基于嵌入式web服務(wù)器遠(yuǎn)程測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李博，楊敏，賀軍鋒，張盛兵，張小林

（1.西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安710065；2.西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司（西北工業(yè)大學(xué)第365研究所），陜西西安710065；3.中國人民解放軍駐西北工業(yè)大學(xué)軍事代表室陜西西安710065）

基于嵌入式web服務(wù)器遠(yuǎn)程測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李博1，2，楊敏3，賀軍鋒3，張盛兵1，張小林2

（1.西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安710065；2.西安愛生技術(shù)集團(tuán)公司（西北工業(yè)大學(xué)第365研究所），陜西西安710065；3.中國人民解放軍駐西北工業(yè)大學(xué)軍事代表室陜西西安710065）

針對(duì)武器裝備對(duì)遠(yuǎn)程測(cè)試需求，提出一種適用于遠(yuǎn)程測(cè)試的基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試方法。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特點(diǎn)的分析，闡述了用嵌入式web技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)，并給出基于微處理器的網(wǎng)絡(luò)總線測(cè)試模塊硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于嵌入式web服務(wù)器技術(shù)測(cè)試模塊能夠有效的解決遠(yuǎn)程測(cè)試的問題。

嵌入式web服務(wù)器；遠(yuǎn)程測(cè)試；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；微處理器

為了解決這個(gè)問題，本課題提出了以嵌入式處理器為核心，以嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，以嵌入式軟件為應(yīng)用軟件的微型web服務(wù)器數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在使用時(shí)，web服務(wù)器可集成到被測(cè)試武器裝備的嵌入式系統(tǒng)中，可通過武器裝備系統(tǒng)的電網(wǎng)取電，無需額外配備發(fā)電設(shè)備。測(cè)試數(shù)據(jù)可通過普通網(wǎng)線傳輸安全線之外的PC機(jī)中，測(cè)試人員不需要開發(fā)PC機(jī)中數(shù)據(jù)顯示軟件，僅通過PC機(jī)所自帶的IE瀏覽器訪問嵌入式web服務(wù)器，便可現(xiàn)實(shí)當(dāng)前的測(cè)試數(shù)據(jù)。這種方法使用方便、成本低、功耗低、體積小能夠滿足眾多遠(yuǎn)程測(cè)試領(lǐng)域較多［1］。

1　嵌入式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡(jiǎn)介

目前嵌入式網(wǎng)絡(luò)所運(yùn)行的協(xié)議模型主要為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型，是一種基于TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)模型［2］，共分為四層：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層，如表1所示。每一層代表一類協(xié)議同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照此層協(xié)議對(duì)應(yīng)的幀格式進(jìn)行傳輸，如果所傳輸數(shù)據(jù)幀格式錯(cuò)誤，會(huì)被認(rèn)為是無效數(shù)據(jù)。其中ARP協(xié)議、IP協(xié)議、ICMP協(xié)議和傳輸層協(xié)議是必不可少的，這些協(xié)議可以保證一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。開發(fā)者可根據(jù)自己項(xiàng)目的功能需要在各層添加協(xié)議模塊開發(fā)出種類繁多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

表1　TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展，使用專用的、便攜的設(shè)備上網(wǎng)成了越來越多領(lǐng)域的發(fā)展的新方向，進(jìn)而更推動(dòng)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的開放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧以及向嵌入式處理器移植的方案，大大迎合了參與嵌入式網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目開發(fā)者的需要。

1.2嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧選擇

在實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，如何選擇一個(gè)合適硬件系統(tǒng)的開源協(xié)議棧是非常關(guān)鍵的，一般可以從4個(gè)方面來考慮：第一，是否提供易用的底層硬件API，即與硬件平臺(tái)的無關(guān)性；第二，與操作系統(tǒng)的內(nèi)核API，協(xié)議棧需要調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)接口是否容易構(gòu)造；第三，對(duì)于應(yīng)用支持程度；第四，占用的系統(tǒng)資源是否在可接受范圍內(nèi)，有裁減優(yōu)化的空間。

