遠(yuǎn)程測控中嵌入式Web服務(wù)器的FPGA實現(xiàn)

0、引 言
   
    嵌入式系統(tǒng)是指被嵌入到各種產(chǎn)品或工程應(yīng)用中以微處理器或微控制器為核心的軟硬件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)相結(jié)合，形成的嵌入式Internet技術(shù)是近幾年隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及而發(fā)展起來的一項新興技術(shù)。工程技術(shù)人員、管理人員或調(diào)試人員通過Web而不用親臨現(xiàn)場就可以得到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，并對測控儀器進(jìn)行控制、校準(zhǔn)等工作。這里介紹利用嵌入式軟核處理器Nios II及廣泛應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)uClinux來實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的遠(yuǎn)程測控服務(wù)器的功能。
    
1、功能及體系結(jié)構(gòu)
   
    圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中嵌入式Web服務(wù)器和監(jiān)控端位于現(xiàn)場，它們之間的連接可以用串行口、并行口、USB等實現(xiàn)?，F(xiàn)場監(jiān)控端完成對目標(biāo)地區(qū)電網(wǎng)參數(shù)(電壓、電流、諧波等數(shù)據(jù))的檢測，并將檢測結(jié)果實時傳送至web界面，使得無論監(jiān)控人員在哪里，只要連接至Internet網(wǎng)絡(luò)，便可對目標(biāo)區(qū)域電網(wǎng)參數(shù)實時觀測。其實現(xiàn)過程是：三相電壓、電流分別通過電壓互感器、電流互感器變換后，經(jīng)電路調(diào)理送至AID轉(zhuǎn)換，每周期采樣128點，DSP芯片對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波、FFT運算、計算各參數(shù)值、存儲、顯示等操作。測量電路與Nios之間的通信通過串口傳輸，根據(jù)事先約定的通信協(xié)議(基于Modbus協(xié)議)可以方便地把所測數(shù)據(jù)發(fā)送至以Nios II處理器為核心的嵌入式服務(wù)器。通過CGI技術(shù)，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控端的命令傳輸及將測量數(shù)據(jù)實時傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

                  
                           圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2、硬件結(jié)構(gòu)
   
    系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件系統(tǒng)的核心是構(gòu)建于Ahera Cyclone FPGA中的Nios II嵌入式軟核處理器。Nios II系列嵌入式處理器是一款通用的RISC結(jié)構(gòu)的CPU，它定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。Nios II處理器系列包括了三種核心：快速的(Nios II／f)、經(jīng)濟(jì)的(Nios II／e)和標(biāo)準(zhǔn)的(Nios II／s)內(nèi)核，每種都針對不同的性能范圍和成本而優(yōu)化。這三種核都使用共同的32位的指令集結(jié)構(gòu)(ISA)，都兼容二進(jìn)制代碼。

         
                        圖2 硬件系統(tǒng)圖

    對于Nios II的配置在SOPC Builder中完成。通過配置所需要的外部/內(nèi)部元件，SOPC Builder將自動生成適合選定元件的CPU，以符合系統(tǒng)的需求。16M的CF卡作為系統(tǒng)的外存儲器，用來存儲測量數(shù)據(jù)，網(wǎng)頁文件和應(yīng)用程序。以太網(wǎng)接口芯片采用的SMSC的Lan91cl11芯片，這是一種非PCI接口的單芯片網(wǎng)絡(luò)控制器，具有8k的FIFO，可以實現(xiàn)和8位、16位、32位的CPU接口，廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中。
    
3、軟件結(jié)構(gòu)
   
    系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。uClinux是一個完全符合GNU／GPL(通用公共許可證)公約的項目和完全開發(fā)代碼。它是標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個分支，現(xiàn)在由Lineo公司支持維護(hù)。它專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。uClinux For Nios是Microtronics公司專門針對Nios CPU 定制的uClinux操作系統(tǒng)，使用方便，不需要復(fù)雜的移植過程，并自動地集成于Nios／Nios II的開發(fā)環(huán)境(IDE)中。只要根據(jù)自身的需求對內(nèi)核和文件系統(tǒng)進(jìn)行配置即可，這里的WEB服務(wù)器、TCP／IP協(xié)議棧及底層的接口驅(qū)動程序即是集成于uClinux中的。除此之外，自行編寫CGI腳本來實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的功能。CGI（Common Gate Interface)動態(tài)網(wǎng)關(guān)接口是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與WWW 服務(wù)器交互的一個標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展應(yīng)用程序可以處理客戶端(一般是WW W瀏覽器)輸入的協(xié)同工作數(shù)據(jù)，完成客戶端與服務(wù)器的交互操作?？梢跃帉慍GI外部擴(kuò)展程序來訪問外部數(shù)據(jù)系統(tǒng)，客戶端用戶可以通過它和WWW 服務(wù)器來進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。CGI可以由PERL、C及大部分的腳本語言來編寫，不過由于是用于嵌入式系統(tǒng)中的程序，而腳本語言又需要解釋器，故選擇C語言來編寫CGI腳本比較合適，還可節(jié)省很大的系統(tǒng)資源。

