嵌入式WEB传感器的网络化接口设计

摘要：介绍了嵌入式ＷＥＢ传感器的体系结构，提出了网络化接口中TCP/IP协议栈的几种实现方式，着重探讨了基于TCP/IP协议栈芯片W3100A的网络化接口的实现，最后分析了嵌入式WEB传感器的ＷＥＢ功能的实现。     关键词 嵌入式ＷＥＢ传感器是在智能传感器的基础上发展起来的具有Ｉｎｔｅｒｎｅｔ功能的新型传感器。其实质是在传统传感器的基础上实现ＴＣＰ／ＩＰ网络通信协议接口，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信。它的组成主要有：敏感单元、智能处理单元和ＴＣＰ／ＩＰ通信协议接口。 图１为嵌入式ＷＥＢ传感器的体系结构。传统的传感器在嵌入式ＷＥＢ传感器中只占一部分。核心部分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的ＴＣＰ／ＩＰ网络接口。整个传感器的工作机理是：传感器将被测物理量转换为电信号，通过Ａ／Ｄ转换为数字信号，经过微处理器的数据处理 （滤波、校准）后将结果传送给网络；与网络的数据交换由基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的网络接口模块完成。嵌入式ＷＥＢ传感器的内部存储器存储传感器的物理特征，如偏移、灵敏度、校准参数等；微处理器实现数据的处理和补偿以及输出校准；ＴＣＰ／ＩＰ协议实现传感器的直接网络连接。与传统的传感器相比，基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的嵌入式ＷＥＢ传感器更加可靠、便宜，扩展性更好且可以在内部直接对原始数据加工、处理，并通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ与外界进行数据交换。因而它具有微型化、网络化和智能化。传感器的网络化接口实现了对Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或以太网的互连以进行信息的发布和资源共享。其实现方式是嵌入式ＷＥＢ传感器研究的重点。 网络化接口实现的关键在于ＴＣＰ／ＩＰ通信协议的实现。ＴＣＰ／ＩＰ通信协议的实现方法主要有：采用协议栈移植，针对嵌入式系统，将ＴＣＰ／ＩＰ协议栈移植到系统中，然后调用相关的ＡＰＩ函数实现网络通信；不采用移植方式，参照标准的ＴＣＰ／ＩＰ协议精简相应的协议层，编写相关的ＡＰＩ函数完成简易的ＴＣＰ／ＩＰ通信；采用协议芯片，如Ｗ３１００Ａ芯片，该方法直接采用硬件方式实现ＴＣＰ／ＩＰ协议，直接对芯片的寄存器进行设置，实现数据对网络的传送。本文着重探讨采用Ｗ３１００Ａ芯片实现嵌入式ＷＥＢ传感器的网络化接口的问题。 １ 网络化接口的实现 １．１ Ｗ３１００Ａ芯片及处理器对其访问的实现 Ｗ３１００Ａ是一ＴＣＰ／ＩＰ协议栈芯片，包含的各协议层有：ＴＣＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＩＣＭＰ和以太网协议的数据链路ＤＬＣ，以及ＭＡＣ协议。其工作方式类似于Ｗｉｎｄｏｗｓ的Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ。芯片的内部结构示意如图２所示。 该芯片可选择地支持Ｉｎｔｅｌ／Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＭＣＵ接口，另外还提供一个Ｉ２Ｃ接口给上层应用层，一个ＭＩＩ接口给底层物理层。芯片支持全双工模式，内部带有双口的ＳＲＡＭ数据缓冲区。其封装是６４脚的ＬＱＦＰ。 芯片提供寄存器供ＭＣＵ访问，具体的寄存器分类如下：控制寄存器（命令、状态及中断）；系统寄存器（网关地址、子网掩码、ＩＰ地址等）；用于数据收、发的指针寄存器；通道操作的通道寄存器。 比较重要的几个寄存器如表１所示。 表1 寄存器功能和地址示意图 寄存器名称 地  址 类  型 功  能 C0_CR～C3_CR 0X00～0X03 控制寄存器 完成相应通道套接字的初始化、连接、关闭和数据收发 C0_ISR～C3_ISR 0X04～0X07 控制寄存器 套接字命令的结果情况 IR 0X08 控制寄存器 各个通道套接字和数据接收中断产生情况 IMR 00X09 控制寄存器 控制各中断的屏蔽使能 GAR 0X80～0X83 系统寄存器 用于默认的网关地址的设置 SIPR 0x8E～0X91 系统控制 用于IP地址设置寄存器 RW_PR 每寄存器3字节，具体地址见W3100A数据手册 指针寄存器 接收数据的尾指针，依据数据大小自动调整 RR_PR 指针寄存器 接收数据的首指针 TW_PR 指针寄存器 传送数据的尾指针 