目前常用的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧代碼有uC/IP，uIP，Nichelite等。uC/IP是一套基于uC/OS且開放源碼的TCP/IP協(xié)議棧，協(xié)議棧需要的代碼容量空間在30～60KB之間。uIP是專門為8位和16位處理器設(shè)計(jì)的TCP/IP棧，編譯過的棧可以在幾KB ROM或幾百字節(jié)RAM中運(yùn)行。Nichelite是全功能的32位TCP/IP協(xié)議棧，完整編譯下的代碼量?jī)H12KB，支持多個(gè)TCP/IP協(xié)議棧。

劉小楓認(rèn)為：“卡夫卡的受苦是自己性情中的兩個(gè)世界的緊張引起的，他的信仰就是這兩個(gè)世界的緊張之間的繩索”。[18]184-229的確如此，卡夫卡像一個(gè)孩子，一個(gè)不愿意妥協(xié)的未成年，在這兩個(gè)世界中輾轉(zhuǎn)，無法像英雄一樣面對(duì)其中任何一個(gè)，承擔(dān)生命的責(zé)任。卡夫卡找不到自己的位置和身份。卡夫卡一直在這種矛盾中痛苦著，在歸宿中掙扎著，直到無家可歸，無路可走。卡夫卡用敏銳的眼睛看到了這個(gè)世界；用柔軟的內(nèi)心感知到了這個(gè)世界，可是上下求索而不得的他最后卻給不出答案——“這世界是我們的迷霧。”[19]132

在本課題所研究的內(nèi)容為遠(yuǎn)程測(cè)試武器裝備中模擬量控制信號(hào)，通道數(shù)為4路，采集范圍為-5～+5 V。針對(duì)此需求，可以通過32位處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2　嵌入式硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中以32位處理器為核心，并在外圍擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口電路為設(shè)計(jì)思想。測(cè)試模塊由數(shù)據(jù)處理單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元、AD采集單元、供電單元組成。數(shù)據(jù)處理單元為測(cè)試模塊的核心，用于驅(qū)動(dòng)AD采集單元、驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)單元、轉(zhuǎn)換AD采集數(shù)據(jù)、運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。網(wǎng)絡(luò)接口單元用于接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，發(fā)送測(cè)試模塊回傳數(shù)據(jù)。AD采集單元用于實(shí)現(xiàn)對(duì)被采信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理單元。供電單元用于給各個(gè)單元提供工作電壓［3］。

其中測(cè)試模塊的處理器選用NXP公司的LPC2368處理器，LPC2368是高性能、低功耗的32位單片機(jī)其內(nèi)部集成了一個(gè)高性能32位ARM7核，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)。并且該處理器內(nèi)包含1個(gè)10/100Ethernet MAC接口和1個(gè)10位A/ D轉(zhuǎn)換器。可以用來實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。

由于LPC2368中的網(wǎng)絡(luò)控制器支持的是IEEE802.3子款22，所以不能直接使用RJ45為網(wǎng)絡(luò)接口。而需要連接一個(gè)外圍網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)器。在設(shè)計(jì)中選用NI公司的DP83848作為網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。

AD采集單元由AD采集電路和信號(hào)調(diào)理電路組成。AD采集電路采用處理器自帶的片內(nèi)AD進(jìn)行采集。本方案中所選的處理器內(nèi)集成有8路10位AD采集通道，通過AREF引腳設(shè)置片內(nèi)通道采集范圍為0～2.5 V。在本實(shí)現(xiàn)方案中AD采集通道數(shù)為4路。信號(hào)調(diào)理電路通過差動(dòng)輸入運(yùn)算電路電路將外部輸入信號(hào)調(diào)理到單片機(jī)AD通道采集范圍內(nèi)。同時(shí)使用調(diào)理電路后板卡的AD采集范圍可為-5～+5 V，整體采集精度為0.009 5 V/bit。

由于以上所使用的電路工作電壓均為5 V，因此測(cè)試模塊供電電路采用LM7805作為供電電路核心芯片，為提高采集精度和模塊工作的可靠性，在其輸入端和輸出端并聯(lián)電容以減少電網(wǎng)紋波對(duì)系統(tǒng)的干擾。

