微型嵌入式Web服務器的設計與實現(xiàn)

1 引言

隨著計算機、網(wǎng)絡通信和Internet技術的飛速發(fā)展和不斷進步，嵌入式系統(tǒng)在家庭和工業(yè)應用廣泛。如何將嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)接人Internet，綜合利用嵌入式系統(tǒng)資源，實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的遠程管理和控制，已成為關注的研究課題，而實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡化則成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

以太網(wǎng)以其成本低、速度快、應用普遍、有廣泛的硬件和軟件支持等優(yōu)點為實現(xiàn)管理控制網(wǎng)絡一體化提供可能，在現(xiàn)場設備內(nèi)置WEB服務器，使現(xiàn)場設備具有網(wǎng)頁發(fā)布功能，將Internet技術直接引入現(xiàn)場設備。

本設計是基于ARM7的微型嵌入式Web服務器。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制器的封裝均超過80引腳，而ENC28J60是業(yè)界最小的以太網(wǎng)控制器，只有28引腳，這樣既能提供相應功能，又大大簡化相關設計，減小空間，其標準的SPI串行接口只需4條總線即可實現(xiàn)與單片機連接，有利于在小型系統(tǒng)上實現(xiàn)以太網(wǎng)功能。在研究和分析TCP／IP協(xié)議的基礎上，合理簡化TCP／IP協(xié)議，選擇實現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP和HTTP協(xié)議。

2 系統(tǒng)硬件設計

ENC28J60的硬件連接如圖1所示。ENC28J60的硬件設計包括復位電路、時鐘振蕩器、網(wǎng)絡變壓器和其他外部元件以及LED配置單元模塊。

2.1復位電路

當ENC28J60的RESET引腳為低電平時ENC28J60工作在復位模式。RESET引腳內(nèi)部有弱上拉電阻，應外接一只10 kΩ的上拉電阻。

2.2 時鐘振蕩器

ENC28J60工作頻率為25 MHz。在OSC1和OSC2引腳之間連接無源晶體振蕩器。ENC28J60要求使用平行切割的晶體。本設計采用連接至OSC1引腳的外部25 MHz有源晶體振蕩器驅(qū)動，此時3.3V的外部時鐘連接OSC1引腳，OSC2引腳可使用一只接地電阻或斷開OSC2引腳以減少系統(tǒng)噪聲。

2.3 網(wǎng)絡變壓器和其他外部元件

實現(xiàn)以太網(wǎng)接口控制，還需多個標準外部元件：網(wǎng)絡變壓器、偏置電阻、儲能電容和去耦電容。

差分輸入引腳(TPIN+／TPIN-)需用一個變比為1：1的網(wǎng)絡變壓器實現(xiàn)10BASET。差分輸出引腳(TPOUT+／TPOUT-)需用一個變比為1：1、帶中心抽頭的脈沖變壓器實現(xiàn)。變壓器需具有2 kV或更高的隔離能力，以防止靜電干擾。本設計采用Pulse公司的集成以太網(wǎng)隔離變壓器H1102。

差分輸入／輸出引腳都需串聯(lián)2只49.7 Ω、精度為1％的電阻和1只0.01μF的電容，本設計采用并聯(lián)兩只100 Ω電阻獲得49.7 Ω、精度為1％的電阻。

所有的電源電壓引腳必須連接至外部同一個33 V電源。同理，所有的接地必須連接至同一外部地。每個電源電壓引腳和地之間應連接1只0.1μF的陶瓷去耦電容，該電容應盡可能地靠近電源電壓引腳放置。

2.4 LED配置

LEDA引腳和LEDB引腳在復位時支持極性自動檢測，既可直接驅(qū)動LED，又可灌電流驅(qū)動。復位時ENC28J60檢測LED的連接，并按照PHLCON寄存器的默認設置驅(qū)動。本設計LEDB采用拉電流的方式點亮LED。復位時該位清零且PHY默認在半雙工模式下工作。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 SPI接口

ENC28J60與微控制器MCU的連接通過SPI接口實現(xiàn)，支持10 Mb／s。但ENC28J60只支持SPI模式00，即CPOL=0和CPHA=0。另外，在空閑狀態(tài)時SPI端口要求SCK為低電平，且不支持時鐘極性選擇。以下為SPI接口初始化的源代碼：

3.2 TCP／IP協(xié)議棧的實現(xiàn)

考慮到單片機RAM存儲空間的限制和具體應用要求，合理簡化TCP／IP協(xié)議棧，選擇實現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP和HTTP協(xié)議。圖2所示為精簡的TCP／IP協(xié)議棧。

3.2.1 物理層接口的實現(xiàn)

物理層接口為ENC28J60的驅(qū)動程序，硬件方面是用ENC28J60的電路實現(xiàn)電纜的物理鏈接、介質(zhì)訪問控制、幀的發(fā)送與接收等功能，而與上層協(xié)議接口即為驅(qū)動程序，實現(xiàn)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)幀。以下是其兩個函數(shù)原型：

3.2.2 網(wǎng)絡層協(xié)議的實現(xiàn)

網(wǎng)絡層的協(xié)議包括ARP、IP、ICMP協(xié)議。網(wǎng)絡間連接需知雙方物理地址，而ARP協(xié)議是地址解析協(xié)議，實現(xiàn)IP地址到物理地址的轉(zhuǎn)化。網(wǎng)際協(xié)議(IP)負責將消息從一個主機傳送到另一個主機。ICMP協(xié)議是Internet控制消息協(xié)議，用于IP主機、路由器之間傳遞控制消息?？刂葡⑹侵妇W(wǎng)絡是否暢通、主機是否可達、路由是否可用等網(wǎng)絡本身消息。圖3所示是ping命令測試遠程用戶和設計的微型嵌人式Web服務器后的響應情況。

3.2.3 TCP、HTTP協(xié)議的實現(xiàn)

傳輸控制協(xié)議(TCP)負責收集信息包，并且將其按適當?shù)拇涡騻鬏?，接收端接收后再將其正確還原。傳輸協(xié)議同時保證了數(shù)據(jù)包在傳送中準確無誤。而HTTP是基于TCP協(xié)議的超文本傳輸協(xié)議，嵌人式Web服務器在與遠程用戶端建立TCP連接后發(fā)送網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，在HTTP協(xié)議發(fā)送流程中，由于TCP報文數(shù)據(jù)字段有長度限制，網(wǎng)頁資源一股被分成若干段進行分段傳送。在遠程用戶端打開IE瀏覽器，在地址欄輸入嵌人式Web服務器的地址。