0、引 言
嵌入式系統(tǒng)是指被嵌入到各種產(chǎn)品或工程應(yīng)用中以微處理器或微控制器為核心的軟硬件系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)相結(jié)合,，形成的嵌入式 Internet技術(shù)是近幾年隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及而發(fā)展起來的一項新興技術(shù)。工程技術(shù)人員,、管理人員或調(diào)試人員通過Web而不用親臨現(xiàn)場就可以得到 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù),，并對測控儀器進(jìn)行控制、校準(zhǔn)等工作,。這里介紹利用嵌入式軟核處理器Nios II及廣泛應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)uClinux來實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的遠(yuǎn)程測控服務(wù)器的功能,。
1、功能及體系結(jié)構(gòu)
圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，其中嵌入式Web服務(wù)器和監(jiān)控端位于現(xiàn)場,，它們之間的連接可以用串行口、并行口,、USB等實現(xiàn)?，F(xiàn)場監(jiān)控端完成對目標(biāo)地區(qū)電網(wǎng)參數(shù)(電 壓、電流,、諧波等數(shù)據(jù))的檢測,，并將檢測結(jié)果實時傳送至web界面,，使得無論監(jiān)控人員在哪里，只要連接至Internet網(wǎng)絡(luò),，便可對目標(biāo)區(qū)域電網(wǎng)參數(shù)實 時觀測,。其實現(xiàn)過程是：三相電壓、電流分別通過電壓互感器,、電流互感器變換后,，經(jīng)電路調(diào)理送至AID轉(zhuǎn)換，每周期采樣128點,，DSP芯片對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行 FIR數(shù)字濾波,、FFT運(yùn)算、計算各參數(shù)值,、存儲,、顯示等操作。測量電路與Nios之間的通信通過串口傳輸,，根據(jù)事先約定的通信協(xié)議(基于Modbus協(xié) 議)可以方便地把所測數(shù)據(jù)發(fā)送至以Nios II處理器為核心的嵌入式服務(wù)器,。通過CGI技術(shù)，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控端的命令傳輸及將測量數(shù)據(jù)實時傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端,。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2,、硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件系統(tǒng)的核心是構(gòu)建于Ahera Cyclone FPGA中的Nios II嵌入式軟核處理器,。Nios II系列嵌入式處理器是一款通用的RISC結(jié)構(gòu)的CPU,，它定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。Nios II處理器系列包括了三種核心：快速的(Nios II／f),、經(jīng)濟(jì)的(Nios II／e)和標(biāo)準(zhǔn)的(Nios II／s)內(nèi)核,，每種都針對不同的性能范圍和成本而優(yōu)化。這三種核都使用共同的32位的指令集結(jié)構(gòu)(ISA),，都兼容二進(jìn)制代碼,。
圖2 硬件系統(tǒng)圖
對于Nios II的配置在SOPC Builder中完成。通過配置所需要的外部/內(nèi)部元件,，SOPC Builder將自動生成適合選定元件的CPU,，以符合系統(tǒng)的需求。16M的CF卡作為系統(tǒng)的外存儲器,，用來存儲測量數(shù)據(jù),，網(wǎng)頁文件和應(yīng)用程序。以太網(wǎng)接 口芯片采用的SMSC的Lan91cl11芯片,，這是一種非PCI接口的單芯片網(wǎng)絡(luò)控制器,，具有8k的FIFO，可以實現(xiàn)和8位、16位,、32位的CPU 接口,，廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中。
3,、軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示,。uClinux是一個完全符合GNU／GPL(通用公共許可證)公約的項目和完全開發(fā)代碼。它是標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個分支,，現(xiàn)在 由Lineo公司支持維護(hù),。它專門針對沒有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作,。uClinux For Nios是Microtronics公司專門針對Nios CPU 定制的uClinux操作系統(tǒng),，使用方便，不需要復(fù)雜的移植過程,，并自動地集成于Nios／Nios II的開發(fā)環(huán)境(IDE)中,。只要根據(jù)自身的需求對內(nèi)核和文件系統(tǒng)進(jìn)行配置即可，這里的WEB服務(wù)器,、TCP／IP協(xié)議棧及底層的接口驅(qū)動程序即是集成于 uClinux中的。除此之外,，自行編寫CGI腳本來實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)頁的功能,。