鄭伊喬+鄭全錄+郭永鋒+夏輝麗

摘 要：目前，單片機、計算機網(wǎng)絡實驗大多采用的是實物儀器，如果設計方案有誤或需要調(diào)整，則會浪費較多的時間和經(jīng)濟成本。在此利用Proteus+WinAVR+WinPcap等仿真軟件設計了嵌入式以太網(wǎng)Web服務實驗。實踐結果表明，基于Proteus的虛擬實驗實現(xiàn)了PC機IE瀏覽器訪問嵌入式以太網(wǎng)Web服務。通過該實驗不僅可以掌握單片機、網(wǎng)卡、Web服務等知識，還可以節(jié)省大量的硬件制作、調(diào)試時間，節(jié)省硬件的經(jīng)費投入，從而為實踐教學提供了一種新的現(xiàn)代化手段，有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

關鍵詞：單片機；計算機網(wǎng)絡；Web服務；虛擬實驗室

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.060

嵌入式系統(tǒng)一般包括硬件制作、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。如果設計方案有誤或需要調(diào)試，則需要花費較多的時間和較高的經(jīng)濟成本。本文不需要使用額外的硬件，借助現(xiàn)有的軟件建立了基于Proteus的網(wǎng)絡虛擬實驗，以研制電機控制在線遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括單片機模塊、監(jiān)控終端模塊、電機模塊和以太網(wǎng)通信模塊等。下面，主要介紹了單片機以太網(wǎng)通信模塊在Proteus 環(huán)境下虛擬實驗的設計和實現(xiàn)過程。

1 虛擬實驗設計架構

目前，很多客戶/服務器（B/S）項目都是采用PC計算機進行Web網(wǎng)絡遠程數(shù)據(jù)傳送和控制的，但也有很多項目僅需要Web的一部分功能。為了降低成本，人們提出了無線、紅外、藍牙等技術，但這些技術都存在監(jiān)控距離短的缺點。采用嵌入式微處理器，并為其加上TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議功能已經(jīng)成為了網(wǎng)絡發(fā)展新階段的標志。例如，對大學園區(qū)內(nèi)遠程電機、照明、空調(diào)等電力設備的監(jiān)控。

該項目主要是基于AVR128+RTL8019設計的嵌入式Web服務，利用IE瀏覽器，單擊所設計Web頁中的超鏈接，可以實現(xiàn)用戶密碼設置、電機的啟動與停止、電器運行狀態(tài)的監(jiān)控，并將采集到的信息反饋到IE網(wǎng)頁等。本文的任務是使用計算機網(wǎng)絡硬件平臺（或一臺計算機）、一套仿真軟件構建一個IE瀏覽Web服務環(huán)境，以虛代實，以軟代硬，就相當于一個設備齊全的實驗室。

Proteus軟件是著名的EDA工具軟件，它支持8051、AVR、ARM等處理器和周邊設備，支持AVR、Keil等多種第三方編譯器。同時，其內(nèi)置多種元器件（數(shù)字的、模擬的、交流的和直流的），比如門電路、存儲器、運算器、放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、二極管、三極管，電阻、電容和光電器件等，多種輔助儀器儀表，比如虛擬終端、示波器電壓表和電流表等。

Atmega128是適用于嵌入式產(chǎn)品的8位RISC指令單片機，具有128 KB可編程FLASH（程序）、4 KB的數(shù)據(jù)E2PROM和動態(tài)SRAM。但其配套的AVR Studio開發(fā)環(huán)境僅支持匯編語言，未提供C/C++編譯器。不過，它支持第三方提供的C/C++編譯器，比如本文使用的是WinAVR GCC編譯器。使用C語言大大提高了開發(fā)效率，而且程序的可讀性好，便于移植。

實時操作系統(tǒng)是嵌入式應用軟件的基礎，用戶的其他操作都是建立在實時操作系統(tǒng)上的。Nut/OS是針對Ethernet以太網(wǎng)開發(fā)的多任務開源操作系統(tǒng)，它將應用程序分割成若干個獨立的線程，提供了大多數(shù)應用所需的API函數(shù)，比如文件管理、串行通信和網(wǎng)絡驅(qū)動等。RTL8019AS以太網(wǎng)控制器是與Nut/OS配套使用的以太網(wǎng)控制芯片，它集成了IEEE802.3協(xié)議標準的介質(zhì)訪問控制子層（MAC）和物理層。

Winpcap用于捕獲網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，也就是說在虛擬實驗時，計算機上有2個網(wǎng)卡，一個是主機自身的物理網(wǎng)卡，另一個就是前面介紹的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器虛擬的網(wǎng)卡。該虛擬網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)收發(fā)需要使用Winpcap軟件捕獲才能顯示在IE瀏覽器中。

2 軟件設計及調(diào)試

該設計是基于Ethernut的HTTP應用案例文件夾設計的，利用IE瀏覽器，單擊所設計Web頁中的超鏈接，就可以實現(xiàn)用戶密碼設置、電機的啟動與停止、對電器運行狀態(tài)的監(jiān)控，并將采集到的信息反饋到IE網(wǎng)頁上。

2.1 HTTP服務程序設計

對于動態(tài)狀態(tài)頁面的返回，可以根據(jù)前面程序中3個鏈接所指向的URL所帶的鏈接表單參數(shù)作相應的處理。

為了防止非法用戶操作電機，增強系統(tǒng)的安全性，在鏈接前面添加了admin，在程序中通過調(diào)用NUT/OS的API函數(shù)NutRegisAuth來保護admin路徑下的文件，調(diào)用語句為：NutRegisterAuth（”admin”，admin_password）。單擊鏈接請求時，瀏覽器會彈出對話框，要求輸入用戶賬號和密碼。

在主程序中，將cgi請求mcu_control.cgi注冊給函數(shù)mcu_control。該函數(shù)的參數(shù)為文件流對象stream和請求對象req，通過調(diào)用Nut/OS的API函數(shù)NutHttpGetParameterName和NutHttpGetParameterValaue分別獲得URL中“？”后面所帶的參數(shù)名和參數(shù)值，即Para_name=NutHttpGetParameterName（req，0）。

2.2 系統(tǒng)調(diào)試

搭建Proteus+AVR Studio+WinAVR+WinPcap開發(fā)環(huán)境后就可以繪制系統(tǒng)原理圖，編寫項目C程序，最后編譯生成目標Hex可執(zhí)行文件。為單片機綁定所生成的Hex文件，綁定RTL8019AS以太網(wǎng)控制器的網(wǎng)卡號和MAC地址，就可以運行Web服務程序了，然后啟動IE瀏覽器，輸入以太網(wǎng)IP地址，就可以看到瀏覽器的運行效果。

3 結束語

這個實驗實際是一個單片機綜合實驗。在這個實驗中，一方面，學生需要掌握單片機內(nèi)部、外部的資源情況，實現(xiàn)對網(wǎng)絡控制器的控制；另一方面，還需掌握外部器件，比如虛擬終端、鎖存器、外部RAM、RJ45網(wǎng)卡接口等的使用情況。通過電路原理圖的設計、編程、調(diào)試和運行驗證，可以加深學生從概念到產(chǎn)品設計全過程的認知。實驗表明，利用軟件仿真縮短了設計周期，降低了成本。該設計可應用于電力設備監(jiān)控、農(nóng)田墑情監(jiān)控、便攜式智能儀表和物聯(lián)網(wǎng)等領域，具有較大的應用價值。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