                       
                       圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.1 uClinux操作系統(tǒng)內(nèi)核及文件系統(tǒng)的配置

    (1) uClinux的內(nèi)核配置。內(nèi)核是一個操作系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。嵌入式uClinux具有高度可靈活定制內(nèi)核，保持了Linux的源代碼公開、穩(wěn)定、可裁減大小等特性。這里采用Microtronix公司專門為Nios／Nios II移植的uClinux1．3版本，并根據(jù)需要進(jìn)行重新配置：在“Developing Board”選項中要選擇自己所用的開發(fā)板，添加CF卡作為系統(tǒng)的硬盤等。
   
    (2) 文件系統(tǒng)配置。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分。對用戶而言，文件系統(tǒng)也是操作系統(tǒng)中最直接可見的部分，它負(fù)責(zé)管理外存上的文件，并為操作系統(tǒng)和用戶提供文件的存取、共享和保護(hù)等功能。這里要在文件系統(tǒng)配置中，選中Install Minimal、然后增加agetty、boa、dhcpcd、ftpd、inetd、init、ping、route和telnetd等選項。
    
3.2 Web服務(wù)器配置

                                
          圖4 WEB 服務(wù)器工作流程

    本文所使用的Web Server為Boa，它是一個單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開放、性能高、速度快。其工作流程如圖4所示。目前，uClinux的代碼中已經(jīng)包含Boa的源代碼，在uClinux下實現(xiàn)Boa，需要對Boa做一些配置和修改。配置Boa包括以下幾個步驟：
   
    (1) 打開所建立文件系統(tǒng)中的“／target／etc／config”文件夾中的“boa．conf’文件。

    (2) 將“ChRoot”更改為“／mnt／ide0／www”，其目的是將CF卡上面的“www”文件夾作為Web Server的主文件夾。鍵入系統(tǒng)IP時，服務(wù)器自動解析為在此目錄內(nèi)尋找名為“index．htm”的網(wǎng)頁，也就是本設(shè)計的主頁。
   
    (3) 在“SeriptAlias”選項中添加命令：“ScriptAlias／mnt／ide0／www／cgi-bin／／cgi-bin／"，其目的是將前面的具有完整路徑的文件夾的地址映射為后一個文件夾，一是可以省去在地址欄內(nèi)輸入地址的很多時間，方便用戶操作；二是增加了系統(tǒng)的保密性和安全性。其他選項可以選擇默認(rèn)選項。
   
    (4) 保存配置好的文件。當(dāng)下載文件系統(tǒng)后，要在“／mnt／ide0／www”文件中，建立“csi-bin”目錄來存放CGI腳本文件。
    
3.3 CGI程序設(shè)計
   
    CGI程序使用C語言編寫，內(nèi)嵌html腳本，所以當(dāng)CGI執(zhí)行的時候，即可以完成對特定端口的操作，又可以將其返回的結(jié)果顯示在網(wǎng)頁上供監(jiān)控人員查看。具體操作是：首先，CGI腳本采用GET的方式，接收Web Server解析的從網(wǎng)頁所傳輸過來的“QUERY_STRTING”，它代表的是用戶的監(jiān)控命令。接到命令后，CGI程序?qū)⒚钭g碼后傳送到串口，向現(xiàn)場監(jiān)控模塊發(fā)送采集命令，并接受其傳回來的采集結(jié)果，并迅速傳到監(jiān)控用戶所瀏覽的Web界面。需要注意的是，在編寫過CGI程序并成功編譯后，要將其移動至CF卡相關(guān)目錄，也就是上面所介紹的Boa Web Server所設(shè)置的“www／csi-bin”中，并將其后綴更改為“.cgi”，屬性改為“可執(zhí)行”，這樣，Web Server才可以正確識別并執(zhí)行此CGI程序。

                      
            圖5 顯示實時測量結(jié)果的網(wǎng)頁畫面

4、結(jié)論
   
    本文將嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)相結(jié)合，在FPGA上開發(fā)了一個嵌入式WEB服務(wù)器，并與電網(wǎng)參數(shù)測量儀器相結(jié)合，構(gòu)成遠(yuǎn)程電網(wǎng)參數(shù)測量系統(tǒng)，為電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理提供了技術(shù)支持，具有很好的應(yīng)用前景。