一種新型嵌入式遠程監控系統的設計開發

1 引言

嵌入式監控系統是當前工業自動化監控應用領域研究的熱點之一。微電子技術和微處理器制造工藝的提高以及網絡技術的飛速發展，使得構建基于Web的嵌入式遠程監控系統得以實現。這樣的遠程監控系統可以直接通過TCP/IP網絡協議接入Internet實現遠程監控，成為真正不受時間和空間限制的遠程監控系統。

由于近年來一些半導體廠家新推出的MCU的存儲能力都有了很大的提高，以及用C語言編寫的程序具有移植性強、可讀性好等優點，因此本文監控軟件采用標準C語言編寫，并在m6811-elf-gcc中編譯通過。本文將從嵌入式Web監控系統的通信基礎--以太網接口模塊著手，分別講述各個功能模塊的設計與實現。

2 以太網接口程序設計

以太網接口程序是與硬件設計中的網絡控制芯片密切相關的，不同的網絡控制芯片具有不同的以太網接口程序，但是一個完整的以太網接口程序通常包括三個部分：硬件模塊初始化、以太幀的發送和以太幀的接收。

1、硬件模塊初始化

本文使用的Freescale公司的MC9S12NE64 MCU集成了EPHY和EMAC兩個硬件子模塊，它們的初始化必須嚴格按照技術手冊進行，避免忽略一些細節。

2、以太幀的發送

在NE64中發送一個以太幀，必須將該幀內容寫入至EMAC模塊的發送緩沖區(TX緩沖區)，然后再通過發送命令將其發送出去，接下來的工作由下層硬件完成。與以太幀的發送相關的寄存器包括發送緩沖區幀結束指針寄存器(TXEFP)、發送控制和狀態寄存器(TXCTS)。

3、以太幀的接收

判斷以太幀的接收有兩種方法：查詢法和中斷法。由于中斷法有更好的執行效率，本文使用了中斷法接收以太幀。由于NE64有兩個接收緩沖區A和B，因此到達的幀可能存儲在A緩沖區也可能存儲在B緩沖區，所以中斷矢量也有兩個：A緩沖區接收完成中斷和B緩沖區接收完成中斷，其矢量地址分別是$FFB2和$FFB4。無論是A緩沖區還是B緩沖區接收到數據，處理方法是一樣的，都是將接收到的數據幀讀出來，再進行相應的處理。

3 uIP協議實現的程序設計

3.1 TCP協議的實現

TCP協議是嵌入式Web的核心，它提供一種基于連接的帶確認的可靠的數據流傳輸方式，可增強網絡的服務質量。TCP協議的機制很復雜，它的完整實現對處理器的存儲能力和運算能力要求較高。這對于嵌入式系統來說是比較奢侈的，因此必須對其進行簡化。本文要實現的是一個基于嵌入式Web服務器的監控系統，經過仔細分析，本文得到如圖1所示的簡化的TCP狀態機。其中連接的斷開由服務器主動執行，通過多次實驗總結出來該方式在本文系統中，比標準的TCP協議主動斷開連接的狀態機簡單且穩定。

圖1 服務端簡化的TCP狀態圖

另外本系統可以根據不同的應用要求調整TCP所支持的連接數量，但是通常在同一時刻僅支持單個TCP連接。同時為了避免因為數據報的丟失而造成狀態機的死鎖，本文使用簡單定時機制，使TCP狀態機在超時后復位。

TCP協議連接建立的過程被稱為“三次握手”。首先，客戶端向服務端提出連接請求。此時客戶端在TCP報頭中插入自己的ISN，并置SYN標志為1，表示序列號字段合法，需要檢查。其次，服務端收到該TCP分段后，以自己的ISN回應，同時確認收到客戶端的TCP分段，置ACK標志為1。最后，客戶端確認收到服務端的ISN，置ACK標志為1。至此完整的TCP連接建立，開始全雙工模式的數據傳輸過程。

3.2 其他協議的實現

在實現以太網底層驅動的基礎上，接下來實現用于以太網通信的上層協議。ARP協議是為了通信雙方獲取對方MAC地址的通信協議，是網絡通信的基礎，本文實現了ARP請求報文的發送和接收以及ARP響應報文的接收和處理功能。為方便網絡調試，在uIP中實現了Ping命令，當監控設備正常工作后可省略該部分內容。SD12-MCS是實現一個基于嵌入式Web的應用設備，并非嵌入式網關或路由器，因此為了節約嵌入式系統資源，本文裁減了IP協議的路由功能，有關路由問題都由默認網關完成。盡管基于Web方式的SD12-MCS使用了TCP協議，但是目前也有一些應用是基于UDP協議的，為了系統具有更好的擴展性，本文也實現了UDP協議。

4 Web服務器的設計與實現

該監控系統的工作模式為嵌入式Web服務器方式，因此本文在實現uIP協議的基礎上，設計并實現了應用層的HTTP協議以及CGI處理程序。

4.1 HTTP協議的設計與實現