CAN总线的嵌入式Web服务器设计

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1、CAN总线的嵌入式Web服务器设计摘要本文设计并实现一种可以将基于协议的计算机网络设备，与基于 总线协议的底层现场网络连通的嵌入式服务器。关键词嵌入式服务器嵌入式协议总线引言嵌入式系统指被嵌入到各 种产品或工程应用中的，以微处理器或微控制器为核心的软硬件系统。嵌入式系统与技术相结合，形成的嵌入式技术是近几年随着计算机网 络技术的普及而发展起来的一项新兴技术。它通过现有嵌入式系统，增加因特网接入能力来扩展其功能，创造性 地提出以低价位单片机作为微处理器，使嵌入式设备而非系统直接接入。在本文中，采用公司的 52 单片机外接以太网控制芯片 8019 实现嵌入 式服务器硬件结构和软件功能。传统的基于结

2、构工控系统向嵌入式结构转移，可有效降低成本，这是 因为没有必要开发专有的，还可以方便最终用户，并改善故障检测和设备 维护的远程访问能力。图 11 嵌入式服务器硬件设计与实现通常嵌入式系统硬件包括微控制 器、存储器外设器件和端口等，其核心是嵌入式微控制器。为适应上网需求，嵌入式微控制器不仅要能执行传统的控制功能，还 要能执行与连接因特网相关的功能，而公司的 52 芯片能比较容易地实现 协议，所以我们选择它作为微控制器。实现嵌入式设备接入，从原则上来讲最关键的就是要实现协议，还有 一人关键的问题就是传输信息媒质的选择。我们采用最常用的连接模式，即通过以太网连接，利用网络接口控制 器来实现数据链路层

3、协议。嵌入式系统应用最广泛的网络驱动芯片就是 2000兼容系列网络芯片， 它具有接口方便、驱动简单、占用资源少等优点，特别适合嵌入式系统。我们选用其中性能较了，供货比较稳定的 8019 芯片。嵌入式服务器硬件结构框图如图 1所示。嵌入式服务器用 52微控制器作为处理器，以太网驱动芯片 8019经耦 合隔离滤波器 61101 和 45 接口接入以太网，配有 232 和总线两个扩展接 口，可以将具有232接口的设备或采用总线协议通信的设备连到以太网上。232接口采用 232 芯片，总线控制器采用公司的 1000 芯片，收发器则 采用了公司的 82250。数据的流向为请求和控制信息从局域网中来，通过

4、 45 送到 8019，8019 负责将以太网帧的首部和尾部信息剥离，将处理后的数据包送入 52 的协 议栈，由协议栈对数据报进行解析，得到原始的请求和控制信息。请求和控制信息再经过 1000 进行协议格式的数据封装，再和现场的 总线设备进行通信。请求和控制的回复领先局域网的过程与上面正好相反。图 2 为服务器主要芯片连接电路简图。52有5个口，共 40个引脚。在设计中，利用52的口的07连接8019的数据口 07； 52的口兼 顾选址和读写控制功能，在开发中用它与 8019 的地址及读写控制引脚连 接。在确保通信功能顺利实现的同时，充分利用了 52 芯片口灵活配置的 特点，最大程序地节约了微

5、控制器 52 的硬件资源。图28019基地址选择引脚 03接地，此时基地址为 300，即001100000000，所以地址线 9、8 接+5。因为寄存器地址偏移量为 001 共 32 个，对应地址从 300 到 31，所 以只需将地址线 04 接 52 的04，其余地址线接地即可。芯片、引脚为读写信号线，接 52 的6、5读写控制引脚。8019 可以兼容 8 位和16 位操作。图 2 中16 是16 位的选择脚。当 8019 上电复位的时候，如果这个脚为低电平， 8019 将选择 8 位模 式；如果这个脚为高电平， 8019 将选择 16 位的模式。由于 52 是 8 位的数据总线，因此要用

6、8 位总线模式每次读入或写入 1 个字节，只需 8 根数据线 07，所以将这个脚接地。8019 有 3 种工作方式第一种为跳线方式，芯片的和中断由跳线决定； 第二种即插即用方式，由软件进行自动配置；第三种为免跳线方式，芯片 的和中断由外接的 9346 里的内容决定。常用网卡上的 8019 一般只支持第二种和第三种方式。在嵌入式应用的场合，为降低成本，同时又减少连线，不使用 9346。本设计中使用第一种方式，此时引脚接高电平。 引脚决定使用还是接口。 高电平时使用接口，低电平时使用接口，支持 8线双绞线或同轴电缆。 本设计中采用双绞线为通信介质，将该引脚接地。8019使用引脚+、 、+和 连接耦

7、合隔离滤波器61101，利用45插头实 现与以太网的连接。1000是独立的通信控制器，支持20协议，其工作频率为624。 它的07为地址数据复用线，与52的口 07相连。当远端用户通过服务器查询现场的总线数据时， 1000负责将现场控制 单元的总线数据解析，发送到 52，再传到网上。82250 是协议控制和物理总线的接口，它对总线提供发送能力，并对 控制器提供接收能力，它支持 1 速度。为保证52与 1000 协同工作，在硬件设计中们将两个芯片共同一个硬 件复位线，确保52与 1000硬件同步复位。范文先生网收集整理 24256 是 2 总线的，通常可以用来存储用户的一 些设置，比如地址、网关

8、等。在本设计用它存储静态网页。接52的 4脚，接52的 5 脚。232 完成 232 电平与电平转换，提供一个本地接口，为调试和维护提 供方便。接52的 5 脚。232 完成 232 电平与电平转换，提供一个本地接口，为调试和维护提 供方便。接 52 的 2 脚，接 52 的 3 脚， 和 是 232 电平，为标准串口电平。数据可以从串口输入到单片机 52，52 再把数据送到 8019 传出去。2嵌入式服务器软件设计与实现21以太网接口驱动程序的实现要将嵌 入式服务器接入以太网，就要对 8019 进行编程，完成以太网帧的数据收 发，相当于实现机中网卡的驱动程序功能。以太网控制器驱动程序用于设置

