基于Linux的WEB服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嵌入式WEB服務(wù)器的主要設(shè)計(jì)思想就是將嵌入式系統(tǒng)和 WEB技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將 WEB技術(shù)引入到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和控制設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)基于嵌入式 WEB服務(wù)器的控制系統(tǒng)。用戶可以通過(guò)現(xiàn)有的公共通信網(wǎng)絡(luò)，使用標(biāo)準(zhǔn)的 Web瀏覽器作為接口直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，監(jiān)控和維護(hù)等操作，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)設(shè)備之間的跨平臺(tái)互訪。 1嵌入式 Web服務(wù)器總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖 1所示。嵌入式 WEB服務(wù)器由網(wǎng)絡(luò)模塊、接口模塊和存儲(chǔ)模塊三個(gè)部分組成。網(wǎng)絡(luò)模塊是整個(gè)嵌入式 WEB服務(wù)器的核心，負(fù)責(zé)完成服務(wù)器的初始化，并且在 80端口等待用戶的連接請(qǐng)求。根據(jù)用戶請(qǐng)求的類型提供相應(yīng)的服務(wù)。此外還要實(shí)現(xiàn)電子郵件功能，用來(lái)完成自動(dòng)報(bào)警和數(shù)據(jù)的保存，此外通過(guò)選擇以太網(wǎng)或者電話線進(jìn)入 Internet。

接口模塊及存儲(chǔ)模塊。為了使 WEB服務(wù)器具有更好的通用性，在系統(tǒng)提供了一些通用接口，如 RS-232、RS-485、CAN、Modem、Ethernet。可以和不同接口的控制設(shè)備進(jìn)行連接；系統(tǒng)提供了一個(gè)建立在外部串行 Flash芯片上的小型文件系統(tǒng)，主要用來(lái)存放操作系統(tǒng)，嵌入式 Web服務(wù)器需要發(fā)布的網(wǎng)頁(yè)和運(yùn)行的程序。而各個(gè)接口采集的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在 1 M的 RAM里，每隔一定的時(shí)間就將數(shù)據(jù)通過(guò)電子郵件發(fā)送到指定的郵箱，然后覆蓋原有的數(shù)據(jù)。







1.1 LX972ALC網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路電路設(shè)計(jì)

DS80C400網(wǎng)絡(luò)微控制器是目前集成度最高的 8 0 5 1器件。集成外設(shè)包括 1 0/1 0 0M以太網(wǎng)控制器，三個(gè)串行端口，一個(gè) CAN 2.0B控制器， 1-Wire主機(jī)和 64個(gè) I/O引腳。能夠通過(guò)以太網(wǎng) M AC提供高達(dá) 5Mbps的吞吐率。24位尋址方式簡(jiǎn)化了對(duì)于大容量程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，支持高達(dá) 1 6 M B的連續(xù)存儲(chǔ)空間。 LXT972ALC是 Intel公司推出的遵循正 IEEE標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通訊接口電路，支持 10M/100M的雙絞線應(yīng)用，同時(shí)也支持 100Mb/s的光纖接口；該電路提供的 MII口能很好的符合 10/100MACs。

其主要完成的是 IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)定義的物理編碼子層 (PCS)、物理媒體附加子層 (PMA)和物理媒體獨(dú)立子層 (PMD)的主要功能。單片機(jī)與芯片的電路如圖 2所示：

當(dāng)合法的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 RXD上的時(shí)候， LXT972ALC使 RX_DV有效，當(dāng)合法的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 TXD上的時(shí)候，DSS0C400使 TX_EN有效;當(dāng) LXT972ALC檢測(cè)到幀中有錯(cuò)誤時(shí)，它使 RX_ER有效；當(dāng) DSSOC400緩沖器沒(méi)有準(zhǔn)備好時(shí)，它使 TX_ER有效;當(dāng)發(fā)送或者接收沒(méi)有處于空閑狀態(tài)時(shí)，LX972ALC使 CRS有效;當(dāng) LXT972AL檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)，它使 COL有效，







