CAN總線的嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：嵌入式Web服務(wù)器 嵌入式Internet TCP/IP協(xié)議 CAN總線
引言
嵌入式系統(tǒng)指被嵌入到各種產(chǎn)品或工程應(yīng)用中的，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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)。它通過(guò)現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)，增加因特網(wǎng)接入能力來(lái)擴(kuò)展其功能，創(chuàng)造性地提出以低價(jià)位單片機(jī)作為微處理器，使嵌入式設(shè)備而非PC系統(tǒng)直接接入Internet。在本文中，采用Ubicom公司的SX52單片機(jī)外接以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能。傳統(tǒng)的基于DCS結(jié)構(gòu)工控系統(tǒng)向嵌入式Web結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，可有效降低成本，這是因?yàn)闆](méi)有必要開(kāi)發(fā)專有的GUI，還可以方便最終用戶，并改善故障檢測(cè)和設(shè)備維護(hù)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)能力。
圖1
1 嵌入式Web服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
通常嵌入式系統(tǒng)硬件包括微控制器、存儲(chǔ)器外設(shè)器件和I/O端口等，其核心是嵌入式微控制器。為適應(yīng)上網(wǎng)需求，嵌入式微控制器不僅要能執(zhí)行傳統(tǒng)的控制功能，還要能執(zhí)行與連接因特網(wǎng)相關(guān)的功能，而Ubicom公司的SX52芯片能比較容易地實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，所以我們選擇它作為微控制器。
實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備接入Internet，從原則上來(lái)講最關(guān)鍵的就是要實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，還有一人關(guān)鍵的問(wèn)題就是傳輸信息媒質(zhì)的選擇。我們采用最常用的連接模式，即通過(guò)以太網(wǎng)連接Internet，利用網(wǎng)絡(luò)接口控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)芯片就是NE2000兼容系列網(wǎng)絡(luò)芯片，它具有接口方便、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、占用資源少等優(yōu)點(diǎn)，特別適合嵌入式系統(tǒng)。我們選用其中性能較了，供貨比較穩(wěn)定的RTL8019AS芯片。嵌入式Web服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
嵌入式Web服務(wù)器用SX52微控制器作為處理器，以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片RTL8019AS經(jīng)耦合隔離濾波器HR61101G和RJ45接口接入以太網(wǎng)，配有RS232和CAN總線兩個(gè)擴(kuò)展接口，可以將具有RS232接口的設(shè)備或采用CAN總線協(xié)議通信的設(shè)備連到以太網(wǎng)上。RS232接口采用MAX232CPE芯片，CAN總線控制器采用Philips公司的SJA1000芯片，CAN收發(fā)器則采用了Philips公司的PCA82C250。
數(shù)據(jù)的流向?yàn)椋赫?qǐng)求和控制信息從局域網(wǎng)中來(lái)，通過(guò)RJ45送到RTL8019AS，RTL8019AS負(fù)責(zé)將以太網(wǎng)幀的首部和尾部信息剝離，將處理后的數(shù)據(jù)包送入SX52的TCP/IP協(xié)議棧，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行解析，得到原始的請(qǐng)求和控制信息。請(qǐng)求和控制信息再經(jīng)過(guò)SJA1000進(jìn)行CAN協(xié)議格式的數(shù)據(jù)封裝，再和現(xiàn)場(chǎng)的CAN總線設(shè)備進(jìn)行通信。請(qǐng)求和控制的回復(fù)領(lǐng)先局域網(wǎng)的過(guò)程與上面正好相反。圖2為Web服務(wù)器主要芯片連接電路簡(jiǎn)圖。
SX52有5個(gè)I/O口，共40個(gè)引腳。在設(shè)計(jì)中，利用SX52的C口的RC0～RC7連接RTL8019AS的數(shù)據(jù)口SD0～SD7；SX52的B口兼顧選址和讀寫控制功能，在開(kāi)發(fā)中用它與RTL8019AS的地址及讀寫控制引腳連接。在確保通信功能順利實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，充分利用了SX52芯片I/O口靈活配置的特點(diǎn)，最大程序地節(jié)約了微控制器SX52的硬件資源。
圖2
RTL8019AS基地址選擇引腳IOS0～I(xiàn)OS3接地，此時(shí)I/O基地址為300H，即0011 00000 000，所以地址線SA9、SA8接+5V。因?yàn)榧拇嫫鞯刂菲屏繛?0H～1FH共32個(gè)，對(duì)應(yīng)地址從300H到31FH，所以只需將地址線SA0～SA4接SX52的RB0～RB4，其余地址線接地即可。芯片IORB、IOWB引腳為讀寫信號(hào)線，接SX52的RB6、RB5讀寫控制引腳。
RTL8019AS可以兼容8位和16位操作。圖2中IOCS16是16位I/O的選擇腳。當(dāng)RTL8019AS上電復(fù)位的時(shí)候，如果這個(gè)腳為低電平，RTL8019AS將選擇8位模式；如果這個(gè)腳為高電平，RTL8019AS將選擇16位的模式。由于SX52是8位的數(shù)據(jù)總線，因此要用8位總線模式（每次讀入或?qū)懭?個(gè)字節(jié)，只需8根數(shù)據(jù)線SD0～SD7），所以將這個(gè)腳接地。