9、 8019 的工作状态和工作方式，分配 收发数据的缓冲区，通过对地址及数据口的读写来完成以太网帧的接收与 发送。首先要对8019 进行复位，并将其设置为跳线模式；然后对8019的工 作参数进行设置，以使其开始工作；接下来就读写 8019 的以完成数据包 的接收和发送。程序流程如图 3 所示。22 嵌入式服务器协议栈的实现协议栈是虚拟外设的一个重要实现，是 基于处理器的应用系统与实现互联的基础。通过这些协议栈，可以更加方便地开发基于的嵌入式应用系统。以太网数据的传输是采用地址来识别的，而协议提供地址和数据链路 层使用地址之间的转换功能。为了保证系统在太网的通信，首先要实现协议。由于嵌入式服务器要

10、能在上通信，在网络层一定要实现协议，还要实 现能报告数据传送差错等情况的协议。在应用层，主要实现远端主机通过浏览器的访问控制方式，所以要实 现协议；而协议是基于协议实现传输的，加上协议是面向可靠的数据流的 传输，基于应用的需要对可靠性的要求，在传输层采用协议，并对协议进 行了简化处理，主要针对协议开发协议。图 4 为协议栈主流程图。系统初始化后，进入主程序循环部分。主程序循环包括两大部分对接收到的以太网数据帧进行解包和对欲 发送的数据进行封装并发送。对接收到的以太网数据帧进行解包，供应用程序使用；对欲发送的数 据进行打包，将数据以以太网数据帧的格式发送出去，使采用协议的以太 网内所有计算机能收

11、到此数据帧。图423嵌入式服务器应用程序的实现工业现场数据经嵌入式服务器上 传到以太网才能被用户利用，因此网络用户和服务器之间通信程序的开发也是本课题中很重要的一部分。课题中嵌入式服务器实现的功能主要是现场实时数据发布功能。实时数据包括温度、设备运行状态信息、通信状态信息、时钟信息等。嵌入式服务器将实时数据以网页形式发布到上，远方客户通过接入浏 览该服务器发布的工业现场实时信息。本设计采用简称开发模式。用这种方式开发嵌入式服务器应用程序具有很多优点。比如降低客户端的要求，方便客户端的分布使用，客户端的开发和维 护费用降低等。但是因为单片机的资源有限，在用单片机搭建的服务器上编程实现实 时动态数

12、据的浏览任务较重。在服务器端运行程序，速度也受到限制，加上网页界面或程序结构的单方面调整都将导致整个系统全盘修改，系统的灵活性与可扩展性差。在设计中，如果仅仅采用访问方式，其功能是难以完全完成的。针对应用传统模式开发服务器应用软件的弊端，提出了改进方案。 为克服传访问模式的弊端，做了以下两点改进。 采用套接字编程，实现部分服务器程序在客户端运行，在客户端浏览器实现动态网页显示实时数据。在改进方案中，实现动态数据的实时浏览采用了技术。 不再将语言写入汇编程序，在浏览器端解板成网页，而是利用嵌入式服务器扩展的 24256 与52 相连，用来存储要浏览的文件。当浏览器与服务器交互时，利用协议通过统一

13、资源定位器来确定服务 器应该为浏览器提供哪些资源。这种改进方案在访问模式上还是通过浏览器访问嵌入式服务器，在通信模式上却利用了模式，其于套接字来编程，即所谓的和相结合模式。图 5 为和结合模式的原理。通过方式访问服务器上的静态网页，在个网页中嵌有文件。客户端的浏览器浏览这个网页时，会把网页中标识的源程序下载到客 户端执行。在源程序中，创建了一个套接字来完成与服务器的通信前提是在服务 器上同时运行一个相应的服务器监听程序，主要是获取实时数据，用于在 浏览器中显示。事实上，中的通信是一个典型的访问方式。通过这种和相结合的访问方式，能够很好的实现实时数据的动态浏览。特别是这种实现方式秉承了和两者的优

14、点，具有很大的灵活性。以下是服务器与客户端通信具体实现过程。创建。用和设置服务器监听端口号，具体设为8080；用30设置服务器址，具体设为 1921681111。 将服务器设为监听状态，等待接收客户端连接。用函数建立被动连接代码如下_,#_；设置服务端口,#_；跳转到被动连接程序，进行端口侦听_,#_ 当的状态为时，双方连接建立，可以开始传输数据。此时产生新的套接字，用来管理远端客户机服务，原来的端口继续用来监听。 数据传输包括数据接收和数据发送的两问好。接收数据时，用函数获得接收到的数据字节数，根据得到的字节数多次调用函数接收数据，在全部数据接收完毕后可以在函数中做相应的处理发送数据时，首先调用函数设置要发送数据的字节数，根据此字节数调用函数发送数据，全部数据发送完毕后调用函数确认。其中采集的动态数据保存在变量 3 中。 当状态为时，服务器关闭连接，不再发送和接收数据。程序具体实现时，设定客户端和服务器端连接建立后，服务器端即向 客户端发送数据。3 结论本文所设计的嵌入式服务器，采用改进的应用程序开发模式， 用实现客户端程序，不用在客户端应用程序，方便用户使用；能取代传统 的工控机和接口卡，实现现场设备数据直接上网，小巧轻便，成本低。该服务器不仅可以广泛应用于工业控制领域，实现小型工业监测系统 网络化，还可以实现智能仪器、智能园区、环境工程、植物工厂、工业制 冷等方面的应用。