并且在沖突期間一直保持高電平，如果 COL失效，那么 RX進(jìn)入跟蹤模式。MDIO是 PHY管理數(shù)據(jù)的時(shí)鐘，MDIO是 PHY和 MAC之間控制信息的接口。 MDIO是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制，因此必須通過(guò)并行口來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 Modem接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用主控制器的 UART2進(jìn)行模擬 Modem通信的基本過(guò)程：DS80C400先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送到 UART的寄存器中，再通過(guò) FIFO傳送到串行設(shè)備。 Modem接口電路我們采用芯片 MAX213EAI。MAXZ13EAI是 5V工作電源的 RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片。它集成了 4個(gè)輸入和 5個(gè)輸出的 RS-232電平轉(zhuǎn)換口，可以很好的滿足 Modem接口標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)男枰?。接口電路如圖 3所示。





2 嵌入式 WEB服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)角度，則可將嵌入式軟件分為 4個(gè)模塊：網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、接口管理模塊、人機(jī)交互模塊和遠(yuǎn)程加載模塊。

2.1 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 以太網(wǎng)接入 Internet的實(shí)現(xiàn)

嵌入式 WEB服務(wù)器是溝通客戶和控制現(xiàn)場(chǎng)的重要橋梁，客戶通過(guò)認(rèn) Web瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。本 WEB服務(wù)是以 TCP/IP協(xié)議來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，以 HTTP協(xié)議來(lái)進(jìn)行客戶端與服務(wù)器之間的請(qǐng)求和響應(yīng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

當(dāng)客戶在界面上進(jìn)行操作時(shí)，如點(diǎn)擊復(fù)選框或在文本框中輸入數(shù)據(jù)。 Applet根據(jù)用戶的操作進(jìn)行響應(yīng)，從而構(gòu)造出新的命令字，向嵌入式 WEB服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，服務(wù)器根據(jù)新的命令字驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并將新的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)信息返回到客戶端，客戶端解析返回的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

2.1.2公用電話網(wǎng)接入 Internet的實(shí)現(xiàn)

為保證能在無(wú)以太網(wǎng)環(huán)境的情況下進(jìn)行通信，系統(tǒng)還采用了串口外接調(diào)制解調(diào)器通過(guò)電話網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程客戶機(jī)的通信。網(wǎng)絡(luò)建立的實(shí)現(xiàn)就要用到 PPP協(xié)議(Point to Point Protocol點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議)。在程序運(yùn)行的時(shí)候先要讀取 PPP通信的控制信息，判斷是否使用 PPP進(jìn)行通信，否則默認(rèn)使用 Ethernet來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。而不是同時(shí)開啟這兩種模式。

由于 PPP通信并不區(qū)分客戶端和服務(wù)器，把負(fù)責(zé)認(rèn)證和 IP分配的端認(rèn)為是服務(wù)器，而不需要認(rèn)證和使用服務(wù)器提供 IP的端認(rèn)為是客戶端。設(shè)計(jì)了 LinkManger類、PPPDaemon類、PPPModemLink類、ModemCommand類、PPPException類，用來(lái)實(shí)現(xiàn) PPP通信。其中 LinkManger類：用于管理 PPP連接，啟動(dòng)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接到遠(yuǎn)端服務(wù)器的出站連接，生成一個(gè) PPPDaemon實(shí)例用來(lái)設(shè)置 IP，驗(yàn)證用戶名和密碼。并實(shí)現(xiàn)接收 PPP事務(wù)。

PPPModemLink類首先打開一個(gè)串口并進(jìn)行初始化，初始化完成后，把一個(gè)串口的對(duì)象傳遞給 PPP，然后創(chuàng)建 ModemCommand對(duì)象來(lái)控制與調(diào)制解調(diào)器的串行通信，并通過(guò) SerialPortEvenlistener接口監(jiān)視 CD以檢測(cè)調(diào)制解調(diào)器是否掛起。其定義了 Modem的初始化和復(fù)位方法：initializeLink()和 resetModem()。

ModemCommand類負(fù)責(zé)和 modem具體的串行通信，其分別定義了 sendcommand()、 waitFoResponse()和 receiveCommand()方法。分別用來(lái)發(fā)送、等待和接收命令。當(dāng)操作超時(shí)，則拋出 DataLinkException；waitforMatc()主要用來(lái)供 sendCommand()和 receiveCommand()進(jìn)行調(diào)用，用來(lái)判斷接收到的字符串是否和匹配字符串一致。當(dāng)相應(yīng)操作超時(shí)，則拋出 DataLinkException。

