远程测控中嵌入式Web服务器的FPGA实现

0、引 言

嵌入式系统是指被嵌入到各种产品或工程应用中以微处理器或微控制器为核心的软硬件系统。嵌入式系统与Internet技术相结合，形成的嵌入式 Internet技术是近几年随着计算机网络技术的普及而发展起来的一项新兴技术。工程技术人员、管理人员或调试人员通过Web而不用亲临现场就可以得到 远程数据，并对测控仪器进行控制、校准等工作。这里介绍利用嵌入式软核处理器Nios II及广泛应用的嵌入式操作系统uClinux来实现电网参数的远程测控服务器的功能。

1、功能及体系结构

图1是系统结构，其中嵌入式Web服务器和监控端位于现场，它们之间的连接可以用串行口、并行口、USB等实现。现场监控端完成对目标地区电网参数(电 压、电流、谐波等数据)的检测，并将检测结果实时传送至web界面，使得无论监控人员在哪里，只要连接至Internet网络，便可对目标区域电网参数实 时观测。其实现过程是：三相电压、电流分别通过电压互感器、电流互感器变换后，经电路调理送至AID转换，每周期采样128点，DSP芯片对采样数据进行 FIR数字滤波、FFT运算、计算各参数值、存储、显示等操作。测量电路与Nios之间的通信通过串口传输，根据事先约定的通信协议(基于Modbus协 议)可以方便地把所测数据发送至以Nios II处理器为核心的嵌入式服务器。通过CGI技术，完成远程监控端的命令传输及将测量数据实时传送至远程监控端。

图1 系统结构图

2、硬件结构

系统的硬件结构如图2所示。硬件系统的核心是构建于Ahera Cyclone FPGA中的Nios II嵌入式软核处理器。Nios II系列嵌入式处理器是一款通用的RISC结构的CPU，它定位于广泛的嵌入式应用。Nios II处理器系列包括了三种核心：快速的(Nios II／f)、经济的(Nios II／e)和标准的(Nios II／s)内核，每种都针对不同的性能范围和成本而优化。这三种核都使用共同的32位的指令集结构(ISA)，都兼容二进制代码。

图2 硬件系统图

对于Nios II的配置在SOPC Builder中完成。通过配置所需要的外部/内部元件，SOPC Builder将自动生成适合选定元件的CPU，以符合系统的需求。16M的CF卡作为系统的外存储器，用来存储测量数据，网页文件和应用程序。以太网接 口芯片采用的SMSC的Lan91cl11芯片，这是一种非PCI接口的单芯片网络控制器，具有8k的FIFO，可以实现和8位、16位、32位的CPU 接口，广泛地应用于嵌入式系统设计中。

3、软件结构

系统软件结构如图3所示。uClinux是一个完全符合GNU／GPL(通用公共许可证)公约的项目和完全开发代码。它是标准Linux的一个分支，现在 由Lineo公司支持维护。它专门针对没有MMU的CPU，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作。uClinux For Nios是Microtronics公司专门针对Nios CPU 定制的uClinux操作系统，使用方便，不需要复杂的移植过程，并自动地集成于Nios／Nios II的开发环境(IDE)中。只要根据自身的需求对内核和文件系统进行配置即可，这里的WEB服务器、TCP／IP协议栈及底层的接口驱动程序即是集成于 uClinux中的。除此之外，自行编写CGI脚本来实现动态网页的功能。CGI（Common Gate Interface)动态网关接口是外部扩展应用程序与WWW 服务器交互的一个标准接口。按照CGI标准编写的外部扩展应用程序可以处理客户端(一般是WW W浏览器)输入的协同工作数据，完成客户端与服务器的交互操作。可以编写CGI外部扩展程序来访问外部数据系统，客户端用户可以通过它和WWW 服务器来进行数据查询。CGI可以由PERL、C及大部分的脚本语言来编写，不过由于是用于嵌入式系统中的程序，而脚本语言又需要解释器，故选择C语言来 编写CGI脚本比较合适，还可节省很大的系统资源。

图3 软件结构图

3.1 uClinux操作系统内核及文件系统的配置

(1) uClinux的内核配置。内核是一个操作系统的核心，它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。嵌入式 uClinux具有高度可灵活定制内核，保持了Linux的源代码公开、稳定、可裁减大小等特性。这里采用Microtronix公司专门为 Nios／Nios II移植的uClinux1．3版本，并根据需要进行重新配置：在"Developing Board"选项中要选择自己所用的开发板，添加CF卡作为系统的硬盘等。

(2) 文件系统配置。文件系统是操作系统的重要组成部分。对用户而言，文件系统也是操作系统中最直接可见的部分，它负责管理外存上的文件，并为操作系统和用户提 供文件的存取、共享和保护等功能。这里要在文件系统配置中，选中Install Minimal、然后增加agetty、boa、dhcpcd、ftpd、inetd、init、ping、route和telnetd等选项。