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PC based 嵌入式控制器在WWW平台之整合应用

PC based 嵌入式控制器在WWW平台之整合应用

嵌入式网页服务器(Embedded Web Server: EWS)所指的是在嵌入式控制器上建立一个微型的网页伺服的服务。结合嵌入式系统的优点,使用者可以直接透过浏览器来取得在EWS 上的信息之外,还可以自行设计特定的控制程序。而系统发展者也可以使用简便的网页编辑程序来编辑要放置于EWS 上的网页。本文探讨如何在最简易的方式及低廉的成本下有效的发展网页服务器的系统平台。并采用泓格科技公司的Ethernet 嵌入式控制器I-7188EX/I-8431/I8831 为硬件平台,发展一具Web Server 架构的嵌入式控制系统,如此的系统不谨可以提供系统发展者用最简单的方式去完成一个EWS 的控制系统的简单模式平台,也可以提供一个开放式的进阶控制平台,让控制器设计者可以加入自定的控制程序,以满足各种工业控制上具有高效能及易于设计及维护的嵌入式服务器。 前言 1969 年因应冷战时期,美国国防部出资BBN(Bolt, Baranet and Newman)公司架设了ARPANET 网络。ARPANET 网络研究计划的目的正是希望能创造出一个通讯网路,这个网络即使遭到部分的破坏,还是可以互相联系,并强调「各计算机主机间平等的对等通讯」。ARPANET 网络使用的是一种称为分封交换的技术,把较大的数据切割成较小的封包,并且将每个封包给予各自的目的地地址。封包可以用不同的顺序及路径到达相同的目的地。到达后,再由目的地的计算机将所收到的封包予以重新组合起来。这种观念称之为动态路由,在网络上的每台主机都扮演同样的角色。如果敌人想摧毁某一网络联机的话,必须摧毁附近所有的主机才能得逞。尔后ARPANET 开始对大众公开,吸引了更多学术单位及私人企业投入研究。一九七九年美国国家科学基金会(NSF)也开始参与网络技术研究。一九八五年拨款协助近一百所大学连上网络,一九八六年布建NSFNET 将全美五大超级计算机中心和各大学连结在一起,使得越来越多的学术界菁英加入了这项研究。 想让每一台计算机能以网络相互连结,必须透过某种规则,因此就有所谓的通讯协议(protocol)出现。ARPANET 刚开始所采用的网络通讯协议是NCP(network control protocol)。在网络技术越来越复杂时,不同计算机、不同软件、不同系统的网络之间无法兼容的问题越来越明显。一九七四年,后来被称为「Internet 之父」的文特•瑟夫(Vint G. Cerf)和同伴开始研发一套能通行于所有计算机上的通讯协议,那就是现在计算机上网所使用的TCP/IP(transmission control protocol and internet protocol)。渐渐地,一个能用来储存信息、分享信息的工具产生了,就是由勃勒李(Tim Berners-Lee)所发明的WWW(world wide web)。一九八九年勃勒李提出了在CERN 内部建立一套信息网的系统。起初并 未获得响应,但他依然展开自己的理想。一九九○年他完成了超文件传输通讯协议(HyperText Transport Protocol ,HTTP),计算机可以利用HTTP 在Internet 上传输超级链接文件。此外,为这些文件在Internet 上的地址做了设计,他称这个地址为URI(universal resource identifier),这也就是目前我们所熟知的URL(uniform resource locator)。同时在一九九○年末,他也完成了类似浏览器的程序,并取名为World Wide Web,让使用者可以透过此程序浏览他想要的数据。为了让Web能发展得更顺利,第一届WWW 研讨会于一九九四年五月二十四日在CERN 举行。会中正式将Web 定名为World Wide Web,并且超级链接网页以勃勒李所写的超级链接标示语言HTML(hypertext markup language)来撰写。 在美国高速计算机中心(Natiomal Center for Supercornputing, NCSA)兼任助理的马克.安德森(Marc Andreesen),决定发展图形化的接口,且能让使用者轻易上手的浏览器。一九九二年,他和NCSA 里另一名同事艾利克.比那(Eric Bina),终于开发出一套新的浏览器,并且命名为Mosaic。Mosaic 比起当时的浏览器更具图形化且较容易为一般使用者接受。此外,和其它浏览器一样,也可以浏览HTML 文件。更特别的是,Mosaic 还加入了image(影像)的语法,也就是让Web也可以显示出影像图片。虽然早先的浏览器也可以显示图片影像,但是文字与影像需要不同的档案,而Mosaic 则可以让文字、图片影像都在同一个网页中,图形化接口及按钮让使用者可以更方便地浏览网页。 嵌入式控制系统最初是为了工业计算机而设计,在信息产品普及与数字家电兴起后,嵌入式系统已逐渐普及到我们日常生活中,从信息家电、网络产品,到可携式装置,都看得到它的踪迹。嵌入式系统的特色之一是不需要很多外接的零配件,能在小面积组件上完成特定功能,具有稳定、小尺寸等特点。过去嵌入式系统较难普及的原因,是因为集成电路和制程技术尚无法突破。