基于W3150A＋的嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

引言

通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸已經(jīng)成為一種經(jīng)濟(jì)、有效的數(shù)據(jù)傳輸方式。越來越多的工業(yè)測(cè)控設(shè)備需要配置網(wǎng)絡(luò)接入功能，不僅需要通過以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳輸，而且需要通過瀏覽器來實(shí)現(xiàn)人與設(shè)備的交互，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)和管理。內(nèi)嵌于設(shè)備的Web服務(wù)器可以提供統(tǒng)一的基于瀏覽器方式的操作和控制界面，界面直觀易操作，大大降低了軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、維護(hù)工作量，節(jié)省了人員培訓(xùn)費(fèi)用，提高了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備的管理水平。

1關(guān)鍵器件的選擇

要實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能，需要一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的TCP／IP協(xié)議棧，同時(shí)還需要一款與以太網(wǎng)的速度相匹配的高性能處理器。

W3150A+芯片是一款TCP／IP硬協(xié)議棧芯片，為高速的Internet連接提供了一種簡(jiǎn)易、低成本的解決方案。W3150A+芯片包含TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP和PPPoE等協(xié)議，內(nèi)部有用來收發(fā)數(shù)據(jù)的內(nèi)存空間16 KB；它提供了3種接口——直接的、間接的和SPI，同時(shí)可支持4個(gè)獨(dú)立的SOCKET，每個(gè)SOCKET具有2 KB的緩沖區(qū)。

LPC2292微控制器是一款由PHILIPS公司設(shè)計(jì)的基于ARM7TTDMI-S核的16／32位RISC處理器，可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率，內(nèi)部具有16 KB的RAM，128／256 KB片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，具有可配置的外部8／16／32位總線，可進(jìn)行外部RAM擴(kuò)展。

2嵌入式Web服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中僅給出了與Web服務(wù)器相關(guān)的部分，電源、鍵盤等電路省略。

系統(tǒng)選擇頻率為12 MHz的晶振，設(shè)定LPC2292內(nèi)部PLL為4倍頻的工作頻率，設(shè)定數(shù)據(jù)總線為16位與RAM進(jìn)行接口，RAM選用2片IS61LV51216，為512K×16位的RAM。LPC2292通過8位數(shù)據(jù)總線對(duì)芯片W3150A+進(jìn)行讀寫，芯片W3150A+通過MII(Media Independent Interface)接口連接到RTL8201。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)到達(dá)芯片RTL8201時(shí)，通過MII接口到達(dá)芯片W3150A+。芯片W3150A+自動(dòng)完成TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)換，把數(shù)據(jù)接收到它的硬件緩沖區(qū)，并產(chǎn)生中斷通知LPC2292來讀取硬件緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，至此便完成1包網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收。

當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出1包數(shù)據(jù)時(shí)，LPC2292將RAM中準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)寫入W3150A+硬件發(fā)送緩沖區(qū)，通過發(fā)送指令，W3150A+通過MII接口發(fā)送到RTL201上，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。發(fā)送完成后產(chǎn)生中斷，通知LPC2292發(fā)送完畢。

3嵌入式Web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)原理：首先要實(shí)現(xiàn)W3150+芯片TCP／IP驅(qū)動(dòng)接口，在建立TCP連接時(shí)裝置作為TCPServer端，端口使用80，然后，在此基礎(chǔ)上采用HTTP協(xié)議，在HTTP協(xié)議基礎(chǔ)上采用HTML語言實(shí)現(xiàn)所要描述的網(wǎng)頁功能。應(yīng)用時(shí)通過瀏覽器與Web服務(wù)器建立的TCP連接進(jìn)行信息解析、交互，以實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)頁上進(jìn)行參數(shù)的配置、修改、程序在線升級(jí)與重新啟動(dòng)等。

由于系統(tǒng)應(yīng)用中關(guān)于Web的應(yīng)用不是很復(fù)雜，故在本設(shè)計(jì)中未采用文件系統(tǒng)，所有網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)都保存在RAM中。大約分配20 KB的RAM，通過重復(fù)利用此空間即可完成網(wǎng)頁的瀏覽與配置等操作。

