來(lái)愛(ài)華，盧　軍，游繼安*

(1.湖北工程學(xué)院 新技術(shù)學(xué)院， 湖北 孝感 432000;2.湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

基于LwIP協(xié)議的多點(diǎn)控制系統(tǒng)研究

來(lái)愛(ài)華1，盧軍2，游繼安1*

(1.湖北工程學(xué)院 新技術(shù)學(xué)院， 湖北 孝感 432000;2.湖北工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

摘要：設(shè)計(jì)了一款基于LwIP協(xié)議的多點(diǎn)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由下位機(jī)硬件和上位機(jī)軟件兩部分組成，利用操作上位機(jī)界面上的按鈕來(lái)控制與下位機(jī)的連接。通過(guò)控制下位機(jī)上LED燈的試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；LwIP協(xié)議；控制系統(tǒng)；上位機(jī)界面

隨著人們對(duì)嵌入式系統(tǒng)研究的不斷深入，利用PC機(jī)控制嵌入式下位機(jī)日益受到人們的關(guān)注。PC機(jī)與嵌入式下位機(jī)通信的方法主要有以下幾種：(1)串口通信[1]；(2)USB通信[2]；(3)CAN通信[3]；(4)雙絞線/光纖通信。在以上四種方法中，第四種方式的通信協(xié)議最為復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)性能要求較高，但通信時(shí)傳輸數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定。因此，該方法常用于對(duì)傳輸穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合。

PC機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)與嵌入式下位機(jī)通信，常用的通信協(xié)議棧為L(zhǎng)wIP協(xié)議棧，控制方式主要有兩種：(1)采用類(lèi)似于DOS命令界面的控制臺(tái)方式；(2)Telnet(遠(yuǎn)程管理登錄協(xié)議)[4]方式。然而，這兩種方式均存在較為明顯的不足。通過(guò)類(lèi)似于DOS控制臺(tái)的方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，而采用Telnet的命令行模式需要用戶熟悉大量的管理命令，并需要具備一定的計(jì)算機(jī)操作技能。

鑒于上述原因，便有研究者提出采用安裝了WEB服務(wù)器的PC機(jī)作為上位機(jī)與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行通信[5]。該方法確實(shí)是一種比較理想的通信方式，但是不可否認(rèn)它存在明顯的技術(shù)難題。由于WEB服務(wù)器設(shè)計(jì)起來(lái)相對(duì)較復(fù)雜，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，WEB服務(wù)器確實(shí)是一種理想的選擇，但是對(duì)于相對(duì)較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，利用C/S模式設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易控制界面一般能滿足客戶的需求。而且，WEB服務(wù)器是基于B/S架構(gòu)的，而MFC設(shè)計(jì)的界面是基于C/S架構(gòu)的，相對(duì)于前者，后者在設(shè)計(jì)上更加靈活，且形式更加多樣，更容易滿足客戶的應(yīng)用需求。另外，利用MFC設(shè)計(jì)的界面還有其他的優(yōu)點(diǎn)：(1)設(shè)計(jì)比較容易；(2)可以根據(jù)客戶的需求設(shè)計(jì)多個(gè)PC機(jī)與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行通信的上位機(jī)界面。

1LwIP協(xié)議

LwIP協(xié)議是由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)家Adam Dunkels等研發(fā)的一套輕量級(jí)開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧，該協(xié)議棧既可以在有操作系統(tǒng)的平臺(tái)上運(yùn)行，也可以移植到?jīng)]有操作系統(tǒng)的平臺(tái)上運(yùn)行。LwIP的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是該協(xié)議棧運(yùn)行僅需極少的資源。實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)行該協(xié)議只需要20 KB的RAM和40 KB的ROM[6]。目前常見(jiàn)的單片機(jī)，如STC89C516、AVR系列單片機(jī)Atmega64、Atmega128、MSP430系列多款單片機(jī)、Cortex-M3系列單片機(jī)的閃存均超過(guò)40 KB[7]。因此，市場(chǎng)上常見(jiàn)的嵌入式芯片都可以運(yùn)行該協(xié)議棧。

1.1LwIP 協(xié)議棧框架

相對(duì)于其他協(xié)議棧來(lái)說(shuō)，LwIP協(xié)議棧主要有三大優(yōu)點(diǎn)。其一，LwIP是專門(mén)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專用協(xié)議；其二，LwIP占用內(nèi)存較少；其三，LwIP具有相對(duì)齊全的功能，而且具備完善的內(nèi)存管理辦法，對(duì)嵌入式控制器的性能要求不高。