2.2 電子郵件功能的實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量，不可能將采集的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在本地的系統(tǒng)中，為了保存系統(tǒng)的日志，可以采取定時(shí)向指定郵箱發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)用 Java語(yǔ)言開發(fā)了后臺(tái)自動(dòng)發(fā)送郵件的功能。郵件采用 BASE64編碼，并且支持 SMTP認(rèn)證。

在本系統(tǒng)中，只需要完成 SMTP的發(fā)送方式，而不要求其完成 SMTP的接收方式，這樣就簡(jiǎn)化了編程的難度。SMTP開服務(wù)器和 SMTP客戶之間的對(duì)話過(guò)程：首先建立 TCP連接，然后客戶端發(fā)送 HELO命令以標(biāo)識(shí)發(fā)件人的身份，客戶端發(fā)送 MAIL命令，服務(wù)器端以 OK作為響應(yīng)，表明準(zhǔn)備接收。接下來(lái)客戶端發(fā)送 RCPT命令，以標(biāo)識(shí)該電子郵件的計(jì)劃接收人，服務(wù)器端如表示愿意為收件人接收郵件。則在協(xié)商結(jié)束后發(fā)送郵件，用命令 DATA發(fā)送，將輸入內(nèi)容一起發(fā)送出去。最后結(jié)束此次發(fā)送，用 QUIT命令退出。所有的命令都是以換行符作為結(jié)束。

2.3 嵌入式 Web服務(wù)器接口模塊的實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中為了滿足不同工業(yè)控制系統(tǒng)的需要，設(shè)計(jì)有串口、CAN總線接口、Modem接口和 RS-485接口。系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，從系統(tǒng)的 FLASH中讀取 120個(gè)字節(jié)的初始化信息，并據(jù)此來(lái)判斷是否開啟接口，并對(duì)所開啟的接口進(jìn)行初始化。由于各個(gè)模塊的初始化函數(shù)己經(jīng)存在，因此系統(tǒng)初始化時(shí)，只要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)就夠了。PPP已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)模塊部分介紹，而 RS-485的使用和普通串口的初始化相似，本部分主要介紹 RS-232和 CAN。

2.3.1 RS-232串口驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的開發(fā)語(yǔ)言是 Java，但 Java本身不提供對(duì)串口操作的類，要實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的讀寫操作，需要用第三方 API函數(shù)完成，實(shí)際的開發(fā)過(guò)程中，使用串口通訊協(xié)議開發(fā)包 comm.jar，它是 J2SE的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，支持 RS-231串口，并提供了一種與平臺(tái)無(wú)關(guān)的串口通信機(jī)制。

串口驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的讀寫操作，給應(yīng)用程序提供發(fā)詢接收數(shù)據(jù)的接口。串口正常工作之前，需要進(jìn)行初始化設(shè)置，因此驅(qū)動(dòng)中還有初始化函數(shù)。串口的驅(qū)動(dòng)函數(shù)串口的驅(qū)動(dòng)函數(shù)主要包括： serialInit()用來(lái)初始化 UART、serialRead()用來(lái)接收字節(jié)組、 serialWrite()用來(lái)發(fā)送字節(jié)組。

2.3.2 CAN總線模塊 CAN接口在工業(yè)控制系統(tǒng)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，操作系統(tǒng)提供了對(duì) CAN進(jìn)行操作的

dalsem.com.CanBus類，如要對(duì) CAN進(jìn)行操作，首先要建立一個(gè) CAN的對(duì)象。

CanBus canTest = new CanBus(CanBus.CANBUS0);

由于 DS80C400只提供一個(gè) CAN控制器，所以只能選用 CANBUS0。一旦對(duì)象被初始化，就需要設(shè)置 CAN的速率。 CAN速率的設(shè)置通過(guò)設(shè)置 Prescaler，TSEGI，TSEGZ和同步段來(lái)完成。CAN的計(jì)算速率為：CAN波特率=晶振頻率/Prescaler+（TSEG1+TSEG2）。

