基于Cortex-M3內核處理器的嵌入式Web服務器設計

　　引言

　　目前，網絡化控制己成為遠程控制的主要研究方向，利用網絡實現對局域乃至全球范圍內設備的監控是工業控制系統的發展趨勢[1]。嵌入式Internet遠程監控技術作為網絡化控制的代表，它解決了工業控制領域中異構網絡互聯問題，提高了傳統裝備的智能化水平，促進了傳統產業結構的調整。嵌入式Web服務器尤其適用于嵌入式Internet應用，它通過Ethernet或Modem的連接可以輕松連接到任何網絡，真正實現對設備的遠程管理和控制。

　　實現方案

　　嵌入式Web服務器必須具備的基本功能包括：可控制與其連接的設備并獲取設備的狀態和數據;現場信息可以網頁形式發布;可及時響應遠程用戶的控制命令。此外，嵌入式設備應具有功能簡單、功耗低和便攜等特點。為此，筆者設計的系統如圖1所示。

　　圖1 系統框圖

　　本系統采用了ST公司的Cortex-M3內核的STM32微處理器STM32F103RB。該芯片屬于STM32系列的增強型，提供多達128KB的片內Flah、20KB的RAM和豐富的外設接口。Cortex-M3內核在設計上專門考慮了滿足集功耗低、實時性強的工業級嵌入式產品領域的特點。在性能相同的條件下，STM32產品功耗比同級別產品要低75%，工作環境溫度達105℃。因為集成度很高，除一個電源外，LQFP100封裝芯片的最小系統只需要外接7個電容即可。

　　TCP/IP協議棧由W5100來支持，它集TCP/IP協議棧、以太網MAC和PHY為一體，其內部16KB的發送/接收緩沖區可快速進行數據交換，最大通信速率達到25Mbps;內嵌10BaseT/100BaseTX以太網物理層，支持自動應答;提供多種總線接口方式，可以很方便地與各種MCU連接，簡化了硬件電路設計，使嵌入式系統在沒有操作系統的支持下，真正實現單芯片接入因特網的理想。

　　為減少PCB板面積和布線復雜性，考慮到系統的數據傳輸率要求不高，選擇SPI接口作為STM32F103RB和W5100的連接方式。STM32F103RB、W5100和RJ45接口構成一個典型的嵌入式Web服務器。

　　作為一個應用實例，本設計利用STM32F103RB的片上ADC和GPIO，將服務器與LED和壓力傳感器相連，一旦服務器接收到來自瀏覽器端的連接請求，服務器將及時響應，將當前的壓力參數、LED狀態和溫度等信息嵌入到Web頁面并發布到網上，這樣現場的各種信息就呈現在瀏覽器。此外，用戶通過網頁上的控制按鈕可以遠程控制LED狀態，操作結果能及時反饋在網頁上。

　　硬件設計

　　圖2為嵌入式Web服務器的簡化電路圖，主要顯示了構成服務器的三個核心器件的連接方式。RJ45接口是帶有網絡變壓器的物理層接口。在W5100中，通過將SEN引腳經10KΩ電阻上拉到高電平以使能其處于SPI從模式。CS為片選，MISO和MOSI為兩條數據傳輸線。W5100的SPI工作時鐘由處于主模式的STM32F103RB提供。為方便STM32F103RB判斷W5100的工作狀態，必須將W5100的中斷引腳INT與STM32F103RB的外部中斷線相連接。W5100的第5、6、8和9引腳是PHY信號線，用于與RJ45接口相連接。除電源相關引腳外，W5100的其它引腳可以選擇置空。