LwIP 協(xié)議棧的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議功能，它通過(guò)一個(gè)任務(wù)管理器對(duì)不同的協(xié)議模塊進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度。Adam Dunkels對(duì)LwIP中的主要協(xié)議模塊進(jìn)行了適當(dāng)裁剪，使其更加適用于硬件資源有限的嵌入式設(shè)備。LwIP協(xié)議棧功能模塊如圖1所示。模塊主要由以下六部分組成，而LwIP任務(wù)管理器是其他五部分的基礎(chǔ)。

圖1　LwIP協(xié)議功能模塊

1.2LwIP協(xié)議棧進(jìn)程模型

LwIP協(xié)議棧將所有的通信協(xié)議放在一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程中處理，該進(jìn)程獨(dú)立于系統(tǒng)內(nèi)核。當(dāng)應(yīng)用程序與LwIP 在同一進(jìn)程中時(shí)，不僅可以采用函數(shù)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)通信，也可以使用更為抽象的API 方式實(shí)現(xiàn)二者通信，這種設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)在于提高了LwIP 的可移植性。LwIP 進(jìn)程模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。LwIP進(jìn)程模型主要分為四層，分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)接口層。

圖2　LwIP 進(jìn)程模型

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，其中下位機(jī)部分以意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的控制芯片STM32作為主控制芯片，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。上位機(jī)部分分布在PC機(jī)上，是基于C/S架構(gòu)的控制軟件。上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)相連，如果需要多個(gè)上位機(jī)控制同一個(gè)下位機(jī)，則可以在連接線路中增加一個(gè)路由器，系統(tǒng)中具體的上位機(jī)的數(shù)量由路由器決定。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)所采用的開(kāi)發(fā)板主要包三個(gè)部分。第一個(gè)部分是以STM32控制芯片為主的最小系統(tǒng)，第二個(gè)部分是網(wǎng)絡(luò)接口，其電路如圖4所示。該部分主要由一個(gè)芯片和一個(gè)接口座組成，芯片是ECN28J60控制器和HR911105A網(wǎng)絡(luò)接口，該部分的主要作用是連接下位機(jī)與Internet。第三部分由三個(gè)LED燈組成，通過(guò)控制芯片輸出的低電平點(diǎn)亮LED。

控制芯片采用STM32f103VET6芯片,該控制芯片具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，采用ARM公司設(shè)計(jì)的內(nèi)核，該芯片繼承了ARM公司產(chǎn)品控制性能強(qiáng)，低功耗，價(jià)格低廉，其片內(nèi)RAM達(dá)到48 KB,片內(nèi)ROM達(dá)到512 KB。因此，在該芯片上的資源足以運(yùn)行LwIP協(xié)議。ENC28J60與HR9011105A是嵌入式系統(tǒng)接入以太網(wǎng)的關(guān)鍵器件，其中ENC28J60為網(wǎng)絡(luò)控制器，其功能是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為嵌入式芯片能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)，HR9011105A為隔離變壓器，通過(guò)該器件可以平衡接線線路與嵌入式開(kāi)發(fā)板的電壓。最后，電路中的三個(gè)LED燈主要是方便開(kāi)發(fā)者觀察實(shí)現(xiàn)結(jié)果而設(shè)置的。

2.3軟件設(shè)計(jì)

2.3.1上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)部分使用VC++6.0開(kāi)發(fā)，移植LwIP_vl.2.0,使用MFC搭建可視化仿真測(cè)試環(huán)境，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套運(yùn)行在PC系統(tǒng)上的LwIP協(xié)議開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該系統(tǒng)包含三個(gè)模塊，其中應(yīng)用程序模塊位于最頂層，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)操作的調(diào)用范例與測(cè)試入口；LwIP協(xié)議棧模塊位于中間層，實(shí)現(xiàn)LwIP協(xié)議棧與WINDOWS系統(tǒng)對(duì)接；網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊位于最底層，使用第三方網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)庫(kù)WinPcap實(shí)現(xiàn)LwIP協(xié)議棧與WINDOWS系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的適配，這樣LwIP協(xié)議棧就可以通過(guò)WINDOWS驅(qū)動(dòng)與其他網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行通信。上位機(jī)系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖4　以太網(wǎng)控制器硬件電路圖

(1)應(yīng)用程序界面設(shè)計(jì)如圖6所示。設(shè)計(jì)應(yīng)用程序的目的是通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的連接配置，通過(guò)調(diào)整上位機(jī)界面上的參數(shù)控制下位機(jī)上LED燈的亮滅。上位機(jī)應(yīng)用程序主要有兩個(gè)任務(wù)，一是IP地址撥號(hào)，二是控制三個(gè)LED燈的亮滅。

圖6　上位機(jī)控制界面

(2)系統(tǒng)調(diào)度程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)總體程序主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分。當(dāng)用戶操作上位機(jī)界面時(shí)，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送控制命令，從而實(shí)現(xiàn)用戶的各種控制要求，其程序流程如圖7所示。

