基于W3150A＋的嵌入式Web服务器设计

引言

    通过以太网进行传输已经成为一种经济、有效的数据传输方式。越来越多的工业测控设备需要配置网络接入功能，不仅需要通过以太网来实现各类设备间数据的传输，而且需要通过浏览器来实现人与设备的交互，从而对设备进行远程监测、远程控制、远程维护和管理。内嵌于设备的Web服务器可以提供统一的基于浏览器方式的操作和控制界面，界面直观易操作，大大降低了软件系统和通信系统的设计、维护工作量，节省了人员培训费用，提高了现场监测和控制设备的管理水平。

1关键器件的选择

    要实现Web服务器功能，需要一个可实现的TCP／IP协议栈，同时还需要一款与以太网的速度相匹配的高性能处理器。

    W3150A+芯片是一款TCP／IP硬协议栈芯片，为高速的Internet连接提供了一种简易、低成本的解决方案。W3150A+芯片包含TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP和PPPoE等协议，内部有用来收发数据的内存空间16 KB；它提供了3种接口——直接的、间接的和SPI，同时可支持4个独立的SOCKET，每个SOCKET具有2 KB的缓冲区。

    LPC2292微控制器是一款由PHILIPS公司设计的基于ARM7TTDMI-S核的16／32位RISC处理器，可实现最大为60 MHz的CPU操作频率，内部具有16 KB的RAM，128／256 KB片内FLASH程序存储器，具有可配置的外部8／16／32位总线，可进行外部RAM扩展。

2嵌入式Web服务器硬件设计

    系统硬件结构框图如图1所示。图中仅给出了与Web服务器相关的部分，电源、键盘等电路省略。

    系统选择频率为12 MHz的晶振，设定LPC2292内部PLL为4倍频的工作频率，设定数据总线为16位与RAM进行接口，RAM选用2片IS61LV51216，为512K×16位的RAM。LPC2292通过8位数据总线对芯片W3150A+进行读写，芯片W3150A+通过MII(Media Independent Interface)接口连接到RTL8201。

    当网络上数据到达芯片RTL8201时，通过MII接口到达芯片W3150A+。芯片W3150A+自动完成TCP／IP协议转换，把数据接收到它的硬件缓冲区，并产生中断通知LPC2292来读取硬件缓冲区数据，至此便完成1包网络数据的接收。

   当通过网络发出1包数据时，LPC2292将RAM中准备好的数据写入W3150A+硬件发送缓冲区，通过发送指令，W3150A+通过MII接口发送到RTL201上，完成数据的发送。发送完成后产生中断，通知LPC2292发送完毕。

3嵌入式Web服务器软件设计

    实现原理：首先要实现W3150+芯片TCP／IP驱动接口，在建立TCP连接时装置作为TCPServer端，端口使用80，然后，在此基础上采用HTTP协议，在HTTP协议基础上采用HTML语言实现所要描述的网页功能。应用时通过浏览器与Web服务器建立的TCP连接进行信息解析、交互，以实现从网页上进行参数的配置、修改、程序在线升级与重新启动等。

    由于系统应用中关于Web的应用不是很复杂，故在本设计中未采用文件系统，所有网页的数据都保存在RAM中。大约分配20 KB的RAM，通过重复利用此空间即可完成网页的浏览与配置等操作。

    具体实现内容：TCP／IP的驱动接口实现；HTTP协议的实现；HTML语言的网页设计；Web服务器的应用层实现；权限管理。

3.1TCP／IP的驱动接口的实现

    驱动接口主要有：

其函数原型及代码实现可参考芯片W3150A+的数据手册。

 3.2 HTTP协议的简介与实现

(1) HTTP协议简介

①HTTP请求：

其中，GET／HTTP信息最为关键，此即为HTTP请求信息。

②HTTP应答：

    当装置收到请求报文后就进行应答，一般都处理为正确应答。类似报文如下：

    此报文表示：应答正确，内容类型为html语言，报文长度为23 056，正文就是网页内容。

③浏览器POST：

    用于浏览器客户端与Web服务器的信息交互。类似报文如下：

其中，IPladdr=192．100．20．50&IP2addr=192．100．1．200&…为POST提交的表单正文。解析时，“IPladdr”为变量名，“=192．100．20．50”为变量值，“&”为变量分割符。据此可以得到从浏览器上输入的参数值。