由于近年来半导体电子技术发展快速,因此嵌入式系统逐渐变为功能强大而价格低廉;此外,软件技术也不断的进步,使得嵌入式系统的发展不再局限于使用汇编语言,且能使用更高阶的程序语言来发展嵌入式系统,而实现更多型态的应用[1]。 近年来网络快速发展,随着WWW( World Wide Web)持续不断的扩张,针对WWW 发展其它方面的控制应用是受到重视的,而浏览器(IE、Netscape Navigator etc.)的角色也就变成最普遍的客户端管理及监控程序。因为网页浏览器可以提供图型接口,使用者可以透过Internet 监控系统状态。此外,远程控制成为另一项重要的课题。远程控制具有许多优点,例如:操作人员可以避免暴露在危险的工作环境中;可以对于远方控制系统下达指令,而工程人员不必在第一时间抵达现场。Web-based 嵌入式控制平台结合了嵌入式系统与网络,除了可以提供控制系统的实时数据外,也能提供在线控制参数设定。而Web-based 嵌入式控制平台亦可作为独立的控制系统。使用Web-based 嵌入式控制平台的优点很多,例如:硬件的需求性低、低成本、高稳定度、具可移植性、可连接多种工业控制设备,这是一般网页服务器无法做到的[2][3]。 本论文不仅对嵌入式系统作深入探讨,而且对www 的通讯技术亦有详细讨论,并且将以泓格科技公司的I-7188EX 为研究对象,宾务性的设计出一个嵌入式控制器之Web 服务器。并以嵌入式系统为基础发展Web-based 嵌入式控制平台,针对Web-based 嵌入式控制平台架构作深入研究,探讨执行效能。并以Web-based嵌入式控制平台,实际结合分散控制模块的整合应用,探讨Web-based 嵌入式控制平台与控制系统结合的效能表现。最后并探讨本文所建构的Web-based 嵌入式控制平台的特性与未来发展方向。 TCP/IP 通讯 TCP/IP 通讯协议组允许不同尺寸、不同计算机厂商出厂及执行不同操作系统的计算机彼此通讯。原为60 年代由美国政府资助关于封包交换(Packet switching)网络的研究计划,90 年代已成为计算机间使用最广的网络。TCP/IP 为一开放性系统,通讯协议组的定义及许多相关协议的实作,均可公开取得且只需少许费用,甚至免费。网络协议通常以层(Layers)发展,TCP/IP 就是不同层协议的组合,一般认为是四层系统[4],如图1 所示: 每一层都有不同职责。以下针对每层简略叙述:(1)链接层(Link Layer):亦称为数据链结层(Data-Link Layer)或网络接口层(Network Interface Layers),通常包含了在操作系统中的装置驱动程序,以及计算机中相对应的网络适配卡。此两部份可以处传输媒介连接的所有硬件问题。 图1 TCP/IP 架构图
(2)网络层(Network Layer):是扮演处里整个网络中封包的移动,例如封包的绕送(Routing)。整个网络层由IP(Internet Protocol)、ICMP(Internet Control Message Protocol)、IGMP(Internet Group Message Protocol)组成。(3)传输层(Transport Layer):此层替应用层提供了在两个主机(Host)间的数据流。在TCP/IP 协议组中有两个极大差异的传输协议:TCP(Transmission Control Protocol)和UDP(User Datagram Protocol)。TCP 提供两主机间可靠的数据传输。所采用的方法如将应用软件传过来的数据分割成适当大小,再传给网络层;收到封包时发出确认收到的信号;设定暂停时间确定另一端已送出确认收到信号等。如此应用层便不在需要另外确认数据的可靠度。UDP 提供应用层另一较简单的方式。仅由一台主机送出称为数据报(Datagram)的数据封包到另一台主机,但并不保证送出的数据能够到达另一台主机。若需要额外增加可靠度须由应用层加入。(4)应用层:此层处理应用软件的细节。许多普通的应用软件对于各层几乎都有对应实作。如远程登入、FTP(File Transfer Protocol)、SMTP(the Simple Mail Transfer Protocol)等。最 后TCP/IP 协议组中有许多的协议,如图2、图3、图4 分别表示不同情况下TCP/IP传输结构。
图2 单一主机内部传输示意图图
图3 FTP 相同网络架构传输示意图
图4 不同架构网络透过TCP/IP 连结架构图 本文采用TCP/IP 通讯协议组中的TCP 通讯协议做为传输层(Transport Layer)主要的通讯协议,因为TCP 具有联机导向、可信赖以及字节流的特性。联机导向(connection-oriented):当Server 端与Client 端建立联机前会作数据的交换,以确定联机的建立。信赖度:TCP 利用以下几种方式提供信赖度:(1) 数据被分解成TCP 认为最佳大小的区块(chuck)后传送。如下图5 显示之Server-Client 通讯流程: HTTP(HyperText Transport Protocol) HTTP(HyperText Transport Protocol)自1990 年以来就被全球信息网采用为基础通讯协议,它是一种应用阶层(Application-level)的通讯协议,特性是轻便、快速,特别适合如Web 这种分布式、合作式的超媒体<
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