介绍了嵌入式WEB传感器的体系结构，提出了网络化接口中TCP/IP协议栈的几种实现方式，着重探讨了基于TCP/IP协议栈芯片W3100A的网络化接口的实现，最后分析了嵌入式WEB传感器的WEB功能的实现｡
嵌入式WEB传感器是在智能传感器的基础上发展起来的具有Internet功能的新型传感器｡
其实质是在传统传感器的基础上实现TCP/IP网络通信协议接口，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信｡它的组成主要有：敏感单元､智能处理单元和TCP/IP通信协议接口｡
图1为嵌入式WEB传感器的体系结构｡传统的传感器在嵌入式WEB传感器中只占一部分｡核心部分是完成信号处理､数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的TCP/IP网络接口｡整个传感器的工作机理是：传感器将被测物理量转换为电信号，通过A/D转换为数字信号，经过微处理器的数据处理 （滤波､校准）后将结果传送给网络;与网络的数据交换由基于TCP/IP协议的网络接口模块完成｡嵌入式WEB传感器的内部存储器存储传感器的物理特征，如偏移､灵敏度､校准参数等;微处理器实现数据的处理和补偿以及输出校准;TCP/IP协议实现传感器的直接网络连接｡与传统的传感器相比，基于Internet的嵌入式WEB传感器更加可靠､便宜，扩展性更好且可以在内部直接对原始数据加工､处理，并通过Internet与外界进行数据交换｡因而它具有微型化､网络化和智能化｡传感器的网络化接口实现了对Internet或以太网的互连以进行信息的发布和资源共享｡其实现方式是嵌入式WEB传感器研究的重点｡
网络化接口实现的关键在于TCP/IP通信协议的实现｡TCP/IP通信协议的实现方法主要有：采用协议栈移植，针对嵌入式系统，将TCP/IP协议栈移植到系统中，然后调用相关的API函数实现网络通信;不采用移植方式，参照标准的TCP/IP协议精简相应的协议层，编写相关的API函数完成简易的TCP/IP通信;采用协议芯片，如W3100A芯片，该方法直接采用硬件方式实现TCP/IP协议，直接对芯片的寄存器进行设置，实现数据对网络的传送｡本文着重探讨采用W3100A芯片实现嵌入式WEB传感器的网络化接口的问题｡
1 网络化接口的实现
1.1 W3100A芯片及处理器对其访问的实现
W3100A是一TCP/IP协议栈芯片，包含的各协议层有：TCP､IP､UDP､ICMP和以太网协议的数据链路DLC，以及MAC协议｡其工作方式类似于Windows的Socket API｡芯片的内部结构示意如图2所示｡
该芯片可选择地支持Intel/Motorola MCU接口，另外还提供一个I2C接口给上层应用层，一个MII接口给底层物理层｡芯片支持全双工模式，内部带有双口的SRAM数据缓冲区｡其封装是64脚的LQFP｡
芯片提供寄存器供MCU访问，具体的寄存器分类如下：控制寄存器（命令､状态及中断）;系统寄存器（网关地址､子网掩码､IP地址等）;用于数据收､发的指针寄存器;通道操作的通道寄存器｡
比较重要的几个寄存器如表1所示｡
表1 寄存器功能和地址示意图
寄存器名称
地 址
类 型
功 能
C0_CR~C3_CR
0X00~0X03
控制寄存器
完成相应通道套接字的初始化､连接､关闭和数据收发
C0_ISR~C3_ISR
0X04~0X07
控制寄存器
套接字命令的结果情况
IR
0X08
控制寄存器
各个通道套接字和数据接收中断产生情况
IMR
00X09
控制寄存器
控制各中断的屏蔽使能
GAR
0X80~0X83
系统寄存器
用于默认的网关地址的设置
SIPR
0x8E~0X91
系统控制
用于IP地址设置寄存器
RW_PR
每寄存器3字节，具体地址见W3100A数据手册
指针寄存器
接收数据的尾指针，依据数据大小自动调整
RR_PR
指针寄存器
接收数据的首指针
TW_PR
指针寄存器
传送数据的尾指针
TR_PR
指针寄存器
传送数据的当前数据指针
TA_PR
指针寄存器
