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介紹了嵌入式WEB傳感器的體系結(jié)構(gòu),提出了網(wǎng)絡(luò)化接口中TCP/IP協(xié)議棧的幾種實現(xiàn)方式,著重探討了基于TCP/IP協(xié)議棧芯片W3100A的網(wǎng)絡(luò)化接口的實現(xiàn),最后分析了嵌入式WEB傳感器的WEB功能的實現(xiàn)｡ 嵌入式WEB傳感器是在智能傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有Internet功能的新型傳感器｡ 其實質(zhì)是在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口,將傳感器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信｡它的組成主要有:敏感單元､智能處理單元和TCP/IP通信協(xié)議接口｡ 圖1為嵌入式WEB傳感器的體系結(jié)構(gòu)｡傳統(tǒng)的傳感器在嵌入式WEB傳感器中只占一部分｡核心部分是完成信號處理､數(shù)據(jù)交換和控制的嵌入式智能單元以及完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡CP/IP網(wǎng)絡(luò)接口｡整個傳感器的工作機(jī)理是:傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號,通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理 (濾波､校準(zhǔn))后將結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò);與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換由基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成｡嵌入式WEB傳感器的內(nèi)部存儲器存儲傳感器的物理特征,如偏移､靈敏度､校準(zhǔn)參數(shù)等;微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和補(bǔ)償以及輸出校準(zhǔn);TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)傳感器的直接網(wǎng)絡(luò)連接｡與傳統(tǒng)的傳感器相比,基于Internet的嵌入式WEB傳感器更加可靠､便宜,擴(kuò)展性更好且可以在內(nèi)部直接對原始數(shù)據(jù)加工､處理,并通過Internet與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換｡因而它具有微型化､網(wǎng)絡(luò)化和智能化｡傳感器的網(wǎng)絡(luò)化接口實現(xiàn)了對Internet或以太網(wǎng)的互連以進(jìn)行信息的發(fā)布和資源共享｡其實現(xiàn)方式是嵌入式WEB傳感器研究的重點｡ 網(wǎng)絡(luò)化接口實現(xiàn)的關(guān)鍵在于TCP/IP通信協(xié)議的實現(xiàn)｡TCP/IP通信協(xié)議的實現(xiàn)方法主要有:采用協(xié)議棧移植,針對嵌入式系統(tǒng),將TCP/IP協(xié)議棧移植到系統(tǒng)中,然后調(diào)用相關(guān)的API函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信;不采用移植方式,參照標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議精簡相應(yīng)的協(xié)議層,編寫相關(guān)的API函數(shù)完成簡易的TCP/IP通信;采用協(xié)議芯片,如W3100A芯片,該方法直接采用硬件方式實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議,直接對芯片的寄存器進(jìn)行設(shè)置,實現(xiàn)數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的傳送｡本文著重探討采用W3100A芯片實現(xiàn)嵌入式WEB傳感器的網(wǎng)絡(luò)化接口的問題｡ 1 網(wǎng)絡(luò)化接口的實現(xiàn) 1.1 W3100A芯片及處理器對其訪問的實現(xiàn) W3100A是一TCP/IP協(xié)議棧芯片,包含的各協(xié)議層有:TCP､IP､UDP､ICMP和以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路DLC,以及MAC協(xié)議｡其工作方式類似于Windows的Socket API｡芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2所示｡ 該芯片可選擇地支持Intel/Motorola MCU接口,另外還提供一個I2C接口給上層應(yīng)用層,一個MII接口給底層物理層｡芯片支持全雙工模式,內(nèi)部帶有雙口的SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)｡其封裝是64腳的LQFP｡ 芯片提供寄存器供MCU訪問,具體的寄存器分類如下:控制寄存器(命令､狀態(tài)及中斷);系統(tǒng)寄存器(網(wǎng)關(guān)地址､子網(wǎng)掩碼､IP地址等);用于數(shù)據(jù)收､發(fā)的指針寄存器;通道操作的通道寄存器｡ 比較重要的幾個寄存器如表1所示｡ 