原创 远程测控中嵌入式Web服务器的FPGA实现

0、引 言
   
    嵌入式系统是指被嵌入到各种产品或工程应用中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Internet技术相结合，形成的嵌入式Internet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。工程技术人员、管理人员或调试人员通过Web而不用亲临现场就可以得到远程数据，并对测控仪器进行控制、校准等工作。这里介绍利用嵌入式软核处理器Nios II及广泛应用的嵌入式操作系统uClinux来实现电网参数的远程测控服务器的功能。
    
1、功能及体系结构
   
    图1是系统结构，其中嵌入式Web服务器和监控端位于现场，它们之间的连接可以用串行口、并行口、USB等实现。现场监控端完成对目标地区电网参数(电压、电流、谐波等数据)的检测，并将检测结果实时传送至web界面，使得无论监控人员在哪里，只要连接至Internet网络，便可对目标区域电网参数实时观测。其实现过程是：三相电压、电流分别通过电压互感器、电流互感器变换后，经电路调理送至AID转换，每周期采样128点，DSP芯片对采样数据进行FIR数字滤波、FFT运算、计算各参数值、存储、显示等操作。测量电路与Nios之间的通信通过串口传输，根据事先约定的通信协议(基于Modbus协议)可以方便地把所测数据发送至以Nios II处理器为核心的嵌入式服务器。通过CGI技术，完成远程监控端的命令传输及将测量数据实时传送至远程监控端。

                  
                           图1 系统结构图

2、硬件结构
   
    系统的硬件结构如图2所示。硬件系统的核心是构建于Ahera Cyclone FPGA中的Nios II嵌入式软核处理器。Nios II系列嵌入式处理器是一款通用的RISC结构的CPU，它定位于广泛的嵌入式应用。Nios II处理器系列包括了三种核心：快速的(Nios II／f)、经济的(Nios II／e)和标准的(Nios II／s)内核，每种都针对不同的性能范围和成本而优化。这三种核都使用共同的32位的指令集结构(ISA)，都兼容二进制代码。

         
                        图2 硬件系统图

    对于Nios II的配置在SOPC Builder中完成。通过配置所需要的外部/内部元件，SOPC Builder将自动生成适合选定元件的CPU，以符合系统的需求。16M的CF卡作为系统的外存储器，用来存储测量数据，网页文件和应用程序。以太网接口芯片采用的SMSC的Lan91cl11芯片，这是一种非PCI接口的单芯片网络控制器，具有8k的FIFO，可以实现和8位、16位、32位的CPU接口，广泛地应用于嵌入式系统设计中。
    
3、软件结构
   
    系统软件结构如图3所示。uClinux是一个完全符合GNU／GPL(通用公共许可证)公约的项目和完全开发代码。它是标准Linux的一个分支，现在由Lineo公司支持维护。它专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。uClinux For Nios是Microtronics公司专门针对Nios CPU 定制的uClinux操作系统，使用方便，不需要复杂的移植过程，并自动地集成于Nios／Nios II的开发环境(IDE)中。只要根据自身的需求对内核和文件系统进行配置即可，这里的WEB服务器、TCP／IP协议栈及底层的接口驱动程序即是集成于uClinux中的。除此之外，自行编写CGI脚本来实现动态网页的功能。CGI（Common Gate Interface)动态网关接口是外部扩展应用程序与WWW 服务器交互的一个标准接口。按照CGI标准编写的外部扩展应用程序可以处理客户端(一般是WW W浏览器)输入的协同工作数据，完成客户端与服务器的交互操作。可以编写CGI外部扩展程序来访问外部数据系统，客户端用户可以通过它和WWW 服务器来进行数据查询。CGI可以由PERL、C及大部分的脚本语言来编写，不过由于是用于嵌入式系统中的程序，而脚本语言又需要解释器，故选择C语言来编写CGI脚本比较合适，还可节省很大的系统资源。

                       
                       图3 软件结构图

3.1 uClinux操作系统内核及文件系统的配置

    (1) uClinux的内核配置。内核是一个操作系统的核心，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。嵌入式uClinux具有高度可灵活定制内核，保持了Linux的源代码公开、稳定、可裁减大小等特性。这里采用Microtronix公司专门为Nios／Nios II移植的uClinux1．3版本，并根据需要进行重新配置：在“Developing Board”选项中要选择自己所用的开发板，添加CF卡作为系统的硬盘等。
   
    (2) 文件系统配置。文件系统是操作系统的重要组成部分。对用户而言，文件系统也是操作系统中最直接可见的部分，它负责管理外存上的文件，并为操作系统和用户提供文件的存取、共享和保护等功能。这里要在文件系统配置中，选中Install Minimal、然后增加agetty、boa、dhcpcd、ftpd、inetd、init、ping、route和telnetd等选项。
    
3.2 Web服务器配置

                                
          图4 WEB 服务器工作流程

    本文所使用的Web Server为Boa，它是一个单任务的http服务器，源代码开放、性能高、速度快。其工作流程如图4所示。目前，uClinux的代码中已经包含Boa的源代码，在uClinux下实现Boa，需要对Boa做一些配置和修改。配置Boa包括以下几个步骤：
   
    (1) 打开所建立文件系统中的“／target／etc／config”文件夹中的“boa．conf’文件。

    (2) 将“ChRoot”更改为“／mnt／ide0／www”，其目的是将CF卡上面的“www”文件夹作为Web Server的主文件夹。键入系统IP时，服务器自动解析为在此目录内寻找名为“index．htm”的网页，也就是本设计的主页。
   
    (3) 在“SeriptAlias”选项中添加命令：“ScriptAlias／mnt／ide0／www／cgi-bin／／cgi-bin／"，其目的是将前面的具有完整路径的文件夹的地址映射为后一个文件夹，一是可以省去在地址栏内输入地址的很多时间，方便用户操作；二是增加了系统的保密性和安全性。其他选项可以选择默认选项。
   
    (4) 保存配置好的文件。当下载文件系统后，要在“／mnt／ide0／www”文件中，建立“csi-bin”目录来存放CGI脚本文件。
    
3.3 CGI程序设计
   
    CGI程序使用C语言编写，内嵌html脚本，所以当CGI执行的时候，即可以完成对特定端口的操作，又可以将其返回的结果显示在网页上供监控人员查看。具体操作是：首先，CGI脚本采用GET的方式，接收Web Server解析的从网页所传输过来的“QUERY_STRTING”，它代表的是用户的监控命令。接到命令后，CGI程序将命令译码后传送到串口，向现场监控模块发送采集命令，并接受其传回来的采集结果，并迅速传到监控用户所浏览的Web界面。需要注意的是，在编写过CGI程序并成功编译后，要将其移动至CF卡相关目录，也就是上面所介绍的Boa Web Server所设置的“www／csi-bin”中，并将其后缀更改为“.cgi”，属性改为“可执行”，这样，Web Server才可以正确识别并执行此CGI程序。

                      
            图5 显示实时测量结果的网页画面

4、结论
   
    本文将嵌入式系统与Internet技术相结合，在FPGA上开发了一个嵌入式WEB服务器，并与电网参数测量仪器相结合，构成远程电网参数测量系统，为电网系统网络化管理提供了技术支持，具有很好的应用前景。