陳業(yè)慧，于玉亭，劉毅強（安徽新華學院，安徽 合肥 230088）

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基于嵌入式設備的移動互聯(lián)設備硬件設計與實現(xiàn)

陳業(yè)慧，于玉亭，劉毅強
（安徽新華學院，安徽 合肥 230088）

摘 要：企業(yè)網絡主要是借助企業(yè)管理和決策來實現(xiàn)對信息網絡的處理，以及對處理現(xiàn)場的實施監(jiān)測控制網絡兩個部分構成.信息網絡屬于企業(yè)網絡的上層結構，主要處理較大量和變化性強的信息特點；網絡的控制主要采用現(xiàn)場總線技術，對處于企業(yè)低層的、實時的現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行器等設備的現(xiàn)場信息，有著協(xié)議簡單、安全性高一級容錯性強以及成本低的特點.當前使用最為廣泛的是PROFIBUS現(xiàn)場總線，對企業(yè)的現(xiàn)場控制器和執(zhí)行機構之間產生通信，實現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場低層控制網絡的建構.

關鍵詞：嵌入式設備；移動互聯(lián)設備；硬件設計；實現(xiàn)

互聯(lián)網快速發(fā)展以及PROFIBUS現(xiàn)場總線技術在生產以及經營中的應用實現(xiàn)了企業(yè)對信息的共享和控制的一體化.利用互聯(lián)網可以實現(xiàn)PROFIBUS現(xiàn)場總線設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展必然趨勢.其在快速的發(fā)展中逐漸走向成熟的嵌入技術已經成為PROFIBUS遠程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的方向，基于嵌入式Web技術的遠程監(jiān)控方式必然會成為我國未來的發(fā)展方向之一.使用嵌入式技術將PROFIBUS現(xiàn)場中的總線和互聯(lián)網進行連接，具有開放性的互聯(lián)網中各種安全性問題也隨之而來，例如可能會遭到黑客的非法侵襲以及非法操作等安全問題.安全問題對于工控網絡來講是安全中最為關鍵的，如果不能將這一問題解決，將會帶來十分嚴重的后果，因此不能將PROFIBUS盲目的介入互聯(lián)網中.不能將成熟的PC安全策略直接搬用在嵌入式設備中，需要根據實際應用的場景來實現(xiàn)，并提出合理的安全策略.［1］

1 嵌入式Web網關硬件設計和軟件開發(fā)

在嵌入式網關系統(tǒng)的設計中，硬件平臺的設計較為重要，硬件平臺的安全性、可靠性、穩(wěn)定性等關系著整個系統(tǒng)的可靠運行.只有將硬件平臺實現(xiàn)良好的建立才能在其上實現(xiàn)軟件系統(tǒng)和程序的添加，真正實現(xiàn)網關的功能，例如協(xié)議轉換和安全功能等.

當前快速發(fā)展的微電子技術使得很多體積小、功能強、速度快的微處理器芯片應用在硬件系統(tǒng)的設計開發(fā)中.目前主要的嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、PC系列、X86和Super系列等.在RIS基礎上進行架構的ARM微處理器指令的執(zhí)行效率較高，如見操作平臺建立較為簡單，同時還具有豐富的外圍擴展電路功能，對多種任務要求實現(xiàn)滿足.采用ARM技術構架嵌入式的Web網關是一種可行性較高的方案.［2］

基于PROFIBUS-DP的嵌入式Web網關的數(shù)據要經過以下過程：用戶在胡亮網上向嵌入式的網關發(fā)送操作現(xiàn)場設備的請求，網關將該請求進行處理后，發(fā)到連接在PROFIBUS-DP的現(xiàn)場設備上，隨后現(xiàn)場設備對請求進行響應，先將相應設備的數(shù)據傳回網關，隨后網關將此數(shù)據進行處理隨后再將處理后的數(shù)據傳回至客戶端.依據該網關的數(shù)據傳輸方向該網關首先需要對互聯(lián)網和PROFIBUS-DP之間的連接，實現(xiàn)以上設備的總線應將接口和處理數(shù)據的處理器之間的連接，隨后將具備網關的最基本電源電路、存儲器等實現(xiàn)連接.

