基于ARM的无线嵌入式Web服务器设计

王海燕

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

随着高科技和信息化的迅速发展，信息共享程度的不断提高，以及信息共享方式的多元化，人们的日常生活变得更加舒适和便捷.传统的Web服务器采用RS232，RS485，CAN总线等有线方式采集数据，并通过网页发布信息，但随着无线通信技术的发展，以及基于互联网技术的无线嵌入式系统的广泛应用，人们的生产和生活将会发生深远的变革.无线方式能消除传统Web服务器的走线和结构布局等限制，使之更方便接入Internet［1，2］.本文设计的基于 ARM 的无线嵌入式Web服务器，通过无线方式实现对接入Internet的智能设备的有效管理和控制，可以广泛应用到国民经济的各个领域，如工业数据采集系统、车辆监控、无线抄表、无线遥控、生物信号采集等.

1 系统总体设计

本文设计的基于ARM的无线嵌入式Web服务器通过无线收发芯片nRF905将嵌入式Web服务器与无线智能设备连接，实现数据的采集、控制以及信息的发送.具体的系统结构如图1所示.

远程用户通过Internet登录嵌入式Web服务器，发布采集或控制智能设备命令.执行采集数据功能时，ARM 微控制器 S3C2410［3］接收来自Web页面的数据采集指令后启动无线收发芯片nRF905，接收周围无线智能设备(与nRF905工作在相同的无线频段)发送的数据，并进行缓存，通过动态网页技术和Web页面将这些数据展示给远程用户;执行控制功能时，用户通过Web页面发布相关指令，S3C2410通过Internet获取指令信息，然后交给无线收发芯片nRF905进行发送，以实现对设备的控制.无线智能设备和嵌入式设备上都配有nRF905无线收发模块，接收到指令后做出响应，而无线智能设备则可通过无线嵌入式Web服务器接入Internet.

图1 系统结构示意

无线嵌入式Web服务器分为无线收发模块和网络接入模块两个部分，均由S3C2410控制.

2 无线收发模块

无线收发模块负责与智能设备进行通信，主要由ARM微控制器S3C2410和无线收发芯片nRF905［4，5］构成，两者接口如图 2 所示.

图2 S3C2410与nRF905的连接

MCU采用三星公司生产的S3C2410微控制器，它是基于ARM920T内核的32位RISC CPU，采用5级指令流水线，运行时的时钟频率最高可以达到203 MHz.片内主要有SDRAM控制器，3通道的UART，4通道的DMA，4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟，8通道10位的ADC，以及触摸屏接口和I2C总线接口等，特别是所具有的MMU功能，非常适合移植Linux操作系统，具有低功耗和高性能的特点［4］.

nRF905是挪威Nordic公司推出的一款微功率无线收发芯片.其工作电压为1.9～3.6 V，采用32引脚QFN封装，是真正的单片UHF无线收发芯片.它集成了高频发射、高频接收、频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等，性能优异、功耗低、使用方便.使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，且其功耗很低，以10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，工作于接收模式时的电流为12.5 mA.此外，内设空闲模式与关机模式，易于实现节能.

nRF905的工作模式由发射/接收使能端口TRX_CE，power down，模式端口 PWR_UP，模式选择端口TX_EN这3种模式控制端的电平输入决定.具体工作模式和电平输入见表1.

表1 nRF905的工作模式

系统的无线收发过程可分为发送流程和接收流程两部分.发送流程又分为以下5个步骤.

(1)当微控制器S3C2410有数据要发送时，通过SPI接口，按时序将接收机的地址和要发送的数据传送给nRF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定;

(2)将微控制器S3C2410的引脚TRX_CE和TX_EN置高，激发nRF905的Shock Burst TM发送模式;

(3)自动开启nRF905的射频寄存器，将数据打包并发送完成后，再将数据准备引脚置高;

(4)AUTO_RETRAN的引脚被置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE的引脚被置低;

(5)当TRX_CE的引脚被置低、nRF905的发送过程完成后，系统自动进入空闲模式.

由于只有在前一个数据包被发送完毕后，nRF905才能接收下一个发送数据包，因此使得Shock Burst TM工作模式能够保证一旦开始发送数据，无论TRX_CE和TX_EN引脚是高还是低，发送过程都会被处理完.

系统的接收流程可分为以下3个步骤.

