基于嵌入式的通用型WEB服务器的控制系统的设计

1　引言

经过多年的发展，互联网技术已经在全球普及。嵌入式产品设计师也已经把嵌入式设计普遍用于专用的、非PC的设备中。嵌入式系统与Internet技术相互结合产生了嵌入式Internet技术。嵌入式Intemet技术已成为当今嵌入式系统发展的热点之一，它的许多方案都在不断地被提出和验证着。嵌入式Internet技术具有广阔的应用前景，它的应用领域主要包括智能公路、信息家电、工业自动化、电子商务和设备管理等。嵌入式WEB服务器的主要设计思想就是将嵌入式系统和WEB技术结合起来，将WEB技术引入到现场测量和控制设备中，从而实现基于嵌入式WEB服务器的控制系统。用户可以通过现有的公共通信网络，使用标准的WEB浏览器作为接口直接对现场的控制设备进行访问，监控和维护等操作，实现了异构设备之间的跨平台互访。

2　系统结构与工作原理

系统采用当前流行的B/S结构，这种结构是随着Internet技术的发展，对传统C/S结构的扩展和改造。实质上B/S结构是一种特殊的C/S结构，所不同的是，在B/S结构中，系统主要功能都在服务器端实现，浏览器是客户端，提供用户接口，将用户的请求传递到服务器，并将服务器的响应展现给用户。系统结构如图1所示。

分析嵌入式系统的具体情况，发现对于一般的嵌入式系统，基本的功能需求大体上分为两大类，可以用两个字来概括“监控”。

（1）嵌入式服务器端包含———“监”功能的实现。对于上行的数据流，通过嵌入式服务器端包含技术（ESSI）来实现。本系统中，自定义了一条ESSI指令“DATA”，用来实现动态信息的实时显示，该指令的语法如下： 《 DATA var = state func = Get-State》，该指令与标准的HTML标记兼容，其属性有两个，分别为var和func， var表示设备的状态名称，一个设备可以定义多个状态名; func管理接口函数，用来获得相应设备的状态信息，原型为uint8* func（ ）。

（2）嵌入式通用网关接口———“控”功能的实现。对于下行的控制流，通过嵌入式通用网关接口（ECGI）来实现，如图2所示。在需要向嵌入式设备下达控制命令的情况下，借助表单的POST方法向服务器传递数据，表单的语法格式如下：

 

表单的name属性指定了管理接口函数名，此函数用来处理表单数据，原型为void TestForm（uint8*

content）， content是浏览器传送过来的参数;表单的另一个属性method指定了浏览器向服务器传送数据的方式。例如：

包含有上述表单的HTML文件传送到浏览器之后，网页上出现三个编辑框和一个submit按钮，用户在编辑框中输入参数，点击submit按钮后，浏览器向Web服务器传送以下内容：

var1=value1&var2=value2&var3=value3&Go=OK

3　硬件系统设计

3.1　硬件原理框图

系统的硬件原理框图如图3所示，嵌入式处理器LPC2292处于中心位置，设备的状态数据经过处理器打包后，经由RTL8019AS发布到网络上，用户的控制命令经过RTL8019AS传递到处理器LPC2292，再由处理器控制相应的设备执行相应的控制命令。

3.2　嵌入式处理器

嵌入式处理器采用了Philips公司的基于ARM7TDMI内核的处理器LPC2292，该处理器具有16 kB片内静态RAM和256 kB片内Flash程序存储器;可以通过片内boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP），编程速度快， 512字节行编程时间为1ms，单扇区或整片擦除时间为400ms;同时还内置丰富的外设接口，极大的简化和方便了应用系统的设计，提高了系统的可靠性。

3.3　网络接口芯片

网络接口芯片采用Realtek公司的RTL8019AS，它是一种高度集成的以太网控制芯片，能简单的实现Plug and Play并兼容NE2000、掉电等特性。同时还支持全双工模式，能够实现网络数据的同时发送和接收。RTL8019AS芯片内部集成了DMA控制器、ISA总线控制器和16K SRAM、网络PHY收发器。

3.4　其它模块

RS232电路有两个作用，首先可以用作在系统编程（ISP），方便了LPC2292中软件的升级和调试，提高了效率;其次，在系统运行时，充当与外界通讯的一个通道。I2C和CAN电路可以用于扩展外围设备，完成系统在工业现场的控制任务和数据采集任务等。