電源電路中電源系統(tǒng)主要用來產生網關工作中需要的三種電壓：3.3伏、1.8伏和1.25伏，網關電源接口外接電壓為5伏電壓，在專門的電壓降壓芯片系統(tǒng)作用下產生系統(tǒng)需要的電壓值.復位電路，網關的復位電路使用專業(yè)的復位芯片，實現(xiàn)網關處理器需要的低電壓平復位，實現(xiàn)系統(tǒng)上的電復位和工作中的按鍵復位.SDRAM，其是同步動態(tài)隨機存儲器，相當于網關系統(tǒng)的內存.網關系統(tǒng)在啟動中，將可執(zhí)行的程序從FLASH中搬移到SDRAM對應的地質中，隨后再從SDREM的程序入口對程序進行執(zhí)行，這樣網關系統(tǒng)得以正常運行.FALSH，主要利用非易失特性，對可執(zhí)行程序的網關系統(tǒng)進行儲存，其中包含了BootLoader程序、內核代碼和應用程序代碼等.網關接口，網關的網絡接口的主要作用是將網關在網線的接通中連入互聯(lián)網中，在設計中主要使用的是DM9000網卡芯片，該芯片是一種高集成度、滿足成本效益的高速太網控制器，對自適應的10/100M網絡進行適應.在RJ45接頭的直接使用中將普通的網線嵌入網關連接的路由器或是在交換機的作用下介入互聯(lián)網.串門，PROFIBUS-DP的物理層符合RS485標準，嵌入式網管在9針的D-sub型練級誒器的作用下介入PROFIBUS-DP系統(tǒng)中.JTAG接口，剛剛制作好的開發(fā)板中沒有任何程序存在，此時需要使用JTAG接口來實現(xiàn)首個程序的書寫，同時JTAG接口還能負責將JLINK的仿真器實現(xiàn)連接，用于嵌入式的開發(fā)和調試中.［3］

2 嵌入式Linux系統(tǒng)

在嵌入式設備中所有使用的系統(tǒng)都被稱作嵌入式操作系統(tǒng)，其中通常會包含內核、底層相關的驅動軟件、通信協(xié)議、圖形界面等.嵌入式操作喜用負責者整個嵌入式系統(tǒng)軟件、硬件資源的配比、調度任務、控制和發(fā)生活動中，它對軟硬件的整合性和協(xié)調性都進行了強調.在軟硬件的裁剪中體現(xiàn)系統(tǒng)的特征，滿足不同系統(tǒng)之間的需求.

當前的嵌入式操作系統(tǒng)種類十分多，主要包括了PalmOS、WindowsCE、QNX、Linux等.高端嵌入式操作系統(tǒng)需要多種高級功能，例如用戶界面和網絡支持.多數(shù)的高端實時操作系統(tǒng)供應商已經滿足了以上這些功能，但是價格同時十分高昂.嵌入式Linux系統(tǒng)在開發(fā)后受到了廣大用戶的歡迎，由于其開放源代碼的易得性以及系統(tǒng)的強大性，嵌入式Linux系統(tǒng)已經成為了侵入式操作系統(tǒng)中比較優(yōu)秀的解決方案.［4］

2.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植

嵌入式Linux操作系統(tǒng)根據軟件的層次主要可以被分為三個主要部分：加載引導程序、Linux內核、根文件系統(tǒng)，在嵌入式Web網關上嵌入Linux操作系統(tǒng)的移植主要和以上三部分相關.嵌入式Linux操作系統(tǒng)中的典型結構可以由下圖1進行表示，其中引導參數(shù)為Boot parameters，主要起著關鍵的橋梁作用，對Boot Loader引導程序和內核進行聯(lián)系，Boot Loader中將引導參數(shù)和全局變量表示在Boot parameters中.