表1 寄存器功能和地址示意圖 寄存器名稱 地 址 類 型 功 能 C0_CR~C3_CR 0X00~0X03 控制寄存器 完成相應(yīng)通道套接字的初始化､連接､關(guān)閉和數(shù)據(jù)收發(fā) C0_ISR~C3_ISR 0X04~0X07 控制寄存器 套接字命令的結(jié)果情況 IR 0X08 控制寄存器 各個通道套接字和數(shù)據(jù)接收中斷產(chǎn)生情況 IMR 00X09 控制寄存器 控制各中斷的屏蔽使能 GAR 0X80~0X83 系統(tǒng)寄存器 用于默認(rèn)的網(wǎng)關(guān)地址的設(shè)置 SIPR 0x8E~0X91 系統(tǒng)控制 用于IP地址設(shè)置寄存器 RW_PR 每寄存器3字節(jié),具體地址見W3100A數(shù)據(jù)手冊 指針寄存器 接收數(shù)據(jù)的尾指針,依據(jù)數(shù)據(jù)大小自動調(diào)整 RR_PR 指針寄存器 接收數(shù)據(jù)的首指針 TW_PR 指針寄存器 傳送數(shù)據(jù)的尾指針 TR_PR 指針寄存器 傳送數(shù)據(jù)的當(dāng)前數(shù)據(jù)指針 TA_PR 指針寄存器 指示傳送數(shù)據(jù)的首指針 SSR C0:0XA0;C1:0XB8 C2:0XD0;C3:0XEB 通道寄存器 相應(yīng)通道的套接字狀態(tài) SOPR C0:0XA1;C1:0XB9 C2:0XD1;C3:0XE9 通道寄存器 相應(yīng)通道的協(xié)議選擇 控制寄存器C0_CR(通道0的命令寄存器),用于通道0套接字(Socket)的初始化､連接､關(guān)閉和數(shù)據(jù)收發(fā),其設(shè)置如下: 其中,Sys_init用于設(shè)置網(wǎng)關(guān)､子網(wǎng)掩碼以及IP地址等,1~6位用于通道0套接字的初始化､連接､斷開､監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)收發(fā),相應(yīng)位在命令執(zhí)行后自動清除｡通過套接字協(xié)議選擇寄存器C0_S0PR設(shè)置相應(yīng)的協(xié)議值確定套接字中選用TCP還是UDP｡ 芯片正常工作必須對其完成相應(yīng)的初始化｡初始化主要是對必要的寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置,這些寄存器包括:網(wǎng)關(guān)地址寄存器GAR､子網(wǎng)掩碼寄存器SMR､硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等｡上述寄存器被設(shè)置后通過執(zhí)行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片｡ 1.2 硬件接口及其數(shù)據(jù)傳輸 圖3 I2C接口示意圖 該芯片提供了并口和串口兩種方式實現(xiàn)與MCU的通信｡圖3為基于I2C的串口連接方式｡其中MCU為傳感器中的處理器,以太網(wǎng)物理層設(shè)備選用RTL8201芯片｡W3100A提供MII接口與RTL8201相連,其中引腳RX_CLK､RXDV､RXD[0:3]以及COL用于數(shù)據(jù)的接收,而TX_CLK､TXE､TXD[0:3]用于數(shù)據(jù)的發(fā)送｡MCU中提供模擬的I2C接口與W3100A通信｡I2C是串行通信總線方式,由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL配合完成通信｡ 建立TCP連接的具體過程如圖4所示｡首先完成芯片的TCP/IP初始化,設(shè)置相應(yīng)通道如0通道的協(xié)議選擇寄存器C0_SOPR為0X01;選擇TCP協(xié)議,執(zhí)行通道0命令寄存器C0_CR中的Socket_Init,同時將C0_TW_PR､C0_TR_PR及C0_TA_PR置成同一值;然后執(zhí)行C0_CR的Connect和Listen命令位,如此TCP連接建立｡ 2 嵌入式WEB傳感器的WEB功能的實現(xiàn)及其在測控系統(tǒng)中的應(yīng)用 WEB的工作基于客戶機(jī)/服務(wù)器模型,由WEB瀏覽器和WEB服務(wù)器即傳感器構(gòu)成,兩者之間采用HTTP協(xié)議進(jìn)行通信｡因此在傳感器的上層協(xié)議應(yīng)該采用HTTP協(xié)議｡同時要實現(xiàn)瀏覽器與嵌入式WEB傳感器交互,除了要解決上述TCP/IP通信協(xié)議接口外,在傳感器中應(yīng)提供一個EEPROM存儲相應(yīng)的網(wǎng)頁文件｡交互時,HTTP通過統(tǒng)一資源定位器URL(Uniform Resource Locator)確定傳感器應(yīng)該為瀏覽器提供哪些資源｡為了節(jié)省空間,通過一種靈活的Hush算法實現(xiàn)｡EEPROM中的每一個文件都有一個不同的Hush值與之相對應(yīng),存取時很快可以計算出文件的地址｡此外,它可以根據(jù)網(wǎng)頁中嵌入的特殊標(biāo)志實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁｡即顯示實時采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制操作｡ 下面是存儲在溫度傳感器中的一個簡單的動態(tài)網(wǎng)頁程序,其中的“@”字符用來在網(wǎng)頁中插入溫度的標(biāo)志,網(wǎng)頁文件存放在傳感器的EEPROM里｡當(dāng)用戶發(fā)出頁面請求時,處理器上的程序在TCP打包時,把溫度值嵌入到網(wǎng)頁中的“@”字符處,再將網(wǎng)頁文件添加相應(yīng)的HTTP頭,返回給請求的用戶｡如此用戶將在瀏覽器上看到實際的溫度顯示值｡ 如圖5所示,嵌入式WEB傳感器和以太網(wǎng)測控網(wǎng)關(guān)將同時接到以太網(wǎng)上,實現(xiàn)上層網(wǎng)絡(luò)終端客戶端對其的訪問｡上層監(jiān)控級對嵌式WEB傳感器訪問采用B/S模式,監(jiān)控級通過其瀏覽器實現(xiàn)對嵌入式WEB傳感器的訪問｡ 本文所提出的網(wǎng)絡(luò)化接口方案是利用硬件芯片實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧,可以解決當(dāng)前應(yīng)用中大量存在的8位MCU實現(xiàn)TCP/IP通信協(xié)議的問題｡該網(wǎng)絡(luò)化接口應(yīng)用到嵌入式WEB傳感器上,很好地實現(xiàn)了現(xiàn)場級設(shè)備對外部網(wǎng)的接入,實現(xiàn)了信息的共享和發(fā)布,同時也擴(kuò)大了控制的半徑｡該網(wǎng)絡(luò)化接口實現(xiàn)方便,具有通用性,應(yīng)用范圍廣｡ |
