董航飛

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通226010）

引 言

近年，由于Internet技術(shù)的不斷完善和飛速發(fā)展，采用Internet通信已經(jīng)成為目前重要的通信手段之一；而基于MPU（微處理器）和MCU（微控制器）的嵌入式系統(tǒng)也已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。若能將兩者結(jié)合起來，既能實(shí)現(xiàn)通信的方便、高速和低廉又能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的微型、簡單和可靠，將會(huì)推動(dòng)社會(huì)的智能化和現(xiàn)代化。本文基于以上目的，設(shè)計(jì)了一款基于C／S和B／S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的嵌入式Web服務(wù)器。該服務(wù)器能提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)而且友好的界面給客戶訪問，并實(shí)現(xiàn)CAN 總線、RS-485、RS-232 與Internet的相互通信。該方案是將現(xiàn)場的設(shè)備組成一個(gè)底層的網(wǎng)絡(luò)，通過該服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)底層的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和Internet通信，避免了所有現(xiàn)場設(shè)備直接接入Internet，簡化了結(jié)構(gòu)，便于控制。

1 整體設(shè)計(jì)思想

整體設(shè)計(jì)如圖1所示。嵌入式Wed服務(wù)器采集現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，客戶可通過現(xiàn)有的公共通信網(wǎng)絡(luò)（如PSTN 等）和訪問標(biāo)準(zhǔn)的Wed瀏覽器，進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備的訪問、設(shè)置和監(jiān)控等操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)設(shè)備之間的跨平臺(tái)通信。該服務(wù)器主要分成3大部分。

圖1 整體設(shè)計(jì)

①網(wǎng)絡(luò)模塊。該模塊是服務(wù)器的核心部分，該部分要完成服務(wù)器的初始化，及時(shí)響應(yīng)客戶的不同的服務(wù)請(qǐng)求，通過發(fā)送郵件的形式實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該模塊提供兩種網(wǎng)絡(luò)接入模式：通過Ethernet接入Internet和通過PSTN（公共交換電話網(wǎng)）接入Internet。這樣，使服務(wù)器能適應(yīng)更多的場合，客戶可以不受地理空間的限制，隨時(shí)可以訪問現(xiàn)場設(shè)備。

②存儲(chǔ)空間。服務(wù)器的操作系統(tǒng)、Web瀏覽器網(wǎng)頁和運(yùn)行的程序存放在外擴(kuò)的串行Flash芯片中，作為一個(gè)獨(dú)立的文件系統(tǒng)；各個(gè)現(xiàn)場設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)存放在RAM 中，定時(shí)將數(shù)據(jù)通過郵件發(fā)送至上層固定郵箱，現(xiàn)場再次采集的數(shù)據(jù)將原有數(shù)據(jù)覆蓋。

③接口模塊。該服務(wù)器設(shè)計(jì)了常用的通信接口，如RS-232、RS-485、CAN、Modem、Ethernet，以實(shí)現(xiàn)和不同的通信標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備連接。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件總體設(shè)計(jì)圖

2.1 主控制器

本設(shè)計(jì)中主控制器采用MAXIM 公司生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)微控制器DS80C400，該控制器兼容8051，具有以下特點(diǎn)：外設(shè)集成了10／100M 以太網(wǎng)MAC，三個(gè)全雙工串行端口，一個(gè)CAN 2.0B控制器，1-Wire，8個(gè)雙向8位I／O 端口，可以方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制芯片

為更好地適應(yīng)DS80C400的網(wǎng)絡(luò)控制功能，采用Intel公司的生產(chǎn)芯片LXT972ALC，芯片功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，支持10／100M 的雙絞線應(yīng)用，尤其自身集成的MII口正好符合10／100MACs。其與主控芯片的連接如圖3所示。圖中變壓器采用漢仁集團(tuán)的HR61H40，完成數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)隔離的功能。

2.3 MODEM 接口

該接口電路采用常見的芯片MAX213EAI，完成該服務(wù)器與電話網(wǎng)的連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，接口電路如圖4所示。

圖3 DS80C400與LXT972ALC連接圖

圖4 Modem 接口電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是完成一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的部分，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接決定該設(shè)計(jì)的性能好壞。根據(jù)服務(wù)器的實(shí)際功能需求，該設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)、跨平臺(tái)能力強(qiáng)的TINIOS操作系統(tǒng)和與之匹配的TINI軟件。

