摘 要：為使數(shù)控系統(tǒng)具備網(wǎng)絡訪問功能，通過移植嵌入式TCP/IP協(xié)議棧—uIP，并且編寫網(wǎng)絡控制芯片驅動程序接口以及能實現(xiàn)HTTP協(xié)議的通用應用程序，使數(shù)控系統(tǒng)具備Web服務器的功能。用戶可以使用PC接入Internet，通過標準瀏覽器遠程監(jiān)測數(shù)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
關鍵詞： uIP協(xié)議棧；HTTP協(xié)議；Web服務器；數(shù)控系統(tǒng)
數(shù)控技術的網(wǎng)絡化是數(shù)字制造技術的發(fā)展方向，利用網(wǎng)絡技術使數(shù)控系統(tǒng)具備遠程監(jiān)控和故障診斷功能可以極大地提高產品的市場競爭力。TCP/IP協(xié)議已經(jīng)在全球互聯(lián)網(wǎng)上取得了巨大成功，通過實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議使系統(tǒng)直接接入內部網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)，這種方案利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡線路，避免了成本高昂、繁瑣的布線工作，已成為大多數(shù)用戶的選擇。而基于Web服務器的遠程監(jiān)控技術，可以為用戶提供一個統(tǒng)一、簡潔的操作界面。
整個設計中的關鍵是TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)，完全從零開始去實現(xiàn)一個嵌入式TCP/IP協(xié)議將耗費大量的時間和資源，導致產品跟不上市場需求。而商業(yè)的TCP/IP的網(wǎng)絡組件實現(xiàn)過于復雜,需要占用大量的系統(tǒng)資源，同
時會導致成本的提高，本設計選用精簡的開源uIP協(xié)議棧作為網(wǎng)絡通信協(xié)議，采用嵌入式的uIP協(xié)議棧，編寫基于DOS操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡芯片驅動程序接口，在應用層實現(xiàn)HTTP協(xié)議，最后將其運用于華中數(shù)控的HNC-21系統(tǒng)，使系統(tǒng)具備了遠程監(jiān)控功能。
1 uIP協(xié)議棧分析
uIP協(xié)議棧是專為8/16 bit的嵌入式微處理器設計的小型TCP/IP協(xié)議棧，采用BSD授權，遵循RFC標準，完全由C語言編寫，具有良好的互操作性、完整的源代碼和注釋，可免費用于非商業(yè)和商業(yè)用途。uIP協(xié)議棧有多
個版本，本設計采用的是uIP0.9。
為了減小代碼量，降低對系統(tǒng)資源的要求，uIP的內部實現(xiàn)具有如下特點[1]：只實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信所必要的協(xié)議機制；不支持內存動態(tài)分配機制，使用單一的全局緩沖區(qū)收發(fā)數(shù)據(jù)包；各層協(xié)議不嚴格獨立，緊密耦合；
應用程序主動參與部分協(xié)議棧的功能實現(xiàn)。
uIP協(xié)議處于網(wǎng)絡通信的中間層，其設計重點放在IP(網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議)、ICMP(網(wǎng)絡控制報文協(xié)議)和TCP(傳輸控制協(xié)議)的實現(xiàn)上， UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)和ARP(地址解析協(xié)議)實現(xiàn)只是作為可選模塊。其體系結構[2]如圖1所示。
uIP協(xié)議棧提供了三個函數(shù)給底層設備驅動程序：uip_periodic()、uip_init()和uip_input()。其中uip_input()和uip_periodic()在內部的實現(xiàn)采用同一個函數(shù)，即uip_process(u8_t flag)，區(qū)別在于調用的參數(shù)和使用情況不同。uIP協(xié)議棧中應用程序基于事件驅動模式，作為一個獨立的模塊由用戶實現(xiàn)。為了將應用程序掛接到uIP中，用戶需將宏UIP_APPCALL()定義為自己的應用程序函數(shù)名。
2 嵌入式Web服務器的實現(xiàn)
uIP協(xié)議棧以函數(shù)庫的形式提供，本身不提供底層網(wǎng)絡驅動和上層應用程序。因此為了完成指定的功能，開發(fā)者必須添加網(wǎng)卡芯片的驅動模塊和特定的應用程序模塊。
2.1 uIP協(xié)議棧的移植
協(xié)議的實現(xiàn)核心是\uip目錄下的7個程序文件[3]，本設計中用到uip.c、uip.h、uip_arp.c、uip_arp.h、uip_arch.h 5個文件。其中uip.c和uip.h實現(xiàn)了IP、TCP、ICMP協(xié)議，uip_arp.c和uip_arp.h實現(xiàn)了ARP協(xié)議。\unix目錄下有5個程序文件，本設計中用到的主要是uip_arch.c和uipopt.h。其中uip_arch.c是校驗和文件，uipopt.h是參數(shù)配置文件。
設計中根據(jù)需要修改uipopt.h，使用靜態(tài)IP地址，故將UIP_FIXEDADDR設置為1；不支持數(shù)據(jù)包分割重組，設置UIP_REASSEMBLY為0；不需要UDP協(xié)議支持，設置UIP_UDP為0；設置UIP_CONNS為5，允許同時開啟5個TCP連接。因為在應用層只需要實現(xiàn)HTTP協(xié)議，設置UIP_LISTENPORTS為1。最后根據(jù)實際應用修改MAC地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關地址中相應的宏變量。