圖1 嵌入式Linux系統(tǒng)的分區(qū)結構

3 網關嵌入式服務器的設計和實現(xiàn)

3.1 網關嵌入Web網關的設計方案

PROFIBUS-DP每段可以最多可以實現(xiàn)32個站點的連接，在中繼器的幫助下可以增加段數(shù)，距離也能實現(xiàn)10km的延長，總線上的數(shù)量可以多達127個，其中將1類主站和2類主站除去，最多可以對125個設備進行監(jiān)控，因此必須設計出科學、合理操作性強的網頁界面，這樣管理人員在觀看PROFIBUS總線中才能將任意的設備秩序中選擇適應的設備名，并通過表單進行提交請求；設計的嵌入式Web服務器需要具備動態(tài)性的互操作性，需要對用戶的動態(tài)需求進行生成，并且實現(xiàn)對設備狀態(tài)的實時反映，完成信號采集、信號報警以及操作的執(zhí)行結果等，普通的嵌入式Web服務不能滿足這種特殊的請求，需要提供一種特殊手段對應用程序進行擴展，實現(xiàn)用戶和設備之間的復雜交互；在PROFIBUS-DP工控網絡中，完全是極為重要的問題，因此設計的嵌入式Web服務器功能中必須實現(xiàn)對關鍵信息的訪問，組間狀態(tài)以及配置等操作實現(xiàn)嚴格認證，進一步保護嵌入式設備的安全.［5］

應用程序接口模式可以實現(xiàn)和嵌入式應用系統(tǒng)的數(shù)據交換，嵌入式Web服務器中，應用程序接口和嵌入式操作系統(tǒng)的通信，對CGI系統(tǒng)進行調用，該系統(tǒng)按照其自身的規(guī)范來對Web服務器傳遞來的各種信息進行讀取，對客戶端的請求進行解釋和處理，同時將嵌入式數(shù)據庫中運用用戶身份認證和總線上的設備信息交互等，最后將處理結果按照CGI的規(guī)范返回到Web服務器中.這還少嵌入式Web服務器軟件的核心.

圖2 嵌入式Web網關的結構示意圖

3.2 嵌入式Appweb服務器的移植

在網站 http：//appwebserver.org上實現(xiàn)源碼 appweb-src-3.4.2的下載，并在宿主機上進行解壓，在終端對配置參數(shù)進行修改和執(zhí)行./configure --host=arm-s3c2410-linux

--build=i686-pc-linux …….--port=80 --with-cgi= builtin --with-ssl=builtin

--with-matrixssl=builtin …… --prefix=/mnt/appweb--webDir=/var/web

--with-matrixssl=/home/chaidan/桌 面 /appweb+matrixssl/matrixssl-1.8.3/matrixssl.以上配置的參數(shù)需要移植到開發(fā)板的處理器，型號為ARM架構的S3C2410，或是移植在S3C2410上也可以實現(xiàn)工作.

當Configure成功執(zhí)行后，可以生成文件Makefile，在終端運行的make命令中，完成編譯，完成后，將appweb-3.3.2目錄中的bin、lib、modules生成文件夾arm-s3c2410-linux，在目中包含了可執(zhí)行的文件夾、庫文件以及模塊等.隨后執(zhí)行安裝，完成安裝.

4 小結

21世紀是信息化的社會，信息在各行各業(yè)的生存和發(fā)展中都具有重要的作用.［6］及時全面的掌握信息就能在競爭激烈的環(huán)境中實現(xiàn)生存和發(fā)展，只有依靠對信息數(shù)據的分析才能展開有效決策.

參考文獻：

〔1〕梅海軍.基于“藍牙”技術的嵌入式終端設備開發(fā)及硬件實現(xiàn)［D］.重慶郵電學院，重慶郵電大學,2004.11-42.

〔2〕胡安揚.基于WIFI的嵌入式設備組網設計與數(shù)據庫緩存技術研究［D］.北京郵電大學,2015.12-34.

〔3〕董玉明.基于ARM11的移動互聯(lián)設備硬件設計與實現(xiàn)［D］.西安電子科技大學,2010.13-32.

〔4〕尹航.基于DSP的嵌入式智能交通監(jiān)控系統(tǒng)前端設備設計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱工程大學,2011.20-38.

〔5〕孫華敏.面向設備監(jiān)測的嵌入式數(shù)采分析系統(tǒng)軟硬件設計與實現(xiàn)［D］.北京交通大學,2014.21-37.

〔6〕郭曉波.基于嵌入式ARM與Linux的手持設備的音視頻無線通信系統(tǒng)研究［D］.武漢紡織大學,2014.23-45.

中圖分類號：TP319.1

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）05-0009-02

收稿日期：2016-01-06