(1)当 TRX_CE为高、TX_EN为低时，nRF905进入 Shock Burst TM 接收模式;650 μs后，nRF905进入监测状态，等待接收数据;

(2)当nRF905检测到同一频段的载波后，将载波检测引脚置高，当接收到相匹配的地址后，将地址匹配引脚置高，当一个正确的数据包接收完毕后，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备引脚置高;

(3)微控制器S3C2410把TRX_CE的引脚置低，nRF905进入空闲模式.

微控制器S3C2410通过SPI口以一定的速率接收数据.当所有的数据接收完毕，nRF905把数据准备引脚和地址匹配引脚置低后，nRF905可以进入Shock Burst TM接收模式、Shock Burst TM发送模式或关机模式.

3 网络接入模块

网络接入模块负责实现TCP/IP协议并接入Internet网络，主要由S3C2410单片机与网络控制芯片 RTL8019AS［6］构 成，以 太 网 驱 动 芯 片RTL8019AS经耦合隔离滤波器HR61101G和RJ45接口接入互联网，接口电路如图3所示.

图3 S3C2410与RTL8019AS的连接

RTL8019AS的IOS0～IOS3基地址选择引脚接地时，I/O基地址为300 H，即001100000000，所以地址线SA9，SA8接+5V，寄存器地址偏移量为00 H～1 FH，共32个，而对应地址从300 H到31 FH，所以只需要将SA0～SA4接到S3C2410的地址总线ADDR0～ADDR4即可，其余地址线接地.同时，地址使能端AEN接S3C2410的通用片选引脚nGCS3，当S3C2410访问RTL8019AS时，RTL8019AS被激活.芯片IORB和IOWB引脚为读写信号线，接到S3C2410的nOE和nWE读写控制引脚.S3C2410的定时器输出引脚TOUT0与RTL8019AS的RSTDRV连接，并进行复位操作，由于RSTDRV为高电平有效，因此给该引脚加一个1 μs以上的高电平就可以复位.RTL8019AS可以兼容8位和16位操作，IOCS16是16位I/O选择引脚.RTL8019AS上电复位时，如果IOCS16为低电平，则RTL8019AS将选择8位模式，反之，将选择16位模式.由于 S3C2410是 16/32位的CPU，所以选择RTL8019AS16位的总线模式(每次读/写2个字节，需要16根数据总线，即SD0～SD15).INT0表示RTL8019AS的中断请求引脚与S3C2410的外部中断请求引脚相连.JP引脚为高电平，I/O和中断采用跳线模式.

4 软件设计

单片机S3C2410作为系统的核心，不仅要实现精简的TCP/IP协议栈，还要实现对无线收发芯片nRF905的控制.软件处理流程见图4.

图4 软件处理流程

系统的工作流程如下:S3C2410上电启动后，进行相关的初始化操作，并设定好中断模式，然后正常启动Web服务，S3C2410通过Internet获取相关指令.当网页中传递了相关的指令时，S3C2410启动中断处理程序，即S3C2410暂时中断Web服务，通过对nRF905的控制，实现与智能设备间的数据收发，并将通信数据缓存，然后S3C2410结束中断处理程序，恢复Web服务，并通过动态网页技术把数据以网页的形式传给客户端.

5 结语

智能设备采用RS232，RS485，CAN总线等有线方式，通过Web服务器接入Internet时，受到信息点结构布局和走线的限制，缺乏灵活性.本文设计的无线Web服务器，可以方便、灵活地实现对信息点的控制并减少布线成本.小范围无线与嵌入式系统的结合，必将推动嵌入式系统的广泛应用，此类产品以其微型化和低成本的特点，在家庭和办公自动化、电子商务、工业控制，以及智能化建筑物等方面有广阔的应用前景.

［1］朱芳，章坚武，高峰.一种基于nRF905的无线数据采集系统设计［J］.杭州电子科技大学学报，2007(2):29-32.

［2］董炜，杨士元.嵌入式Internet与家庭网关技术［J］.计算机应用研究，2005(6):222-225.

［3］周维，陈默.基于S3C2410的 ARM开发平台［J］.电子技术，2004(7):4-7.

［4］NORDIC Semiconductor.nRF905 DataSheet［DB/OL］.［2010－09 －05］http://www.nordicsemi.com.

［5］孙鹏.单片射频收发器nRF905的原理与应用［J］.电子制作，2008(2):63-66.

［6］REALTEK Semiconductor.RTL8019 DataSheet［DB/OL］.［2011-05-06］http://www.realtek.com.tw.