基于嵌入式设备的移动互联设备硬件设计与实现

陈业慧，于玉亭，刘毅强（安徽新华学院，安徽 合肥 230088）



基于嵌入式设备的移动互联设备硬件设计与实现

陈业慧，于玉亭，刘毅强
（安徽新华学院，安徽 合肥 230088）

摘 要：企业网络主要是借助企业管理和决策来实现对信息网络的处理，以及对处理现场的实施监测控制网络两个部分构成.信息网络属于企业网络的上层结构，主要处理较大量和变化性强的信息特点；网络的控制主要采用现场总线技术，对处于企业低层的、实时的现场传感器和执行器等设备的现场信息，有着协议简单、安全性高一级容错性强以及成本低的特点.当前使用最为广泛的是PROFIBUS现场总线，对企业的现场控制器和执行机构之间产生通信，实现企业现场低层控制网络的建构.

关键词：嵌入式设备；移动互联设备；硬件设计；实现

互联网快速发展以及PROFIBUS现场总线技术在生产以及经营中的应用实现了企业对信息的共享和控制的一体化.利用互联网可以实现PROFIBUS现场总线设备的远程监控系统的发展必然趋势.其在快速的发展中逐渐走向成熟的嵌入技术已经成为PROFIBUS远程监控系统的发展带来了新的方向，基于嵌入式Web技术的远程监控方式必然会成为我国未来的发展方向之一.使用嵌入式技术将PROFIBUS现场中的总线和互联网进行连接，具有开放性的互联网中各种安全性问题也随之而来，例如可能会遭到黑客的非法侵袭以及非法操作等安全问题.安全问题对于工控网络来讲是安全中最为关键的，如果不能将这一问题解决，将会带来十分严重的后果，因此不能将PROFIBUS盲目的介入互联网中.不能将成熟的PC安全策略直接搬用在嵌入式设备中，需要根据实际应用的场景来实现，并提出合理的安全策略.［1］

1 嵌入式Web网关硬件设计和软件开发

在嵌入式网关系统的设计中，硬件平台的设计较为重要，硬件平台的安全性、可靠性、稳定性等关系着整个系统的可靠运行.只有将硬件平台实现良好的建立才能在其上实现软件系统和程序的添加，真正实现网关的功能，例如协议转换和安全功能等.

当前快速发展的微电子技术使得很多体积小、功能强、速度快的微处理器芯片应用在硬件系统的设计开发中.目前主要的嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、PC系列、X86和Super系列等.在RIS基础上进行架构的ARM微处理器指令的执行效率较高，如见操作平台建立较为简单，同时还具有丰富的外围扩展电路功能，对多种任务要求实现满足.采用ARM技术构架嵌入式的Web网关是一种可行性较高的方案.［2］

基于PROFIBUS-DP的嵌入式Web网关的数据要经过以下过程：用户在胡亮网上向嵌入式的网关发送操作现场设备的请求，网关将该请求进行处理后，发到连接在PROFIBUS-DP的现场设备上，随后现场设备对请求进行响应，先将相应设备的数据传回网关，随后网关将此数据进行处理随后再将处理后的数据传回至客户端.依据该网关的数据传输方向该网关首先需要对互联网和PROFIBUS-DP之间的连接，实现以上设备的总线应将接口和处理数据的处理器之间的连接，随后将具备网关的最基本电源电路、存储器等实现连接.

电源电路中电源系统主要用来产生网关工作中需要的三种电压：3.3伏、1.8伏和1.25伏，网关电源接口外接电压为5伏电压，在专门的电压降压芯片系统作用下产生系统需要的电压值.复位电路，网关的复位电路使用专业的复位芯片，实现网关处理器需要的低电压平复位，实现系统上的电复位和工作中的按键复位.SDRAM，其是同步动态随机存储器，相当于网关系统的内存.网关系统在启动中，将可执行的程序从FLASH中搬移到SDRAM对应的地质中，随后再从SDREM的程序入口对程序进行执行，这样网关系统得以正常运行.FALSH，主要利用非易失特性，对可执行程序的网关系统进行储存，其中包含了BootLoader程序、内核代码和应用程序代码等.网关接口，网关的网络接口的主要作用是将网关在网线的接通中连入互联网中，在设计中主要使用的是DM9000网卡芯片，该芯片是一种高集成度、满足成本效益的高速太网控制器，对自适应的10/100M网络进行适应.在RJ45接头的直接使用中将普通的网线嵌入网关连接的路由器或是在交换机的作用下介入互联网.串门，PROFIBUS-DP的物理层符合RS485标准，嵌入式网管在9针的D-sub型练级诶器的作用下介入PROFIBUS-DP系统中.JTAG接口，刚刚制作好的开发板中没有任何程序存在，此时需要使用JTAG接口来实现首个程序的书写，同时JTAG接口还能负责将JLINK的仿真器实现连接，用于嵌入式的开发和调试中.［3］

2 嵌入式Linux系统

在嵌入式设备中所有使用的系统都被称作嵌入式操作系统，其中通常会包含内核、底层相关的驱动软件、通信协议、图形界面等.嵌入式操作喜用负责者整个嵌入式系统软件、硬件资源的配比、调度任务、控制和发生活动中，它对软硬件的整合性和协调性都进行了强调.在软硬件的裁剪中体现系统的特征，满足不同系统之间的需求.