4　软件系统设计

该系统的软件主要由以下几个部分组成：嵌入式操作系统、嵌入式TCP/IP协议栈、嵌入式Web服务器。

4.1　嵌入式操作系统

为了满足多任务和实时性的要求，本系统移植了嵌入式多任务实时操作系统μC/OS-II，并针对系统的具体情况和相应软硬件资源的情况，做了适当的裁剪和修改。

4.2　嵌入式TCP/IP协议栈

为了搭建一个Web服务器平台，网络协议栈是必不可少的。TCP/IP协议是目前广泛应用的网络协议栈，并且成了事实上的国际标准。本系统设计并实现了针对嵌入式系统的简易TCP/IP协议栈，该协议栈利用μC/OS-II实时操作系统的信号机制来实现多任务和可重入的特性，并且完全使用ANSIC进行编写，在设计实现时充分考虑了重用性和可移植性，可以像μC/OS-II那样支持多种CPU。

4.3　嵌入式Web服务器

在整个软件体系中，嵌入式Web服务器处于最上层，在它之下的是上述的嵌入式操作系统和嵌入式TCP/IP协议栈。嵌入式Web服务器除了实现静态文档以外，还利用嵌入式服务器端包含（ESSI）技术实现了动态文档，从而支持实时显示系统的工作状态;此外，通过嵌入式通用网关接口（ECGI）技术实现了浏览器端数据向服务器的传递，从而为对系统的控制提供了数据通道。

4.3.1　嵌入式Web服务器层次模型

如图4所示，嵌入式Web服务器包含四个层次，分别为套接字层、协议解析层、功能模块层和用户定义层。套接字层负责本系统与网络上的数据收发;协议解析层负责解析HTTP协议，从中获取有效数据或按照HTTP协议要求，生成HTTP协议报文;功能模块层有三个部分，分别是嵌入式文件系统（EFS）、嵌入式服务器端包含（ESSI）、嵌入式通用网关接口（ECGI）;用户定义层的三个部分由用户（开发人员）自定义，从而在不改变其他模块的情况下，增加、减少或修改系统的功能，使得系统具有二次开发功能。

4.3.2　嵌入式文件系统

为了方便Web服务器的实现，设计并实现了一个嵌入式文件系统［10-12］用来存储网页。此文件系统结构简洁、效率高，所有文件被集合成一个顺序结构，文件系统中每个文件包含一下几个域：HEAD，文件报头，两个字节，标记一个文件的开始（0xFA， 0xF3）;NAME，文件名，长度不定，以NULL结尾; SIZE，文件长度，四个字节，指示文件长度（以字节为单位）;FILE，文件内容，长度由SIZE指定。

4.3.3　用户定义层

用户定义层为用户开放了系统的编程接口，包括三个方面：

（1）文件系统构造。当用户需要更改Web服务器的网页时，只需在PC上用任何一种网页设计工具设计好网页，然后用ConverFile工具转化称fiLEData. c，即完成了文件系统的设计。

（2）ESSI变量定义。如需在浏览器上显示设备的工作状态等信息，可为每个状态定义一个变量，并绑定一个能够返回该状态值的函数即可。

（3）ECGI句柄定义。为了在服务器端获得用户的命令信息，需要为每一个命令定义一个虚拟网址，并绑定该网址到一个服务器端的函数，该函数获得浏览器端发送过来的参数，执行相应的命令。

5　实验结果分析

为了验证方案的可行性和实用性，在上述的软硬件平台的基础上，搭建了一个测试环境：在ARM处理器上外接八个LED指示灯，通过嵌入式Web服务器显示并控制每一个LED指示灯的亮和灭。系统测试的网络环境如图5所示，该网络由两个网段组成，用一台路由器连接，网段一的地址为172. 18. 136. 0/24，段内连接终端1和嵌入式设备，网段二的地址为172.18. 135. 0/24，段内连接终端2和终端3，具体的地址分配如图5所示。嵌入式Web服务器运行在IP地址为172. 18. 136. 8的嵌入式设备上，测试结果如图6。结果表明，无论是在同一网段内的终端1上访问嵌入式Web服务器，还是在不同网段的终端2和终端3上访问嵌入式We服务器，系统都可以正常、稳定地运行，并实现对嵌入式设备的监控功能。

 

以上设计及实现的通用嵌入式Web服务器模块，可移植到多种ARM7系列的处理器上，采用此模块可简化系统的设计，加快开发速度，具有一定的应用前景。