CGI（Common Gate Interface)動態(tài)網(wǎng)關(guān)接口是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與WWW 服務(wù)器交互的一個標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展應(yīng)用程序可以處理客戶端(一般是WW W瀏覽器)輸入的協(xié)同工作數(shù)據(jù),，完成客戶端與服務(wù)器的交互操作,。可以編寫CGI外部擴(kuò)展程序來訪問外部數(shù)據(jù)系統(tǒng),，客戶端用戶可以通過它和WWW 服務(wù)器來進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢,。CGI可以由PERL、C及大部分的腳本語言來編寫,，不過由于是用于嵌入式系統(tǒng)中的程序,，而腳本語言又需要解釋器，故選擇C語言來 編寫CGI腳本比較合適,，還可節(jié)省很大的系統(tǒng)資源,。
圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖
3.1 uClinux操作系統(tǒng)內(nèi)核及文件系統(tǒng)的配置
(1) uClinux的內(nèi)核配置。內(nèi)核是一個操作系統(tǒng)的核心,，它負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程,、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序,、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。嵌入式 uClinux具有高度可靈活定制內(nèi)核，保持了Linux的源代碼公開,、穩(wěn)定,、可裁減大小等特性。這里采用Microtronix公司專門為 Nios／Nios II移植的uClinux1．3版本,，并根據(jù)需要進(jìn)行重新配置：在“Developing Board”選項中要選擇自己所用的開發(fā)板,，添加CF卡作為系統(tǒng)的硬盤等。
(2) 文件系統(tǒng)配置,。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分,。對用戶而言，文件系統(tǒng)也是操作系統(tǒng)中最直接可見的部分,，它負(fù)責(zé)管理外存上的文件,，并為操作系統(tǒng)和用戶提 供文件的存取、共享和保護(hù)等功能,。這里要在文件系統(tǒng)配置中,，選中Install Minimal、然后增加agetty,、boa,、dhcpcd、ftpd,、inetd,、init、ping,、route和telnetd等選項,。
3.2 Web服務(wù)器配置
圖4 WEB 服務(wù)器工作流程
本文所使用的Web Server為Boa，它是一個單任務(wù)的http服務(wù)器,，源代碼開放,、性能高、速度快,。其工作流程如圖4所示,。目前，uClinux的代碼中已經(jīng)包含 Boa的源代碼,，在uClinux下實現(xiàn)Boa,，需要對Boa做一些配置和修改。配置Boa包括以下幾個步驟：
(1) 打開所建立文件系統(tǒng)中的“／target／etc／config”文件夾中的“boa．conf’文件,。
(2) 將“ChRoot”更改為“／mnt／ide0／www”,，其目的是將CF卡上面的“www”文件夾作為Web Server的主文件夾。鍵入系統(tǒng)IP時,，服務(wù)器自動解析為在此目錄內(nèi)尋找名為“index．htm”的網(wǎng)頁,，也就是本設(shè)計的主頁,。
(3) 在“SeriptAlias”選項中添加命令：“ScriptAlias／mnt／ide0／www／cgi-bin／／cgi-bin／"，其目的是將 前面的具有完整路徑的文件夾的地址映射為后一個文件夾,，一是可以省去在地址欄內(nèi)輸入地址的很多時間,，方便用戶操作；二是增加了系統(tǒng)的保密性和安全性,。其他 選項可以選擇默認(rèn)選項,。
(4) 保存配置好的文件。當(dāng)下載文件系統(tǒng)后,，要在“／mnt／ide0／www”文件中,，建立“csi-bin”目錄來存放CGI腳本文件。
3.3 CGI程序設(shè)計
CGI程序使用C語言編寫,，內(nèi)嵌html腳本,，所以當(dāng)CGI執(zhí)行的時候，即可以完成對特定端口的操作,，又可以將其返回的結(jié)果顯示在網(wǎng)頁上供監(jiān)控人員查看,。 具體操作是：首先，CGI腳本采用GET的方式,，接收Web Server解析的從網(wǎng)頁所傳輸過來的“QUERY_STRTING”,，它代表的是用戶的監(jiān)控命令。接到命令后,，CGI程序?qū)⒚钭g碼后傳送到串口,，向現(xiàn) 場監(jiān)控模塊發(fā)送采集命令，并接受其傳回來的采集結(jié)果,，并迅速傳到監(jiān)控用戶所瀏覽的Web界面,。需要注意的是,，在編寫過CGI程序并成功編譯后,，要將其移動 至CF卡相關(guān)目錄，也就是上面所介紹的Boa Web Server所設(shè)置的“www／csi-bin”中,，并將其后綴更改為“.cgi”,，屬性改為“可執(zhí)行”，這樣,，Web Server才可以正確識別并執(zhí)行此CGI程序,。
圖5 顯示實時測量結(jié)果的網(wǎng)頁畫面
4、結(jié)論
本文將嵌入式系統(tǒng)與Internet技術(shù)相結(jié)合,，在FPGA上開發(fā)了一個嵌入式WEB服務(wù)器,，并與電網(wǎng)參數(shù)測量儀器相結(jié)合，構(gòu)成遠(yuǎn)程電網(wǎng)參數(shù)測量系統(tǒng),，為電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化管理提供了技術(shù)支持,，具有很好的應(yīng)用前景,。