圖7　上位機(jī)控制程序流程

下位機(jī)的主要作用是接收來(lái)自上位機(jī)發(fā)送來(lái)的消息，并對(duì)該消息進(jìn)行分類(lèi)處理，其主要工作流程如圖8所示。

應(yīng)用層程序包含整個(gè)LwIP協(xié)議棧，它一方面作為獨(dú)立任務(wù)存在，另一方面也可以借助原始接口直接通過(guò)LwIP協(xié)議棧完成與LwIP協(xié)議棧的通信?；贚wIP協(xié)議的程序調(diào)度流程如圖9所示。

盡管LwIP協(xié)議沒(méi)有明確劃分各個(gè)層次，但是實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧的IP子協(xié)議模塊、ICMP子協(xié)議模塊和UDP子協(xié)議模塊，并且提供了操作系統(tǒng)適配層、內(nèi)存緩沖與存儲(chǔ)管理、網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)等附加模塊。

圖8　下位機(jī)控制流程

(3)當(dāng)應(yīng)用程序界面和LwIP模塊設(shè)計(jì)完成后，接下來(lái)需通過(guò)協(xié)議棧接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)子模塊的作用是將LwIP協(xié)議棧與WINDOWS系統(tǒng)對(duì)接，將LwIP協(xié)議棧生成的報(bào)文通過(guò)WINDOWS傳輸接口發(fā)送出去。發(fā)送技術(shù)主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是WINDOWS編程，另一類(lèi)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)包WinPcap。其中，第一類(lèi)方法較復(fù)雜，第二類(lèi)方法操作較簡(jiǎn)便。WinPcap為Win32應(yīng)用程序提供訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)底層的能力，利用該網(wǎng)絡(luò)操作庫(kù)可以對(duì)WINDOWS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行操作，利用WinPcap提供的一組接口可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的捕獲與分析。

2.3.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)接收來(lái)自上位機(jī)的消息，當(dāng)下位收到的消息為撥號(hào)消息時(shí)，進(jìn)行撥號(hào)，當(dāng)收到的消息為控制消息時(shí)，對(duì)下位機(jī)上的LED燈進(jìn)行控制。其工作流程如圖10所示。

在該部分中，不僅需要通過(guò)控制芯片STM32對(duì)下位機(jī)的外設(shè)進(jìn)行控制，同時(shí)還需要接收來(lái)自上位機(jī)的消息。因此，下位機(jī)模塊不僅需要定義LwIP模塊，而且還要定義下位機(jī)的撥號(hào)連接信息。

圖9　LwIP進(jìn)程調(diào)度

3系統(tǒng)測(cè)試

本文選用四個(gè)控制臺(tái)測(cè)試所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有效性。四個(gè)控制臺(tái)分別向下位機(jī)發(fā)送控制命令來(lái)點(diǎn)亮下位機(jī)上不同的LED燈,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖11?？梢钥闯?，系統(tǒng)的控制效果均已實(shí)現(xiàn)，且具有很好的穩(wěn)定性。

圖10　下位機(jī)程序流程圖

(a)控制臺(tái)一向下位機(jī)發(fā)送控制命令

(b)控制臺(tái)二向下位機(jī)發(fā)送控制命令

(c)控制臺(tái)三向下位機(jī)發(fā)送控制命令

(d)控制臺(tái)一向下位機(jī)發(fā)送控制命令

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于LwIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)與上位機(jī)軟件的通信功能，組合意法半導(dǎo)體公司Cortex-M3處理器STM32f103VET6與ECN28J60控制器硬件，利用嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)客戶端的Socket通信，通過(guò)多個(gè)上位機(jī)終端控制一個(gè)下位機(jī)終端。經(jīng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)通信。

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(責(zé)任編輯：張凱兵)

Study on Multi-Points Control System Based on LwIP Protocol

Lai Aihua1, Lu Jun2, You Ji’an1*

(1.CollegeofTechnology,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China; 2.SchoolofComputerandInformationScience,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China)

Abstract：A multi-points control system which is based on the LwIP protocol is developed. The system consists of the hardware of the slave computers and the software of the master computer, in which the communication with the slave computers is accomplished by operating the buttons on the interface on the master computer. The test on the control of the display of the LEDs on the slave computers validates the effectiveness of the proposed system.

Key Words：embedded system; LwIP protocol; control system; PC interface

收稿日期：2015-09-11

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB576)

作者簡(jiǎn)介：來(lái)愛(ài)華(1986-)，女，湖北咸寧人，湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院助教，碩士。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-4824(2015)06-0028-06

游繼安(1987-)，男，湖北孝感人，湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院助教，碩士，本文通信作者。