Cortex-M3平台上lwIP+AJAX的Web嵌入式应用

摘要：本文基于lwIP以太网协议栈将AJAX动态网页设计技术应用于嵌入式Cortex-M3平台，实现Web嵌入式应用。相比于CGI技术，AJAX实现简易，移植性强，可支持传统IE或是手机等不同的网页访问终端用户。所选Cortex-M3平台内部集成PHY，lwIP协议栈及实时操作系统FreeRTOS均是开源、免费，整个系统成本在60RMB以内，对于成本较敏感的网络互联产品提供了一种解决方案，并给出了硬件原理图及软件代码。

引言

嵌入式系统是融合了SoC半导体技术、电子技术、计算机技术，针对具体应用硬件软件均量身定制的计算机系统。低成本、高可靠性、高灵活性、高集成性使得嵌入式产品在工业领域获得了巨大的发展契机。嵌入式产品一般服务于工业现场，通过RS232、RS485、或是CAN等通信接口与外界互联通信。如今伴随着Internet技术的成熟，带宽的日益提高，公共场所无线网络覆盖，智能手机日益普及，网络化、信息化的要求越来越受到关注，Internet网络互联成为必然的趋势^[1]。

目前在实际应用中支持Internet应用的嵌入式系统产品，主要是通过ARM9平台实现，如Samsung S3C2442或是ATMEL AT91SAM9G25平台，操作系统一般是用Linux，网络开发则多是采用传统的CGI(Common Gateway Interface)技术^[2]。此种解决方案在成本上过高，仅一颗ARM9处理器就将近70RMB，对于成本敏感的产品无法承担;CGI维护复杂，运行效率低下，每响应一个客户就会打开一个新的进程，当用户访问数量增大时，会严重地损耗系统资源，大幅度地降低系统性能，访问数据库的程序也不容易编写，这也就是最近几年来随着各种新的后台技术的诞生，CGI应用在Internet上越来越少的原因，CGI方式不适合访问量大的应用^[3]。

基于此现状，本文给出了一个TI Cortex-M3平台上，运用AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)技术实现Web嵌入式应用方案。Cortex-M3平台成本和性能介于ARM9和MCU之间一类处理器，而TI Cortex-M3是目前市场上唯一内部集成PHY，这可进一步降低方案硬件成本。操作系统采用开源的FreeRTOS，相对Linux，FreeRTOS小巧精致，对硬件Flash和RAM需求极小，5KB Flash和0.6KB RAM便可运行，相对于μC/OS-II商业操作系统，FreeRTOS则是完全免费。TCP/IP协议栈采用瑞典开源免费的lwIP(Light Weight IP)，一般它只需要0.5KB的RAM和7KB左右的Flash就可以运行^[4];网络开发采用AJAX技术，AJAX是一种基于客户端浏览器的语言^[5]，使用AJAX的最大优点就是能在不刷新整个页面的前提下维护数据。这使得Web应用程序更为迅捷地响应用户交互，并避免了在网络上发送那些没有改变的信息^[6]。由于采用了高性价比处理器平台和免费开源的系统软件，整个系统成本可控制在60RMB以内，为成本较敏感的网络互联产品提供了一种解决方案。

系统硬件设计

TI推出的Cortex-M3 LM3S9D96，提供丰富的片内外设：片上集成512KB Flash，96KB RAM，18通道ADC，1个USB(OTG)，2通道SPI，2路CAN，3通道UART，1路10/100M Ethernet，内部集成PHY，看门狗，支持EPI、NVIC和DMA，65个通用IO，处理速度80MHz，ROM固化了FreeRTOS操作系统，Bootloader及常用外设操作接口函数库，方便快速高效产品开发。

基于LM3S9D96平台的硬件系统框图如图1所示。　　

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(1)PowerMode：系统工作电源，采用DC5V，由外置Adaptor设备提供。整个系统的电源包括：5V，3.3V及5V_ISO(用于RS485通信电源)。
　　(2)RS4851/RS4852:系统通过RS4851或RS4851接口电路实时采集现场设备运行数据。
　　(3)LEDs：通过4个LED指示一些重要功能模块的工作状态，如5V电源，RS4851，RS4852及LAN的通信状态等。
　　(4)LAN：实现标准TCP/IP互联网通信。
　　(5)Clock：为整个系统提供时钟源。
　　(6)JTAG：软件开发调试接口。
　　(7)EEPROM：采用512Kb SPI接口式EEPROM，存储一些采集到的重要运行数据及系统配制参数如IP地址，子网掩码，网关及DNS服务器，Internet时间服务器，时区等。
　　(8)Recover:恢复出厂设置，当上电时按住此键可使系统所有参数恢复到出厂默认值。
　　(9)Reset:系统复位电路。

其中CPU、LEDs、Clock及JTAG等主要模块的电路原理图如图2所示。　　

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LAN模块电路，由于TI的Cortex-M3系列片上集成一个以太网控制器PHY和媒体访问控制器MAC，遵循IEE802.3规范，完全支持10BASE-T和100BASE-TX标准。图3是工作原理框图，CPU通过MAC层访问PHY，MAC层提供了以太网帧的发送和接收。MAC层还通过一个内部的媒体独立接口MII给PHY模块提供接口。　?

所以LAN电路就变得格外的简单，仅需要一个带隔离变压器的RJ45