当前的嵌入式操作系统种类十分多，主要包括了PalmOS、WindowsCE、QNX、Linux等.高端嵌入式操作系统需要多种高级功能，例如用户界面和网络支持.多数的高端实时操作系统供应商已经满足了以上这些功能，但是价格同时十分高昂.嵌入式Linux系统在开发后受到了广大用户的欢迎，由于其开放源代码的易得性以及系统的强大性，嵌入式Linux系统已经成为了侵入式操作系统中比较优秀的解决方案.［4］

2.1 嵌入式Linux操作系统的移植

嵌入式Linux操作系统根据软件的层次主要可以被分为三个主要部分：加载引导程序、Linux内核、根文件系统，在嵌入式Web网关上嵌入Linux操作系统的移植主要和以上三部分相关.嵌入式Linux操作系统中的典型结构可以由下图1进行表示，其中引导参数为Boot parameters，主要起着关键的桥梁作用，对Boot Loader引导程序和内核进行联系，Boot Loader中将引导参数和全局变量表示在Boot parameters中.

图1 嵌入式Linux系统的分区结构

3 网关嵌入式服务器的设计和实现

3.1 网关嵌入Web网关的设计方案

PROFIBUS-DP每段可以最多可以实现32个站点的连接，在中继器的帮助下可以增加段数，距离也能实现10km的延长，总线上的数量可以多达127个，其中将1类主站和2类主站除去，最多可以对125个设备进行监控，因此必须设计出科学、合理操作性强的网页界面，这样管理人员在观看PROFIBUS总线中才能将任意的设备秩序中选择适应的设备名，并通过表单进行提交请求；设计的嵌入式Web服务器需要具备动态性的互操作性，需要对用户的动态需求进行生成，并且实现对设备状态的实时反映，完成信号采集、信号报警以及操作的执行结果等，普通的嵌入式Web服务不能满足这种特殊的请求，需要提供一种特殊手段对应用程序进行扩展，实现用户和设备之间的复杂交互；在PROFIBUS-DP工控网络中，完全是极为重要的问题，因此设计的嵌入式Web服务器功能中必须实现对关键信息的访问，组间状态以及配置等操作实现严格认证，进一步保护嵌入式设备的安全.［5］

应用程序接口模式可以实现和嵌入式应用系统的数据交换，嵌入式Web服务器中，应用程序接口和嵌入式操作系统的通信，对CGI系统进行调用，该系统按照其自身的规范来对Web服务器传递来的各种信息进行读取，对客户端的请求进行解释和处理，同时将嵌入式数据库中运用用户身份认证和总线上的设备信息交互等，最后将处理结果按照CGI的规范返回到Web服务器中.这还少嵌入式Web服务器软件的核心.

图2 嵌入式Web网关的结构示意图

3.2 嵌入式Appweb服务器的移植

在网站 http：//appwebserver.org上实现源码 appweb-src-3.4.2的下载，并在宿主机上进行解压，在终端对配置参数进行修改和执行./configure --host=arm-s3c2410-linux

--build=i686-pc-linux …….--port=80 --with-cgi= builtin --with-ssl=builtin

--with-matrixssl=builtin …… --prefix=/mnt/appweb--webDir=/var/web

--with-matrixssl=/home/chaidan/桌 面 /appweb+matrixssl/matrixssl-1.8.3/matrixssl.以上配置的参数需要移植到开发板的处理器，型号为ARM架构的S3C2410，或是移植在S3C2410上也可以实现工作.

当Configure成功执行后，可以生成文件Makefile，在终端运行的make命令中，完成编译，完成后，将appweb-3.3.2目录中的bin、lib、modules生成文件夹arm-s3c2410-linux，在目中包含了可执行的文件夹、库文件以及模块等.随后执行安装，完成安装.

4 小结

21世纪是信息化的社会，信息在各行各业的生存和发展中都具有重要的作用.［6］及时全面的掌握信息就能在竞争激烈的环境中实现生存和发展，只有依靠对信息数据的分析才能展开有效决策.

参考文献：

〔1〕梅海军.基于“蓝牙”技术的嵌入式终端设备开发及硬件实现［D］.重庆邮电学院，重庆邮电大学,2004.11-42.

〔2〕胡安扬.基于WIFI的嵌入式设备组网设计与数据库缓存技术研究［D］.北京邮电大学,2015.12-34.

〔3〕董玉明.基于ARM11的移动互联设备硬件设计与实现［D］.西安电子科技大学,2010.13-32.

〔4〕尹航.基于DSP的嵌入式智能交通监控系统前端设备设计与实现［D］.哈尔滨工程大学,2011.20-38.

〔5〕孙华敏.面向设备监测的嵌入式数采分析系统软硬件设计与实现［D］.北京交通大学,2014.21-37.

〔6〕郭晓波.基于嵌入式ARM与Linux的手持设备的音视频无线通信系统研究［D］.武汉纺织大学,2014.23-45.

中图分类号：TP319.1

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）05-0009-02

收稿日期：2016-01-06