指示传送数据的首指针
SSR
C0:0XA0;C1:0XB8
C2:0XD0;C3:0XEB
通道寄存器
相应通道的套接字状态
SOPR
C0:0XA1;C1:0XB9
C2:0XD1;C3:0XE9
通道寄存器
相应通道的协议选择
控制寄存器C0_CR（通道0的命令寄存器），用于通道0套接字（Socket）的初始化､连接､关闭和数据收发，其设置如下：
其中，Sys_init用于设置网关､子网掩码以及IP地址等，1~6位用于通道0套接字的初始化､连接､断开､监听以及数据收发，相应位在命令执行后自动清除｡通过套接字协议选择寄存器C0_S0PR设置相应的协议值确定套接字中选用TCP还是UDP｡
芯片正常工作必须对其完成相应的初始化｡初始化主要是对必要的寄存器进行相应的设置，这些寄存器包括：网关地址寄存器GAR､子网掩码寄存器SMR､硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等｡上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片｡
1.2 硬件接口及其数据传输
图3 I2C接口示意图
该芯片提供了并口和串口两种方式实现与MCU的通信｡图3为基于I2C的串口连接方式｡其中MCU为传感器中的处理器，以太网物理层设备选用RTL8201芯片｡W3100A提供MII接口与RTL8201相连，其中引脚RX_CLK､RXDV､RXD［0:3］以及COL用于数据的接收，而TX_CLK､TXE､TXD［0:3］用于数据的发送｡MCU中提供模拟的I2C接口与W3100A通信｡I2C是串行通信总线方式，由数据线SDA和时钟线SCL配合完成通信｡
建立TCP连接的具体过程如图4所示｡首先完成芯片的TCP/IP初始化，设置相应通道如0通道的协议选择寄存器C0_SOPR为0X01;选择TCP协议，执行通道0命令寄存器C0_CR中的Socket_Init，同时将C0_TW_PR､C0_TR_PR及C0_TA_PR置成同一值;然后执行C0_CR的Connect和Listen命令位，如此TCP连接建立｡
2 嵌入式WEB传感器的WEB功能的实现及其在测控系统中的应用
WEB的工作基于客户机/服务器模型，由WEB浏览器和WEB服务器即传感器构成，两者之间采用HTTP协议进行通信｡因此在传感器的上层协议应该采用HTTP协议｡同时要实现浏览器与嵌入式WEB传感器交互，除了要解决上述TCP/IP通信协议接口外，在传感器中应提供一个EEPROM存储相应的网页文件｡交互时，HTTP通过统一资源定位器URL（Uniform Resource Locator）确定传感器应该为浏览器提供哪些资源｡为了节省空间，通过一种灵活的Hush算法实现｡EEPROM中的每一个文件都有一个不同的Hush值与之相对应，存取时很快可以计算出文件的地址｡此外，它可以根据网页中嵌入的特殊标志实现动态网页｡即显示实时采集的数据并进行控制操作｡
下面是存储在温度传感器中的一个简单的动态网页程序，其中的“@”字符用来在网页中插入温度的标志，网页文件存放在传感器的EEPROM里｡当用户发出页面请求时，处理器上的程序在TCP打包时，把温度值嵌入到网页中的“@”字符处，再将网页文件添加相应的HTTP头，返回给请求的用户｡如此用户将在浏览器上看到实际的温度显示值｡
实时温度监视
现在的温度是： @
如图5所示，嵌入式WEB传感器和以太网测控网关将同时接到以太网上，实现上层网络终端客户端对其的访问｡上层监控级对嵌式WEB传感器访问采用B/S模式，监控级通过其浏览器实现对嵌入式WEB传感器的访问｡
本文所提出的网络化接口方案是利用硬件芯片实现TCP/IP协议栈，可以解决当前应用中大量存在的8位MCU实现TCP/IP通信协议的问题｡该网络化接口应用到嵌入式WEB传感器上，很好地实现了现场级设备对外部网的接入，实现了信息的共享和发布，同时也扩大了控制的半径｡该网络化接口实现方便，具有通用性，应用范围广｡