具體實(shí)現(xiàn)內(nèi)容：TCP／IP的驅(qū)動(dòng)接口實(shí)現(xiàn)；HTTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；HTML語言的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)；Web服務(wù)器的應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)；權(quán)限管理。

3.1TCP／IP的驅(qū)動(dòng)接口的實(shí)現(xiàn)

驅(qū)動(dòng)接口主要有：

其函數(shù)原型及代碼實(shí)現(xiàn)可參考芯片W3150A+的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

 3.2 HTTP協(xié)議的簡(jiǎn)介與實(shí)現(xiàn)

(1) HTTP協(xié)議簡(jiǎn)介

①HTTP請(qǐng)求：

其中，GET／HTTP信息最為關(guān)鍵，此即為HTTP請(qǐng)求信息。

②HTTP應(yīng)答：

當(dāng)裝置收到請(qǐng)求報(bào)文后就進(jìn)行應(yīng)答，一般都處理為正確應(yīng)答。類似報(bào)文如下：

此報(bào)文表示：應(yīng)答正確，內(nèi)容類型為html語言，報(bào)文長(zhǎng)度為23 056，正文就是網(wǎng)頁內(nèi)容。[!--empirenews.page--]

③瀏覽器POST：

用于瀏覽器客戶端與Web服務(wù)器的信息交互。類似報(bào)文如下：

其中，IPladdr=192．100．20．50&IP2addr=192．100．1．200&…為POST提交的表單正文。解析時(shí)，“IPladdr”為變量名，“=192．100．20．50”為變量值，“&”為變量分割符。據(jù)此可以得到從瀏覽器上輸入的參數(shù)值。

(2)HTTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)HTTP報(bào)文的特點(diǎn)，即HTTP請(qǐng)求、POST提交表單參數(shù)、HTTP應(yīng)答等，提供解析函數(shù)：

bool HttpStringParse(uchaI*recvBuff)；

對(duì)接收到的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)recvBuff進(jìn)行解析，以得知是HTTP請(qǐng)求還是POST提交參數(shù)，然后根據(jù)情況進(jìn)行HTTP應(yīng)答。

提交的表單參數(shù)解析則根據(jù)分隔符&對(duì)變量及變量值進(jìn)行處理。

Web服務(wù)器在響應(yīng)某瀏覽器的請(qǐng)求后應(yīng)及時(shí)關(guān)閉其TCP連接，以便其他瀏覽器能夠訪問此Web服務(wù)器。

為了編程方便，提供以下宏定義供參考：

其中：

HTTP_ACK_HEAD為Web服務(wù)器收到HTTP請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行響應(yīng)的正確應(yīng)答頭。

HTTP_ACK_CONT_TYPE為通知瀏覽器Web服務(wù)器的應(yīng)答報(bào)文格式為HTML格式。

HTTP_ACK_CONT_LEN為Web服務(wù)器的報(bào)文長(zhǎng)度。此長(zhǎng)度必須與正文長(zhǎng)度保持一致。

HTTP_ACK_CONNECT用于Web服務(wù)器在響應(yīng)某瀏覽器的請(qǐng)求后關(guān)閉其TCP連接。

3.3 HTML語言編寫網(wǎng)頁

由于未采用文件系統(tǒng)，系統(tǒng)的網(wǎng)頁內(nèi)容也不多，因此可以開辟1片RAM區(qū)，根據(jù)應(yīng)用需要適當(dāng)分配Web緩沖區(qū)。本應(yīng)用中分配了20K WebBuf[]。