TR_PR 指针寄存器 传送数据的当前数据指针 TA_PR 指针寄存器 指示传送数据的首指针 SSR C0:0XA0;C1:0XB8 C2:0XD0;C3:0XEB 通道寄存器 相应通道的套接字状态 SOPR C0:0XA1;C1:0XB9 C2:0XD1;C3:0XE9 通道寄存器 相应通道的协议选择 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、连接、关闭和数据收发，其设置如下：     其中，Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ用于设置网关、子网掩码以及ＩＰ地址等，１～６位用于通道０套接字的初始化、连接、断开、监听以及数据收发，相应位在命令执行后自动清除。通过套接字协议选择寄存器Ｃ０＿Ｓ０ＰＲ设置相应的协议值确定套接字中选用ＴＣＰ还是ＵＤＰ。 芯片正常工作必须对其完成相应的初始化。初始化主要是对必要的寄存器进行相应的设置，这些寄存器包括：网关地址寄存器ＧＡＲ、子网掩码寄存器ＳＭＲ、硬件地址寄存器ＳＨＡＲ以及ＩＰ地址寄存器ＳＩＰＲ等。上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器ＣＲ的０位Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ激活芯片。 １．２ 硬件接口及其数据传输 图3 I2C接口示意图     该芯片提供了并口和串口两种方式实现与ＭＣＵ的通信。图３为基于Ｉ２Ｃ的串口连接方式。其中ＭＣＵ为传感器中的处理器，以太网物理层设备选用ＲＴＬ８２０１芯片。Ｗ３１００Ａ提供ＭＩＩ接口与ＲＴＬ８２０１相连，其中引脚ＲＸ＿ＣＬＫ、ＲＸＤＶ、ＲＸＤ[0:３]以及ＣＯＬ用于数据的接收，而ＴＸ＿ＣＬＫ、ＴＸＥ、ＴＸＤ[０:３]用于数据的发送。ＭＣＵ中提供模拟的Ｉ２Ｃ接口与Ｗ３１００Ａ通信。Ｉ２Ｃ是串行通信总线方式，由数据线ＳＤＡ和时钟线ＳＣＬ配合完成通信。 建立ＴＣＰ连接的具体过程如图４所示。首先完成芯片的ＴＣＰ／ＩＰ初始化，设置相应通道如０通道的协议选择寄存器Ｃ０＿ＳＯＰＲ为０Ｘ０１；选择ＴＣＰ协议，执行通道０命令寄存器Ｃ０＿ＣＲ中的Ｓｏｃｋｅｔ＿Ｉｎｉｔ，同时将Ｃ０＿ＴＷ＿ＰＲ、Ｃ０＿ＴＲ＿ＰＲ及Ｃ０＿ＴＡ＿ＰＲ置成同一值；然后执行Ｃ０＿ＣＲ的Ｃｏｎｎｅｃｔ和Ｌｉｓｔｅｎ命令位，如此ＴＣＰ连接建立。 ２ 嵌入式ＷＥＢ传感器的ＷＥＢ功能的实现及其在测控系统中的应用 ＷＥＢ的工作基于客户机／服务器模型，由ＷＥＢ浏览器和ＷＥＢ服务器即传感器构成，两者之间采用ＨＴＴＰ协议进行通信。因此在传感器的上层协议应该采用ＨＴＴＰ协议。同时要实现浏览器与嵌入式ＷＥＢ传感器交互，除了要解决上述ＴＣＰ／ＩＰ通信协议接口外，在传感器中应提供一个ＥＥＰＲＯＭ存储相应的网页文件。交互时，ＨＴＴＰ通过统一资源定位器ＵＲＬ(Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｌｏｃａｔｏｒ)确定传感器应该为浏览器提供哪些资源。为了节省空间，通过一种灵活的Ｈｕｓｈ算法实现。ＥＥＰＲＯＭ中的每一个文件都有一个不同的Ｈｕｓｈ值与之相对应，存取时很快可以计算出文件的地址。此外，它可以根据网页中嵌入的特殊标志实现动态网页。即显示实时采集的数据并进行控制操作。 下面是存储在温度传感器中的一个简单的动态网页程序，其中的“＠”字符用来在网页中插入温度的标志，网页文件存放在传感器的ＥＥＰＲＯＭ里。当用户发出页面请求时，处理器上的程序在ＴＣＰ打包时，把温度值嵌入到网页中的“＠”字符处，再将网页文件添加相应的ＨＴＴＰ头，返回给请求的用户。如此用户将在浏览器上看到实际的温度显示值。 ＜ＨＴＭＬ＞ ＜ＨＥＡＤ＞ ＜ＴＩＴＬＥ＞实时温度监视＜／ＴＩＴＬＥ＞ ＜／ＨＥＡＤ＞ ＜ＢＯＤＹ＞ ＜ｃｅｎｔｅｒ＞现在的温度是:＜ｆｏｎｔ ｓｉｚｅ＝＋２ ｃｏｌｏｒ＝＃ＦＦ９９ＦＦ＞ ＠ ＜／ｆｏｎｔ＞＜／ｃｅｎｔｅｒ＞ ＜ＢＲ＞ ＜／ＢＯＤＹ＞ ＜／ＨＴＭＬ＞ 如图５所示，嵌入式ＷＥＢ传感器和以太网测控网关将同时接到以太网上，实现上层网络终端客户端对其的访问。上层监控级对嵌式ＷＥＢ传感器访问采用Ｂ／Ｓ模式，监控级通过其浏览器实现对嵌入式ＷＥＢ传感器的访问。 本文所提出的网络化接口方案是利用硬件芯片实现ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，可以解决当前应用中大量存在的８位ＭＣＵ实现ＴＣＰ／ＩＰ通信协议的问题。该网络化接口应用到嵌入式ＷＥＢ传感器上，很好地实现了现场级设备对外部网的接入，实现了信息的共享和发布，同时也扩大了控制的半径。该网络化接口实现方便，具有通用性，应用范围广。