RTL8019AS有3種工作方式：第一種為跳線方式，芯片的I/O和中斷由跳線決定；第二種即插即用方式，由軟件進(jìn)行自動(dòng)配置；第三種為免跳線方式，芯片的I/O和中斷由外接的93C46里的內(nèi)容決定。常用網(wǎng)卡上的RTL8019AS一般只支持第二種和第三種方式。在嵌入式應(yīng)用的場(chǎng)合，為降低成本，同時(shí)又減少連線，不使用93C46。本設(shè)計(jì)中使用第一種方式，此時(shí)JP引腳接高電平。
AUI引腳決定使用AUI還是BNC接口。高電平時(shí)使用AUI接口，低電平時(shí)使用BNC接口，支持8線雙絞線或同軸電纜。本設(shè)計(jì)中采用雙絞線為通信介質(zhì)，將該引腳接地。
RTL8019AS使用引腳TPIN+、TPIN-、TPOUT+和TPOUT-連接耦合隔離濾波器HR61101G，利用RJ45插頭實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的連接。
SJA1000是獨(dú)立的CAN通信控制器，支持CAN2.0B協(xié)議，其工作頻率為6～24MHz。它的AD0～AD7為地址數(shù)據(jù)復(fù)用線，與SX52的D口RD0～RD7相連。當(dāng)遠(yuǎn)端用戶通過(guò)Web服務(wù)器查詢現(xiàn)場(chǎng)的CAN總線數(shù)據(jù)時(shí)，SJA1000負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)控制單元的CAN總線數(shù)據(jù)解析，發(fā)送到SX52，再傳到網(wǎng)上。
PCA82C250是CAN協(xié)議控制和物理總線的接口，它對(duì)總線提供發(fā)送能力，并對(duì)CAN控制器提供接收能力，它支持1Mbps速度。為保證SX52與SJA1000協(xié)同工作，在硬件設(shè)計(jì)中們將兩個(gè)芯片共同一個(gè)硬件復(fù)位線，確保SX52與SJA1000硬件同步復(fù)位。
AT24C256是I2C總線的EEPROM，通?？梢杂脕?lái)存儲(chǔ)用戶的一些設(shè)置，比如IP地址、網(wǎng)關(guān)等。在本設(shè)計(jì)用它存儲(chǔ)靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)。SCL接SX52的RA4腳，SDA接SX52的RA5腳。
MAX232CPE完成232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換，提供一個(gè)本地接口，為調(diào)試和維護(hù)提供方便。TXD接SX52的RA5腳。
MAX232CPE完成232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換，提供一個(gè)本地接口，為調(diào)試和維護(hù)提供方便。TXD接SX52的RA2腳，RXD接SX52的RA3腳，RS-RXD和RS-TXD是RS232電平，為標(biāo)準(zhǔn)串口電平。數(shù)據(jù)可以從串口輸入到單片機(jī)SX52，SX52再把數(shù)據(jù)送到RTL8019AS傳出去。
2 嵌入式Web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)
要將嵌入式Web服務(wù)器接入以太網(wǎng)，就要對(duì)RTL8019AS進(jìn)行編程，完成以太網(wǎng)幀的數(shù)據(jù)收發(fā)，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)中網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序功能。以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)程序用于設(shè)置RTL8019AS的工作狀態(tài)和工作方式，分配收發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，通過(guò)對(duì)地址及數(shù)據(jù)口的讀寫來(lái)完成以太網(wǎng)幀的接收與發(fā)送。首先要對(duì)RTL8019AS進(jìn)行復(fù)位，并將其設(shè)置為跳線模式；然后對(duì)RTL8019AS的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以使其開(kāi)始工作；接下來(lái)就讀寫RTL8019AS的RAM以完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送。程序流程如圖3所示。
2.2 嵌入式Web服務(wù)器TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)
TCP/IP協(xié)議棧是SX虛擬外設(shè)的一個(gè)重要實(shí)現(xiàn)，是基于SX處理器的應(yīng)用系統(tǒng)與Internet實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的基礎(chǔ)。通過(guò)這些協(xié)議棧，可以更加方便地開(kāi)發(fā)基于Internet的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。