綜上所述硬件原理圖如圖1所示。

圖1　測(cè)試模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

3　嵌入式軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試模塊要實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)總線的采集功能，其軟件設(shè)計(jì)非常重要。整體軟件采用模塊化的方式設(shè)計(jì)，包括：管理模塊、AD采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

管理模塊用于測(cè)試模塊上電工作后，處理器對(duì)測(cè)試模塊中各個(gè)硬件資源進(jìn)行管理和配置，包括：初始化程序、看門狗喂狗程序和時(shí)序控制等，為測(cè)試模塊其他模塊程序能夠正常運(yùn)行提供保障。

AD采集模塊用于驅(qū)動(dòng)處理器內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器。實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)理電路輸出的模擬信號(hào)的采樣。通過實(shí)驗(yàn)表明，AD采集在中斷程序中完成可實(shí)現(xiàn)高采樣率。

數(shù)據(jù)處理模塊的功能包含兩部分：第一，實(shí)時(shí)處理AD模塊采集數(shù)據(jù)，并交與網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行通信；第二，實(shí)時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)通信模塊所解析到的主控機(jī)發(fā)送的指令，并執(zhí)行響應(yīng)的操作。由于本項(xiàng)目使用的微處理器內(nèi)部AD通道，其實(shí)現(xiàn)方法有大量的論文或資料可以查詢，本文不做詳細(xì)描述，本文主要描述如何實(shí)現(xiàn)嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是測(cè)試模塊程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，用于實(shí)現(xiàn)在嵌入式平臺(tái)上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議，并能與主控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和消息指令的通信。測(cè)試模塊只能運(yùn)行用于嵌入式平臺(tái)、32位處理器所能運(yùn)行的TCP/IP協(xié)議棧。測(cè)試模塊的網(wǎng)絡(luò)通信模塊中的TCP/IP協(xié)議棧移植于開源的Nichelite網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，Nichelite實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是保證代碼量和儲(chǔ)存器使用量最小，一個(gè)編譯過的協(xié)議棧不超過12KB，并且支持多任務(wù)處理機(jī)制。并且使用的是C編程語言，可以非常方便的移植到單片機(jī)中［4］。

Nichelite協(xié)議棧源代碼中的nichipport.h文件中定義IP地址，可將測(cè)試模塊數(shù)據(jù)傳輸層協(xié)議配置為TCP協(xié)議，同時(shí)可設(shè)置測(cè)試模塊的IP地址、網(wǎng)關(guān)和子網(wǎng)掩碼，本項(xiàng)目中將IP地址設(shè)置為192.168.1.120。

Nichelite代碼僅是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際層和傳輸層通信協(xié)議代碼，因此開發(fā)者必須自己開發(fā)網(wǎng)絡(luò)接口層的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層的應(yīng)用程序，包括：底層對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制模塊的驅(qū)動(dòng)程序、上層應(yīng)用程序、系統(tǒng)定時(shí)服務(wù)程序。網(wǎng)絡(luò)控制模塊的驅(qū)動(dòng)程序包括芯片上電初始化代碼、模塊網(wǎng)絡(luò)物理地址的設(shè)定、收發(fā)緩沖區(qū)位置和大小。

同時(shí)需對(duì)Nichelite協(xié)議的收發(fā)緩沖區(qū)和收發(fā)緩沖區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)定。Nichelite程序的接口定義在netbuf.h中，用在驅(qū)動(dòng)程序放入一個(gè)數(shù)據(jù)包在緩沖區(qū)中時(shí)調(diào)用。通過pk_alloc（）和pc_free（）為程序分配和釋放內(nèi)存。與底層硬件的接口函數(shù)為inet_timer（）。此函數(shù)用于產(chǎn)生定時(shí)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

發(fā)送數(shù)據(jù)則通過nic_send（）將數(shù)據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng)中，通過nic_retreive（）從以太網(wǎng)中接收數(shù)據(jù)。應(yīng)用層使用HTTP作為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，在本項(xiàng)目中由于僅顯示4通道采集數(shù)據(jù)，web網(wǎng)頁數(shù)據(jù)內(nèi)容較少，在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)時(shí)將web網(wǎng)頁數(shù)據(jù)以頭文件的方式定義在軟件工程中，隨同其他源文件一同編譯。其中在編寫應(yīng)用程序時(shí)，必須將其定義為該層的服務(wù)程序［5］。