3.1 WEB體系結(jié)構(gòu)

服務(wù)器作為橋梁，完成客戶對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的訪問。該服務(wù)器采用TCP／IP協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)，以HTTP 協(xié)議來進(jìn)行客戶端與服務(wù)器之間的請(qǐng)求和響應(yīng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。本體系結(jié)構(gòu)采用C／S和B／S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式：客戶的訪問采用B／S模式，通過瀏覽器網(wǎng)頁訪問嵌入式Web服務(wù)器，該模式界面友好，使用簡單，便于客戶操作；通信采用C／S 模式和Java Applet技術(shù)相結(jié)合，在Java Applet源程序中嵌入一個(gè)套接字，并將整個(gè)源程序編譯成Java碼嵌入到Web網(wǎng)頁中。當(dāng)客戶端訪問該網(wǎng)頁時(shí)Java碼會(huì)自動(dòng)下載到網(wǎng)頁，隨后與服務(wù)器建立Socket通信，從而獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該方法讓瀏覽器分擔(dān)了服務(wù)器的部分工作，減少了服務(wù)器的運(yùn)行負(fù)荷，提高了效率。

圖5 Web體系結(jié)構(gòu)圖

3.2 客戶端和服務(wù)器的通信實(shí)現(xiàn)

客戶端與服務(wù)器的通信過程如圖6所示：當(dāng)嵌入式Web服務(wù)器被啟動(dòng)，自動(dòng)開啟http服務(wù)線程和tini軟件服務(wù)線程，http服務(wù)線程開啟后啟動(dòng)監(jiān)聽程序進(jìn)入等待狀態(tài)，等待80端口的連接請(qǐng)求。客戶端發(fā)出請(qǐng)求后，服務(wù)器發(fā)送包含Applet的主界面網(wǎng)頁給客戶端，客戶根據(jù)主界面的選擇按鈕選擇所需要訪問的接口（如CAN2.0），隨后主界面轉(zhuǎn)入該接口的網(wǎng)頁，網(wǎng)頁中的Applet會(huì)向服務(wù)器發(fā)送命令請(qǐng)求初始化，初始化完成后，客戶便可以對(duì)該網(wǎng)頁進(jìn)行操作比如參數(shù)設(shè)置等。Web服務(wù)器發(fā)送的初始化數(shù)據(jù)主要是上一次的配置信息和采集的數(shù)據(jù)。隨后，客戶端進(jìn)入監(jiān)聽模式監(jiān)聽9999端口，等待客戶的操作命令，當(dāng)服務(wù)器收到命令請(qǐng)求后，解析命令并根據(jù)協(xié)議采集控制設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端網(wǎng)頁中的Applet，顯示在網(wǎng)頁中。

圖6 客戶端與服務(wù)器通信過程圖

4 應(yīng) 用

完成了服務(wù)器的軟件和硬件設(shè)計(jì)后，以西門子PLCS7-200作為現(xiàn)場設(shè)備通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信測(cè)試?？蛻羰紫鹊顷懙絎eb服務(wù)器首頁選擇需要通信的接口，如圖7所示，進(jìn)入該接口頁面后進(jìn)行信息配置，Web服務(wù)器隨后將客戶的配置信息根據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換成PLC可以識(shí)別的相應(yīng)代碼，再發(fā)送給PLC。PLC 收到代碼后進(jìn)行解碼，然后完成相應(yīng)的操作比如采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。PLC將采集到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后暫存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制折線圖，以便客戶登陸服務(wù)器時(shí)能更加直觀地查看數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖7 服務(wù)器登陸界面

圖8 PLC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖

結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采用DS80C400作為主控芯片完成了硬件設(shè)計(jì)，采用Java技術(shù)完成了軟件設(shè)計(jì)，并用PLC 作為現(xiàn)場設(shè)備通過以太網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行了控制和數(shù)據(jù)采集的驗(yàn)證，結(jié)果表明該服務(wù)器能運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定，能實(shí)時(shí)完成控制和數(shù)據(jù)采集任務(wù)，具有很好的實(shí)用和推廣價(jià)值。C／S和B／S相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，不僅能提高服務(wù)器的工作效率，而且使客戶端只需要瀏覽器就可訪問，系統(tǒng)升級(jí)只在服務(wù)器端進(jìn)行，簡化了客戶端的配置，使得服務(wù)器具有很強(qiáng)的可移植性和適應(yīng)性。本設(shè)計(jì)雖達(dá)到預(yù)期效果，但仍有不足，比如服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)上的安全性和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性等需要改進(jìn)。

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