網(wǎng)頁的內(nèi)容以字符串的形式保存在WebBuf[]中，在需要響應(yīng)時(shí)，按HTTP協(xié)議輸出RAM內(nèi)容。

HTML語言教程，可參考Internet網(wǎng)上資料。

由于沒有文件系統(tǒng)，所有網(wǎng)頁都是以數(shù)據(jù)(字符數(shù)組)的形式存放在RAM中的。當(dāng)有超鏈接請(qǐng)求時(shí)，再重新生成響應(yīng)數(shù)據(jù)同時(shí)刷新WebBuf[]。

這里提供一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)以實(shí)現(xiàn)html語言的編輯功能，供參考。

此函數(shù)實(shí)際上是利用sprintf()把html語言寫的字符串存入RAM緩沖區(qū)WebBuf[]，并得到數(shù)據(jù)正文的長(zhǎng)度。以同樣方法，將html語言網(wǎng)頁中的其他內(nèi)容全部利用sprintf()函數(shù)寫入WebBuf[]緩沖區(qū)。

 3.4 Web服務(wù)器的應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)

本應(yīng)用中使用μC／OS-II操作系統(tǒng)，建立一個(gè)任務(wù)taskWebServer()來實(shí)現(xiàn)相關(guān)Web的應(yīng)用，負(fù)責(zé)管理Web相關(guān)處理事務(wù)，如瀏覽器的訪問請(qǐng)求、瀏覽器的參數(shù)提交等。

流程如圖2所示，任務(wù)taskWebServer()等待接收到報(bào)文事件的觸發(fā)，未接收到瀏覽器請(qǐng)求時(shí)處于掛起狀態(tài)。當(dāng)taskWebServer()收到HTTP請(qǐng)求后進(jìn)行報(bào)文解析，成功解析后根據(jù)報(bào)文類型進(jìn)行相應(yīng)的處理。輸出網(wǎng)頁時(shí)，先進(jìn)行應(yīng)答頭的處理，然后緊跟著的是Web正文數(shù)據(jù)，此正文數(shù)據(jù)由HTML語言構(gòu)成。在處理完成后對(duì)Flag標(biāo)志復(fù)位，使任務(wù)taskWebServer()重新處于掛起狀態(tài)，等待下一次瀏覽器請(qǐng)求或提交參數(shù)處。

3.5權(quán)限管理

在應(yīng)用中往往需要對(duì)訪問或參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行權(quán)限管理。提供密碼機(jī)制是最簡(jiǎn)單有效的手段。可以在代碼中加入JavaScript腳本。

用一些較簡(jiǎn)單的JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)一些控制功能。此方面可參考一些相關(guān)資料。

4系統(tǒng)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)及延伸

當(dāng)使用軟協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)TCP／IP方式時(shí)，對(duì)嵌入式處理器提出了更高的要求。對(duì)于8／16位單片機(jī)，由于其所具有的資源和處理能力有限，不能保證最基本功能的TCP／IP協(xié)議棧和嵌入式操作系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

選用W3150A+芯片來實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧，可以大大降低主控微處理器在處理TCP／IP軟協(xié)議棧時(shí)的CPU消耗，以充分發(fā)揮微處理器對(duì)其他相關(guān)應(yīng)用的處理能力。即使采用普通的單片機(jī)，也可滿足一般的應(yīng)用需求。

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用不復(fù)雜時(shí)也可不采用嵌入式操作系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化軟件架構(gòu)和縮短軟件的開發(fā)周期。

結(jié)語

基于芯片W3150A+實(shí)現(xiàn)的Web服務(wù)器功能，縮短了軟件的開發(fā)周期并降低了TCP／IP的實(shí)現(xiàn)難度。嵌入式操作系統(tǒng)和高性能的ARM處理器相配合，充分發(fā)揮了系統(tǒng)的各方面性能。

對(duì)于一些不復(fù)雜的Web應(yīng)用，不采用文件系統(tǒng)而采用RAM緩沖區(qū)的方法可以很好地實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能。在PC電腦上，通過在IE瀏覽器的地址欄中輸入裝置的IP地址，可以訪問該裝置，顯示其運(yùn)行參數(shù)、軟件版本，并進(jìn)行參數(shù)的配置或一些必要的說明，等等。