2021年01月26日 | 一种嵌入式Web服务器的远程测控系统

2021-01-26 来源：eefocus

简介：针对目前工业现场大量8位普通微处理器尚未接入Internet的现状，本文详细介绍了基于51单片机的嵌入式Web服务器，并由此构建了基于二维精密工作平台的远程测控系统。经实践检验，此方案切实可行。

1、引言

目前远程测控系统一般都采用以太网和现场总线混合控制网络。由于现场总线多种标准共存局面的存在，严重地影响了自身追求的开放性、分散性和完全互操作性的特点。随着Internet技术的迅速发展，以太网和TCP／IP协议已成为世界范围内的事实标准。基于TCP／IP的以太网可满足控制系统的各个层次的需求，并具有实现现场设备层和企业管理层的无缝连接、低成本等现场总线技术无法比拟的优点。专家预言，基于以太网传输的嵌入式Internet网络将会成为下一代工业控制网络的重要选择，并将带来工业控制网络新的变革。

8位普通微处理器(尤其是51系列单片机)因其体积小、可靠性高、控制功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，广泛应用于国民经济的各个领域(国际上自70年代开始，国内自80年代以来)，尤其是测控领域。然而以8位普通处理器为核心的嵌入式系统因系统资源、处理速度有限等因素仍排斥在Internet之外，这势必将会影响基于Internet工业控制网络的发展。因此解决如何利用现有嵌入式系统接人Internet有很大的研究价值及市场前景。

2、嵌入式Web服务器

为使51单片机接人Internet，就必须在51单片机系统内建立一个可供远程主机能够访问的Web服务器。主要的困难在于，Internet上面的各种通信协议对于存储器、运算速度等的要求比较高，支持TCP／IP等Internet协议将占用大量系统资源，这就要求我们建立一个嵌入式瘦web服务器。

2.1 硬件设计

笔者在实验中开发了一个简洁的硬件平台，命名为51板，其硬件原理图如图1所示。其中51单片机选用的是8位微处理器AT89C58，指令集和MS．5l系列兼容，因其片内带有32K闪存，因此可不扩展外部程序存储器，简化硬件电路。另外扩展了一片外部的62256，用来处理网络传输的II)包、任务切换和应用程序的数据缓存。利用AT89C58单片机内部有一个全双工的串行接口，组成RS232串口，作为与其它串口设备通讯用。RTL8019AS是由台湾Realtek公司生产的高度集成的以太网控制器，它负责实现以太网媒介访问层(MAC)和物理层(PHY)的所有功能，经隔离后与RJ．45相连。

图1 51板的硬件原理框图

2.2 软件设计

由于51单片机程序空间及内存RAM的限制，这决定了51单片机与电脑在实现Web服务器时存在诸多差别，诸如：在51单片机里不能使用WINDOWS、UNIX、LINUX等多任务操作系统，更不能支持比较完整的TCP／IP协议，存放收到的以太网数据包的RAM是固定的，而不是动态分配的。所以尽管UNIX、LINUX 的源代码公开，但在其上实现的Web服务器的源代码并不能够直接移植到51单片机上。另外采用实时操作系统RTOS，价格昂贵，不利于低成本开发。为此我们为51板开发了整个软件包，主要包括如下四个方面的内容：

网卡的驱动程序：其中包括RTLS019初始化、读取和设置 19的MAC地址及RTLS019发送和处理以太网程序等。需要注意的是有关芯片的地址定义及访问方式要与硬件电路相符。

(1) TCP/IP 协议族的实现

TCP/IP是一个协议族，它由几百种网络通信协议组成，TCP协议和IP协议只是此协议族中的两个成员，但由于其地位重要，因此通常使用TCP/IP来代表整个协议族。嵌入式Internet作为一种TCP/IP协议的嵌入式应用，其功能是特定的，而且一般来说嵌入式系统资源也非常有限，所以它不要求或不可能实现所有的TCP／IP协议，因此有必要对TCP/IP协议精简。

通过对TCP／II)四层协议和系统需求的分析，我们选择并实现了以下协议：超文本传输协议HTTP(定义了一种请求／应答机制来从Web服务器获取文档)、传输控制协议TCP(为在服务器和客户端之间传递HTIP请求／应答提供一个可靠的通信信道)、网际协议II)(它使异构网络之间的通信成为可能)、Internet互联网控制报文协议ICMP(实现诊断ping，检查低层协议层)、地址解析协议ARP(用来把高层II)地址与低层物理硬件地址动态捆绑起来)。

(2) Web服务器的实现

Web服务器用来监听用户端的服务请求，根据用户请求的类型提供相应的服务。用户端使用Web浏览器和web服务器进行通信。Web服务器在接收到用户端的请求后，处理用户请求并返回需要的数据。

网页采用HTMI 格式，存贮在程序存储器中，通过普通的线性查询技术寻找客户端请求的文件。传统服务器只提供固定的网页，实质上是一个文件服务器。但这样的服务器不适合应用于测控系统，没多大实用价值。为使Web服务器变得实用，则要求Web服务器与浏览器之间具有交互能力，网页中含有动态内容，允许在已存在的页中插入动态数据，我们采取了变量替换的方法。

首先将网页需要动态更新的变量用特定的标签(如TAG：DJ01)表示：

NO．1<／td>TAG：DJ01<／td>

当客户端请求某一文档时，Web服务器则调用相应的EGI函数，将该文档从程序存贮器中装载到内存RAM中；然后在内存RAM查找是否含有特定的标签，一旦找到则用相应的变量值替代。网页则可能转换为：

NO．1<／td> 983<／td>

最后调用http．send函数将网页文档发送出去。

其它应用程序：包括串行口的通信程序、访问级别设置和权限认证功能等。

完成上述工作后，用户不用装载任何客户端程序，就可以通过标准浏览器对51板进行远程访问，简化了使用难度。

3、系统测试

为了验证51板的嵌入式Web服务器的可行性，我们构建了一个远程测控系统，如图2所示。本系统利用TMS320F2407运动控制卡对一个交流伺服电机和一个步进电机的同步控制，完成对一个二维精密工作平台的运动控制；通过其串口与51板进行通讯，然后通过51板将系统接入Internet实现了远程的测量与控制。

5l板的默认设置为：

IP：211．83．106．125

子网掩码：255．255．255．0

网关：2l1．83．106．1