以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸是采用MAC地址來(lái)識(shí)別的，而ARP協(xié)議提供IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用MAC地址之間的轉(zhuǎn)換功能。為了保證系統(tǒng)在太網(wǎng)的通信，首先要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議。由于嵌入式Web服務(wù)器要能在Internet上通信，在網(wǎng)絡(luò)層一定要實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議，還要實(shí)現(xiàn)能報(bào)告數(shù)據(jù)傳送差錯(cuò)等情況的ICMP協(xié)議。在應(yīng)用層，主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端主機(jī)通過(guò)瀏覽器的訪問(wèn)控制方式，所以要實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議；而HTTP協(xié)議是基于TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)?，加上TCP協(xié)議是面向可靠的數(shù)據(jù)流的傳輸，基于應(yīng)用的需要對(duì)可靠性的要求，在傳輸層采用TCP協(xié)議，并對(duì)TCP協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，主要針對(duì)HTTP協(xié)議開(kāi)發(fā)TCP協(xié)議。
圖4為TCP/IP協(xié)議棧主流程圖。系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入主程序循環(huán)部分。主程序循環(huán)包括兩大部分：對(duì)接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包和對(duì)欲發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并發(fā)送。對(duì)接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解包，供應(yīng)用程序使用；對(duì)欲發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，將數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送出去，使采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)內(nèi)所有計(jì)算機(jī)能收到此數(shù)據(jù)幀。
圖4
2.3 嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)嵌入式Web服務(wù)器上傳到以太網(wǎng)才能被用戶利用，因此網(wǎng)絡(luò)用戶和Web服務(wù)器之間通信程序的開(kāi)發(fā)也是本課題中很重要的一部分。課題中嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的功能主要是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括溫度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、通信狀態(tài)信息、時(shí)鐘信息等。嵌入式Web服務(wù)器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁(yè)形式發(fā)布到Internet上，遠(yuǎn)方客戶通過(guò)接入Internet瀏覽該服務(wù)器發(fā)布的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息。本設(shè)計(jì)采用Brower/Server（簡(jiǎn)稱B/S）開(kāi)發(fā)模式。用這種方式開(kāi)發(fā)嵌入式Web服務(wù)器應(yīng)用程序具有很多優(yōu)點(diǎn)。比如降低客戶端的要求，方便客戶端的分布使用，客戶端的開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降低等。但是因?yàn)镾X單片機(jī)的資源有限，在用單片機(jī)搭建的服務(wù)器上編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的瀏覽任務(wù)較重。在服務(wù)器端運(yùn)行程序，速度也受到限制，加上網(wǎng)頁(yè)界面或程序結(jié)構(gòu)的單方面調(diào)整都將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)全盤修改，系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性差。在設(shè)計(jì)中，如果僅僅采用B/S訪問(wèn)方式，其功能是難以完全完成的。針對(duì)應(yīng)用傳統(tǒng)B/S模式開(kāi)發(fā)Web服務(wù)器應(yīng)用軟件的弊端，提出了改進(jìn)方案。
為克服傳B/S訪問(wèn)模式的弊端，做了以下兩點(diǎn)改進(jìn)。
①采用套接字編程，實(shí)現(xiàn)部分服務(wù)器程序在客戶端運(yùn)行，在客戶端瀏覽器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在改進(jìn)方案中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)瀏覽采用了Java applet技術(shù)。
②不再將HTML語(yǔ)言寫入?yún)R編程序，在瀏覽器端解板成網(wǎng)頁(yè)，而是利用嵌入式Web服務(wù)器擴(kuò)展的EEPROM24C256與SX52相連，用來(lái)存儲(chǔ)要瀏覽的Web文件。當(dāng)瀏覽器與Web服務(wù)器交互時(shí)，利用HTTP協(xié)議通過(guò)統(tǒng)一資源定位器URL來(lái)確定Web服務(wù)器應(yīng)該為瀏覽器提供哪些資源。
這種改進(jìn)方案在訪問(wèn)模式上還是通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器，在通信模式上卻利用了C/S（Client/Server）模式，其于套接字來(lái)編程，即所謂的B/S和C/S相結(jié)合模式。圖5為B/S和C/S結(jié)合模式的原理。