綜上所示測(cè)試模塊軟件流程圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)測(cè)試模塊軟件流程圖

在流程中“處理數(shù)據(jù)包”內(nèi)運(yùn)行的為TCP/IP應(yīng)用層程序，主要功能包括封裝AD采集數(shù)據(jù)，運(yùn)行IP通信協(xié)議，相應(yīng)HTTP數(shù)據(jù)請(qǐng)求，發(fā)送HTTP網(wǎng)頁數(shù)據(jù)等。

具體編程時(shí)需將Nichelite配置成允許4個(gè)并發(fā)連接，1個(gè)監(jiān)聽端，10個(gè)ARP表項(xiàng)，并將其屬性NIC_ZBUFSIZE= 1500。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試模塊采集數(shù)據(jù)可在10 Mbps網(wǎng)絡(luò)中完成實(shí)時(shí)傳輸，能夠滿足一般完成采集數(shù)據(jù)的需要。圖3為上位機(jī)通過IE瀏覽器訪問測(cè)試模塊的運(yùn)行結(jié)果。

在IE瀏覽器地址欄輸入模塊的IP瀏覽地址便可訪問模塊內(nèi)所存儲(chǔ)的網(wǎng)頁界面，同時(shí)網(wǎng)頁界面中數(shù)據(jù)顯示控件為實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程測(cè)試模塊將采集4路模擬信號(hào)，采集范圍為-5～+5 V，上位機(jī)以50 ms數(shù)據(jù)訪問測(cè)試模塊，所顯示的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)中所設(shè)置的模擬電壓值相符合。

圖3　上位機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示

4　結(jié)束語

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集是計(jì)算機(jī)控制、測(cè)量領(lǐng)域發(fā)展需要，也是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的升華和改進(jìn)。利用嵌入式web服務(wù)器技術(shù)可以將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集進(jìn)行模塊化、開放式設(shè)計(jì)，有利的提高空間靈活應(yīng)用，降低計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等的構(gòu)建成本，保證了系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性，也會(huì)使得這種技術(shù)會(huì)在航空航天、軍事國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［6］。

［1］朱宇，馮明亮.基于ARM&Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（19）:120-122.

［2］Odom W著，李強(qiáng)譯.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第一階［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［3］李博，趙建，方海燕.基于嵌入式Internet技術(shù)LXI儀器通信模塊的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007，15（12）:1810-1813.

［4］Sveda M.A design framework for internet-based embedded distributed system［C］//Proceedings-11th IEEE International Conference and Workshop on the Engineering of Computer-Based Systems，ECBS 2004，2004:113-120.

［5］Szymanski J W.Embedded Internet technology in process control devices［C］//IEEE International Workshop on Factory Communication Systems-WFCS，2000:301-308.

［6］Zhao Jian，Li Bo，Yan Shen，et al.Design and realization of communication module of LXI data interface based on MCU［C］//Proceedings of 2007 8thInternational Conference on Electronic Measurement&Instruments，2007:870-874.

Design and realization of remote testing method based on embedded web server technology

LI Bo1，2，YANG Min3，HE Jun-feng3，ZHANG Sheng-bing1，ZHANG Xiao-lin2
（1.NWPU Computer Institute，Xi'an 710065，China；2.Xi'an ASN Technology Group Co.Ltd（NWPU 365th Institute），Xi'an 710065，China；3.PLA Military Representative Office in NWPU，Xi'an 710065，China）

This paper show a networking testing method for remote testing based on embedded Web server technology，through analyzing the requirement of remote testing for weapons.Through analyzing the character of the network，the paper expound the key technology to realize the remote testing with Web server technology and the hardware and software design of network testing module with MCU.The result show that the testing module based on Web server technology could fulfill the requirement of remote testing effectively.

embedded web sever；remote testing；net protocol；MCU

TN06

A

1674－6236（2016）12-0185-03

2015-07-04稿件編號(hào)：201507040

李博（1983—），男，陜西渭南人，博士。研究方向：飛行控制計(jì)算機(jī)。