(2)HTTP协议的实现

    根据HTTP报文的特点，即HTTP请求、POST提交表单参数、HTTP应答等，提供解析函数：

bool HttpStringParse(uchaI*recvBuff)；

    对接收到的数据缓冲区recvBuff进行解析，以得知是HTTP请求还是POST提交参数，然后根据情况进行HTTP应答。

    提交的表单参数解析则根据分隔符&对变量及变量值进行处理。

    Web服务器在响应某浏览器的请求后应及时关闭其TCP连接，以便其他浏览器能够访问此Web服务器。

    为了编程方便，提供以下宏定义供参考：

其中：

HTTP_ACK_HEAD为Web服务器收到HTTP请求时进行响应的正确应答头。

HTTP_ACK_CONT_TYPE为通知浏览器Web服务器的应答报文格式为HTML格式。

HTTP_ACK_CONT_LEN为Web服务器的报文长度。此长度必须与正文长度保持一致。

HTTP_ACK_CONNECT用于Web服务器在响应某浏览器的请求后关闭其TCP连接。

3.3 HTML语言编写网页

    由于未采用文件系统，系统的网页内容也不多，因此可以开辟1片RAM区，根据应用需要适当分配Web缓冲区。本应用中分配了20K WebBuf[]。

    网页的内容以字符串的形式保存在WebBuf[]中，在需要响应时，按HTTP协议输出RAM内容。

    HTML语言教程，可参考Internet网上资料。

    由于没有文件系统，所有网页都是以数据(字符数组)的形式存放在RAM中的。当有超链接请求时，再重新生成响应数据同时刷新WebBuf[]。

    这里提供一个简单的函数以实现html语言的编辑功能，供参考。

    此函数实际上是利用sprintf()把html语言写的字符串存入RAM缓冲区WebBuf[]，并得到数据正文的长度。以同样方法，将html语言网页中的其他内容全部利用sprintf()函数写入WebBuf[]缓冲区。

 3.4 Web服务器的应用层实现

    本应用中使用μC／OS-II操作系统，建立一个任务taskWebServer()来实现相关Web的应用，负责管理Web相关处理事务，如浏览器的访问请求、浏览器的参数提交等。

    流程如图2所示，任务taskWebServer()等待接收到报文事件的触发，未接收到浏览器请求时处于挂起状态。当taskWebServer()收到HTTP请求后进行报文解析，成功解析后根据报文类型进行相应的处理。输出网页时，先进行应答头的处理，然后紧跟着的是Web正文数据，此正文数据由HTML语言构成。在处理完成后对Flag标志复位，使任务taskWebServer()重新处于挂起状态，等待下一次浏览器请求或提交参数处。

3.5权限管理

    在应用中往往需要对访问或参数的设置进行权限管理。提供密码机制是最简单有效的手段。可以在代码中加入JavaScript脚本。

    用一些较简单的JavaScript脚本实现一些控制功能。此方面可参考一些相关资料。

4系统的扩展设计及延伸

    当使用软协议栈实现TCP／IP方式时，对嵌入式处理器提出了更高的要求。对于8／16位单片机，由于其所具有的资源和处理能力有限，不能保证最基本功能的TCP／IP协议栈和嵌入式操作系统的有效运行。

    选用W3150A+芯片来实现TCP／IP协议栈，可以大大降低主控微处理器在处理TCP／IP软协议栈时的CPU消耗，以充分发挥微处理器对其他相关应用的处理能力。即使采用普通的单片机，也可满足一般的应用需求。

    当整个系统应用不复杂时也可不采用嵌入式操作系统，以简化软件架构和缩短软件的开发周期。

结语

    基于芯片W3150A+实现的Web服务器功能，缩短了软件的开发周期并降低了TCP／IP的实现难度。嵌入式操作系统和高性能的ARM处理器相配合，充分发挥了系统的各方面性能。

    对于一些不复杂的Web应用，不采用文件系统而采用RAM缓冲区的方法可以很好地实现Web服务器功能。在PC电脑上，通过在IE浏览器的地址栏中输入装置的IP地址，可以访问该装置，显示其运行参数、软件版本，并进行参数的配置或一些必要的说明，等等。