2.2 網(wǎng)卡驅動程序接口
本設計中使用的網(wǎng)絡控制芯片是臺灣Realtek公司的RTL8019AS，系統(tǒng)環(huán)境是16位的DOS操作系統(tǒng)。設計中遵循Packet Driver接口協(xié)議來操作網(wǎng)卡，提供給上層的函數(shù)接口包括網(wǎng)絡芯片的初始、發(fā)包、收包。
網(wǎng)卡的初始化接口函數(shù)int tapdev_init(void)，主要完成獲取網(wǎng)卡句柄和Packet Driver[4-5]提供服務的軟中斷號、注冊網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的接收程序。函數(shù)流程如圖2所示。
網(wǎng)卡的接收數(shù)據(jù)包接口函數(shù)為unsigned int tapdev_read(void)，主要功能是判斷是否有新的數(shù)據(jù)包到來。如果有，則將數(shù)據(jù)存儲到全局變量uip_buf中供進一步的處理，并返回數(shù)據(jù)包的長度。
網(wǎng)卡的發(fā)送數(shù)據(jù)包接口函數(shù)int tapdev_send(void)通過調用Packet Driver的send_pkt()將封裝好的數(shù)據(jù)包發(fā)送到以太網(wǎng)。全局變量uip_len表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度。發(fā)送數(shù)據(jù)包的實現(xiàn)代碼如下：
while(times--)
{
regs.r_ax=PD_SEND;
regs.r_ds=FP_SEG(tmpbuf); //temp為待發(fā)送數(shù)據(jù)包緩存區(qū)
regs.r_si=FP_OFF(tmpbuf);
regs.r_cx=uip_len; //待發(fā)送數(shù)據(jù)包長度
intr(pkt_interrupt,®s);
if(regs.r_flags &CARRY)
continue;
break;
}
2.3 應用層協(xié)議實現(xiàn)
HTTP(HyperText Transfer Protocol)超文本傳輸協(xié)議是用于從WWW服務器傳輸超文本到本地瀏覽器的傳送協(xié)議。要實現(xiàn)Web服務器[6]的功能，就需要在應用層實現(xiàn)HTTP協(xié)議。HTTP協(xié)議采用的是客戶端與服務器模式。在客戶端產生數(shù)據(jù)請求，在服務器端產生應答數(shù)據(jù)，然后以Web頁面形式返回給客戶端。為了達到統(tǒng)一通用的要求，Web頁面采用HTML格式傳輸。
設計中將應用層函數(shù)http_call定義為宏UIP_APPCALL, 主程序首先調用函數(shù)uip_listen開啟80號端口監(jiān)聽。如果監(jiān)測到遠程連接請求，分配一個連接項給客戶端，然后等待客戶端的發(fā)送具體的數(shù)據(jù)請求。在接收到客戶端的數(shù)據(jù)請求后，根據(jù)相應語法解析請求指令，將相關信息以網(wǎng)頁形式返回到客戶端。
用戶只要通過標準的瀏覽器輸入相應的IP地址就可以查看服務器提供的Web網(wǎng)頁。Web服務器軟件實現(xiàn)框圖如圖3所示。
3 Web服務器的應用
將設計的Web服務器應用于華中數(shù)控HNC-21系統(tǒng)，可遠程監(jiān)控機床的當前運行位置、參數(shù)設置、報警信息等。設置數(shù)控系統(tǒng)的IP地址為192.168.0.2，同時設置相應的子網(wǎng)掩碼和默認網(wǎng)關，然后將數(shù)控系統(tǒng)接入局域網(wǎng)。在接入同一局域網(wǎng)的PC機上打開瀏覽器窗口，在地址欄中輸入192.168.0.2，出現(xiàn)圖4所示界面，說明Web服務器已運行成功。
按照本設計中的配置參數(shù)，整個系統(tǒng)中核心協(xié)議的實現(xiàn)代碼量約為20 KB,核心協(xié)議的實現(xiàn)占用的內存約為10 KB，資源占用量很小，能很好地滿足資源有限環(huán)境下的應用需求。采用移植精簡的TCP/IP協(xié)議棧uIP，使數(shù)控系統(tǒng)具有網(wǎng)絡接入功能，是一種低成本、高效的網(wǎng)絡接入方案。通過實現(xiàn)Web服務器的功能，可以讓用戶使用統(tǒng)一、簡潔的界面對數(shù)控系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控，降低了用戶的使用難度。
參考文獻
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[2] ADAM D.Full TCP/IP for 8-bit architectures[EB\OL].[2010-06-25].http://www.sics.se/~adam/mobisys2003.pdf.
[3] Doxygen. uIP 0.9 reference manual[EB\OL].[2010-06-25].http://www.sics.se/~adam/download/uip0.9-refman.pdf.
[4] FTP Software Inc.PC/TCP packet driver specification[EB\OL].[2010-06-25].http://www.crynwr.com/packet_ driver.html.
[5] 黃皓.ARP協(xié)議分析及在網(wǎng)絡安全中的應用實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學,2007.
[6] JEREMEY B.嵌入式系統(tǒng)Web服務器-TCP/IP Lean[M].陳向群,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2003:313-319.