介绍了嵌入式WEB传感器的体系结构，提出了网络化接口中TCP/IP协议栈的几种实现方式，着重探讨了基于TCP/IP协议栈芯片W3100A的网络化接口的实现，最后分析了嵌入式WEB传感器的WEB功能的实现｡
嵌入式WEB传感器是在智能传感器的基础上发展起来的具有Internet功能的新型传感器｡
其实质是在传统传感器的基础上实现TCP/IP网络通信协议接口，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信｡它的组成主要有：敏感单元､智能处理单元和TCP/IP通信协议接口｡
图1为嵌入式WEB传感器的体系结构｡传统的传感器在嵌入式WEB传感器中只占一部分｡核心部分是完成信号处理､数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的TCP/IP网络接口｡整个传感器的工作机理是：传感器将被测物理量转换为电信号，通过A/D转换为数字信号，经过微处理器的数据处理 （滤波､校准）后将结果传送给网络;与网络的数据交换由基于TCP/IP协议的网络接口模块完成｡嵌入式WEB传感器的内部存储器存储传感器的物理特征，如偏移､灵敏度､校准参数等;微处理器实现数据的处理和补偿以及输出校准;TCP/IP协议实现传感器的直接网络连接｡与传统的传感器相比，基于Internet的嵌入式WEB传感器更加可靠､便宜，扩展性更好且可以在内部直接对原始数据加工､处理，并通过Internet与外界进行数据交换｡因而它具有微型化､网络化和智能化｡传感器的网络化接口实现了对Internet或以太网的互连以进行信息的发布和资源共享｡其实现方式是嵌入式WEB传感器研究的重点｡
网络化接口实现的关键在于TCP/IP通信协议的实现｡TCP/IP通信协议的实现方法主要有：采用协议栈移植，针对嵌入式系统，将TCP/IP协议栈移植到系统中，然后调用相关的API函数实现网络通信;不采用移植方式，参照标准的TCP/IP协议精简相应的协议层，编写相关的API函数完成简易的TCP/IP通信;采用协议芯片，如W3100A芯片，该方法直接采用硬件方式实现TCP/IP协议，直接对芯片的寄存器进行设置，实现数据对网络的传送｡本文着重探讨采用W3100A芯片实现嵌入式WEB传感器的网络化接口的问题｡
1 网络化接口的实现
1.1 W3100A芯片及处理器对其访问的实现
W3100A是一TCP/IP协议栈芯片，包含的各协议层有：TCP､IP､UDP､ICMP和以太网协议的数据链路DLC，以及MAC协议｡其工作方式类似于Windows的Socket API｡芯片的内部结构示意如图2所示｡
该芯片可选择地支持Intel/Motorola MCU接口，另外还提供一个I2C接口给上层应用层，一个MII接口给底层物理层｡芯片支持全双工模式，内部带有双口的SRAM数据缓冲区｡其封装是64脚的LQFP｡
芯片提供寄存器供MCU访问，具体的寄存器分类如下：控制寄存器（命令､状态及中断）;系统寄存器（网关地址､子网掩码､IP地址等）;用于数据收､发的指针寄存器;通道操作的通道寄存器｡
比较重要的几个寄存器如表1所示｡
表1 寄存器功能和地址示意图
寄存器名称
地 址
类 型
功 能
C0_CR~C3_CR
0X00~0X03
控制寄存器
完成相应通道套接字的初始化､连接､关闭和数据收发
C0_ISR~C3_ISR
0X04~0X07
控制寄存器
套接字命令的结果情况
IR
0X08
控制寄存器
各个通道套接字和数据接收中断产生情况
IMR
00X09
控制寄存器
控制各中断的屏蔽使能
GAR
0X80~0X83
系统寄存器
用于默认的网关地址的设置
SIPR
0x8E~0X91
系统控制
用于IP地址设置寄存器
RW_PR
每寄存器3字节，具体地址见W3100A数据手册
指针寄存器
接收数据的尾指针，依据数据大小自动调整
RR_PR
指针寄存器
接收数据的首指针
TW_PR
指针寄存器
传送数据的尾指针
TR_PR
指针寄存器
传送数据的当前数据指针
TA_PR
指针寄存器
指示传送数据的首指针
SSR
C0:0XA0;C1:0XB8