將上述設(shè)置完成后，就可以使 CAN控制器使能了：canTest.enableController()；要想完成幀的發(fā)送和接收，除了在信息中心設(shè)置接收和發(fā)送模式外，還必須先定義一個(gè) CanFrame的對(duì)象即 CanFrame frame =new CanFrame()；要接收一個(gè) CAN的幀時(shí)，信息是以 CanFrame對(duì)象的形式進(jìn)行接收，并且調(diào)用 canTest.receive(frame)；如要發(fā)送數(shù)據(jù)，也必須將數(shù)據(jù)封裝層 CanFrame對(duì)象的形式進(jìn)行發(fā)送，并且調(diào)用 canTest.sendFrame(frame)。

2.4人機(jī)接口模塊

本系統(tǒng)將瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)和客戶端/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，客戶端仍只需使用易于操作的 Web瀏覽器，使用該模式不僅統(tǒng)一了用戶界面，為用戶對(duì)系統(tǒng)的查詢和操作提供了極大的方便，系統(tǒng)還通過(guò) Java Applet平衡了服務(wù)器端與瀏覽器端的負(fù)載狀況。

為了對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)程操作， Web頁(yè)面需要給用戶提供三個(gè)功能：一是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備查詢，主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢；二是設(shè)備遠(yuǎn)程控制，提供對(duì)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)某些參數(shù)的修改能力；三是報(bào)警 (如高限報(bào)警、下限報(bào)警等 )，如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值，一方面會(huì)在網(wǎng)頁(yè)上發(fā)出聲音警報(bào)。此外還會(huì)在后臺(tái)向指定的郵箱發(fā)送報(bào)警郵件。

2.4.1 網(wǎng)頁(yè)的交互方式

Web系統(tǒng)主要采用 HTTP協(xié)議。HTTP采用請(qǐng)求/響應(yīng)的握手方式，每個(gè) HTTP交互都由從客戶端發(fā)往服務(wù)器的請(qǐng)求和從服務(wù)器發(fā)往客戶端的響應(yīng)組成。HTTP采用 TCP連接，而且該連接狀態(tài)僅在此次連接中保持，無(wú)論服務(wù)器或是瀏覽器都不會(huì)記憶上次的連接狀態(tài)。在設(shè)計(jì)中首先采用 com.dalsemi.tininet包中的 http類，實(shí)現(xiàn)在 80端口等待客戶端的請(qǐng)求。其主要實(shí)現(xiàn)如下：

HTTPServer httpd = new HTTPServer(80); 然后給出將對(duì)應(yīng)的 HTML頁(yè)面返回到瀏覽器。 httpd.setIndexPage(“index.html”);初始化結(jié)束后，Web服務(wù)器進(jìn)入正常的工作狀態(tài)以輪詢的方式來(lái)進(jìn)行處理。

2.5 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程加載和調(diào)試

為了使系統(tǒng)滿足不同任務(wù)的需要，有時(shí)需要對(duì)嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。本系統(tǒng)可以直接將新版本的監(jiān)控軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場(chǎng)的嵌入式系統(tǒng)，對(duì)原有的軟件進(jìn)行更換，從而實(shí)現(xiàn)軟件的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)更新。利用操作系統(tǒng)自帶的 FTP和 Telnet功能，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程更新和調(diào)試。在系統(tǒng)初始化結(jié)束后開始運(yùn)行，一個(gè)線程創(chuàng)建了服務(wù)器套接字(Server Socket)來(lái)偵聽(tīng)客戶端的 FTP和 Telnet連接請(qǐng)求。我們利用 Telnet和 FTP技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在 Internet上對(duì)嵌入式節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程操作，包括程序的運(yùn)行和停止、程序下載、在線更新、調(diào)試、配置等。

3 總結(jié)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是采用 Java技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和發(fā)布的基礎(chǔ)上，還增加了電子郵件功能，使得系統(tǒng)保存日志更為方便，增加了遠(yuǎn)程文件的上傳和下載，使得系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程更新；其次，對(duì)原有的操作系統(tǒng)進(jìn)行重新編譯，實(shí)現(xiàn)了對(duì) Rash的加載。從而省去了傳統(tǒng)的通過(guò)電池保護(hù)電路來(lái)完成掉電后的數(shù)據(jù)保存；最后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個(gè)接口可以和不同接口的控制設(shè)備相連，增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性。在網(wǎng)絡(luò)接入模式上以太網(wǎng)和 PPP相結(jié)合使得系統(tǒng)的靈活性大為增強(qiáng)。

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