來循環檢測各通道音頻狀態，切換時無音頻通道自動跳過、切換延遲時間可選，用戶可以根據自己的需要在前面板上設置不同長度的切換延遲時間等功能，為音頻安全播出提供了有效的保障。

4.2 基于微控制器WEB服務的音頻切換器系統

微控制器與以太網技術相結合，采用B/S架構形成的嵌入式WEB技術是近幾年來隨著計算機網絡的普及而發展起來的一項新興技術?；谇度胧絎eb服務技術的音頻切換器系統的核心就是嵌入式Web服務器，嵌入式Web服務器是由微處理器和以太網接口控制器組成的硬件平臺，與由數據收發程序、TCP/IP通信協議和HTTP服務器程序組成的軟件系統來實現的?；谇度胧絎eb服務技術的音頻切換器系統設計的總體思路是嵌入式Web服務器通過通信端口或現場總線與本地機房設備和環境數據采集設備直接相連，并將接收到的數據經過分析、處理后通過TCP/IP協議將其連接到以太網上?？蛻舳吮O控主機則通過Web瀏覽器在網絡上實時監控現場信號的動態變化，從而實現遠程監控的目標［9］。

基于微控制器LM3S8962的Web音頻切換器系統如圖5所示。

圖5 基于微控制器LM3S8962的Web音頻切換器系統圖

5 結束語

WEB應用服務為工業控制設備的通信提供了一種可靠性高、實用經濟的方法。選用LM3S8962芯片為核心，構建了嵌入式WEB服務器，提出了嵌入式WEB應用服務的設計方案，實現了基于TCP/IP協議棧的通信控制功能。該設計方案具有簡單易行、性價比高、開發周期短、便于維護等優點，為嵌入式WEB應用服務技術在工業控制領域中的應用做出了有益的探索和嘗試。

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