通過(guò)B/S方式訪問(wèn)Web服務(wù)器上的靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)，在個(gè)網(wǎng)頁(yè)中嵌有Java applet文件?？蛻舳说腎E瀏覽器瀏覽這個(gè)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，會(huì)把網(wǎng)頁(yè)中標(biāo)識(shí)的Java applet源程序下載到客戶端執(zhí)行。在Java applet源程序中，創(chuàng)建了一個(gè)套接字來(lái)完成與服務(wù)器的通信（前提是在Web服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行一個(gè)相應(yīng)的服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)程序），主要是獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用于在瀏覽器中顯示。事實(shí)上，Java applet中的Socket通信是一個(gè)典型的C/S訪問(wèn)方式。
通過(guò)這種B/S和C/S相結(jié)合的訪問(wèn)方式，能夠很好的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)瀏覽。特別是這種實(shí)現(xiàn)方式秉承了B/S和C/S兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的靈活性。
以下是服務(wù)器與客戶端applet通信具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
①創(chuàng)建Socket。用tcbLocalPortMSB和tcbLocalPortLSB設(shè)置服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)端口號(hào)，具體設(shè)為8080；用myIP3～0設(shè)置服務(wù)器IP址，具體設(shè)為192.168.1.111。
②將服務(wù)器設(shè)為L(zhǎng)isten監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，等待接收客戶端連接。用TCP API函數(shù)建立被動(dòng)連接代碼如下：
TCPAppInit
Bank TCB_BANK
Mov tcbLocalPortLSB,#APPLET_PORT_LSB；設(shè)置TCP服務(wù)端口
Mov tcbLocalPortMSB,#APPLET_PORT_MSB
Jmp @TCPAppPassiveOpen；跳轉(zhuǎn)到TCP被動(dòng)連接程序，進(jìn)行端口偵聽(tīng)
_TCPAppPassiveOpen
_bank TCP_BANK
mov tcpState,#TCP_ST_LISTEN
clr tcpUnAckMSB
clr tcpUnAckLSB
retp
③當(dāng)TCP的狀態(tài)為established時(shí)，雙方連接建立，可以開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。此時(shí)產(chǎn)生新的套接字，用來(lái)管理遠(yuǎn)端客戶機(jī)服務(wù)，原來(lái)的端口繼續(xù)用來(lái)監(jiān)聽(tīng)。
④數(shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送的兩問(wèn)好。接收數(shù)據(jù)時(shí)，用TCPAppRxBytes()函數(shù)獲得接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，根據(jù)得到的字節(jié)數(shù)多次調(diào)用TCPAppRxData()函數(shù)接收數(shù)據(jù)，在全部數(shù)據(jù)接收完畢后可以在TCPAppRxDone（）函數(shù)中做相應(yīng)的處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先調(diào)用函數(shù)TCPAppTxBHytes（）設(shè)置要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，根據(jù)此字節(jié)數(shù)調(diào)用TCPAppTxData()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，全部數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后調(diào)用TCPAppTxDone（）函數(shù)確認(rèn)。其中采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)保存在變量globTemp3中。
⑤當(dāng)TCP狀態(tài)為closed時(shí)，服務(wù)器關(guān)閉連接，不再發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。程序具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)定客戶端和服務(wù)器端連接建立后，服務(wù)器端即向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。
3 結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)的嵌入式Web服務(wù)器，采用改進(jìn)的Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)模式，用Java applet實(shí)現(xiàn)客戶端程序，不用在客戶端應(yīng)用程序，方便用戶使用；能取代傳統(tǒng)的工控機(jī)和接口卡，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)直接上網(wǎng)，小巧輕便，成本低。
該Web服務(wù)器不僅可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)小型工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，還可以實(shí)現(xiàn)智能儀器、智能園區(qū)、環(huán)境工程、植物工廠、工業(yè)制冷等方面的應(yīng)用。
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