C2:0XD0;C3:0XEB
通道寄存器
相应通道的套接字状态
SOPR
C0:0XA1;C1:0XB9
C2:0XD1;C3:0XE9
通道寄存器
相应通道的协议选择
控制寄存器C0_CR（通道0的命令寄存器），用于通道0套接字（Socket）的初始化､连接､关闭和数据收发，其设置如下：
其中，Sys_init用于设置网关､子网掩码以及IP地址等，1~6位用于通道0套接字的初始化､连接､断开､监听以及数据收发，相应位在命令执行后自动清除｡通过套接字协议选择寄存器C0_S0PR设置相应的协议值确定套接字中选用TCP还是UDP｡
芯片正常工作必须对其完成相应的初始化｡初始化主要是对必要的寄存器进行相应的设置，这些寄存器包括：网关地址寄存器GAR､子网掩码寄存器SMR､硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等｡上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片｡
1.2 硬件接口及其数据传输
图3 I2C接口示意图
该芯片提供了并口和串口两种方式实现与MCU的通信｡图3为基于I2C的串口连接方式｡其中MCU为传感器中的处理器，以太网物理层设备选用RTL8201芯片｡W3100A提供MII接口与RTL8201相连，其中引脚RX_CLK､RXDV､RXD［0:3］以及COL用于数据的接收，而TX_CLK､TXE､TXD［0:3］用于数据的发送｡MCU中提供模拟的I2C接口与W3100A通信｡I2C是串行通信总线方式，由数据线SDA和时钟线SCL配合完成通信｡
建立TCP连接的具体过程如图4所示｡首先完成芯片的TCP/IP初始化，设置相应通道如0通道的协议选择寄存器C0_SOPR为0X01;选择TCP协议，执行通道0命令寄存器C0_CR中的Socket_Init，同时将C0_TW_PR､C0_TR_PR及C0_TA_PR置成同一值;然后执行C0_CR的Connect和Listen命令位，如此TCP连接建立｡
2 嵌入式WEB传感器的WEB功能的实现及其在测控系统中的应用
WEB的工作基于客户机/服务器模型，由WEB浏览器和WEB服务器即传感器构成，两者之间采用HTTP协议进行通信｡因此在传感器的上层协议应该采用HTTP协议｡同时要实现浏览器与嵌入式WEB传感器交互，除了要解决上述TCP/IP通信协议接口外，在传感器中应提供一个EEPROM存储相应的网页文件｡交互时，HTTP通过统一资源定位器URL（Uniform Resource Locator）确定传感器应该为浏览器提供哪些资源｡为了节省空间，通过一种灵活的Hush算法实现｡EEPROM中的每一个文件都有一个不同的Hush值与之相对应，存取时很快可以计算出文件的地址｡此外，它可以根据网页中嵌入的特殊标志实现动态网页｡即显示实时采集的数据并进行控制操作｡
下面是存储在温度传感器中的一个简单的动态网页程序，其中的“@”字符用来在网页中插入温度的标志，网页文件存放在传感器的EEPROM里｡当用户发出页面请求时，处理器上的程序在TCP打包时，把温度值嵌入到网页中的“@”字符处，再将网页文件添加相应的HTTP头，返回给请求的用户｡如此用户将在浏览器上看到实际的温度显示值｡
实时温度监视
现在的温度是： @
如图5所示，嵌入式WEB传感器和以太网测控网关将同时接到以太网上，实现上层网络终端客户端对其的访问｡上层监控级对嵌式WEB传感器访问采用B/S模式，监控级通过其浏览器实现对嵌入式WEB传感器的访问｡
本文所提出的网络化接口方案是利用硬件芯片实现TCP/IP协议栈，可以解决当前应用中大量存在的8位MCU实现TCP/IP通信协议的问题｡该网络化接口应用到嵌入式WEB传感器上，很好地实现了现场级设备对外部网的接入，实现了信息的共享和发布，同时也扩大了控制的半径｡该网络化接口实现方便，具有通用性，应用范围广｡
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