CN104360983A - 一种兼容HTML5的Web网络单片机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种兼容HTML5的Web网络单片机，本发明实现了HTML5Web网页与单片机网络通讯及控制，改变了传统单片机用汇编、C编译这种开发方式，为不熟悉单片机硬件的软件开发人员可以控制和使用单片机；这种单片机具备以下特点：支持TCP/IP网络协议，采用B/S跨平台应用构架；按照HTML5标准规范编程，编程难度小，通用性强；文件存储位置灵活，可实现分布式存储；运行软硬件要求低，可以通过客户端设备中兼容HTML5的浏览器运行。
Description
技术领域
本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种兼容HTML5的Web网络单片机。
背景技术
2014年10月29日，万维网联盟(W3C)宣布，经过多年的艰辛努力，HTML5标准规范终于最终制定完成。HTML5将带来一个统一的网络，无论是笔记本、台式机、平板电脑、智能手机、电视机顶盒，也无论是Windows、Linux、Android、还是iOS系统都可以通过浏览器很方便的与基于HTML5的Web服务器进行通讯。HTML5被赋予了很多之前传统HTML所没有具备的API，HTML5将Web平台应用提升到一个新的高度，跨平台的Web应用已成为未来软件发展的趋势。
单片机又称单片微控制器，主要应用于控制领域，我们生活中所接触的电子产品几乎都会用到单片机，目前，全球单片机的使用数量已经远远超过PC机和其他计算机的总和。一直以来，单片机系统的开发都需要具备专业的单片机开发技术，使用汇编语言、C语言工具进行开发，有一定的开发难度。HTML5的出现使我们有了一个新的设想，能否在现有单片机的基础上开发出一种兼容HTML5标准规范的，用户不需要汇编语言、C语言也能够控制的通用网络单片机呢？这样，用户就可以使用HTML5+JavaScript编程通过网络对单片机进行控制。
HTML5是个庞大而且复杂的Web平台系统应用规范，一般情况下都部署在有操作系统Winodws/Linux支持的服务器上。过去，单片机为了适应低功耗、小体积的嵌入式要求，功能相对简单，在单片机上集成网络应用非常困难，随着单片机技术的快速发展，特别是ARM 32位、64位内核的出现，为单片机网络应用奠定了坚实的硬件基础。特别是System On a Chip结构单片机的出现，设计开发基于HTML5应用的单片机将成为可能，而兼容HTML5的单片机可以应用于跨平台网络控制领域，如图1所示，基于HTML5应用的单片机可以实现分布式安装，集中管理，最主要的是HTML5实现了真正的跨平台，客户端程序在Windows、Linux、Android、iOS系统上都可以运行，无论是PC台式电脑、笔记本电脑、平板、智能手机、电视机顶盒都可以作为单片机的用户操作界面，实施方便。随着物联网、智慧城市的发展，HTML5网络单片机的应用范围将更广泛。
发明内容
为此，本发明提供了一种兼容HTML5的Web网络单片机，基于HTML5应用的单片机使许多软件系统集成开发人员不需要太多的单片机知识就可以控制单片机，应用简单，降低开发成本。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种兼容HTML5的Web网络单片机，包括硬件框架和软件内核，其特征在于，所述硬件框架为内置全硬件TCP/IP协议栈，以ARM Cortex_M3CPU 32位内核的SOC单芯片；所述软件内核包括多任务实时操作系统内核、驱动程序以及服务程序，所述服务程序包括Web服务器，WebSocket服务器，Modbus服务器，UART串口服务器，PLC服务器，Adobe Flash安全沙箱和FAT32文件管理；所述网络单片机通过符合HTML5规范的语言控制，控制命令通过TCP/IP网络协议传输。
优选的，所述SOC单芯片为W7200，所述多任务实时操作系统内核为uCOSII开源占先式多任务实时内核。
优选的，所述单片机内存储有硬件端口与软件内核访问地址的映射表，使软件内核访问地址与W7200端口地址建立一一对应关系。
优选的，所述映射表记录内容包括管脚号、端口名称和访问地址。
优选的，由所述映射表所记录的端口用于开关量数据采集、开关量输出控制、模拟量的采集、PWM控制或者数模转换输出、客户端与UART串口通讯或控制第三方带UART接口的器件或设备，和客户端与I2C透明通讯或控制第三方带I2C接口的器件。
优选的，所述硬件框架主要包括三个电路模块，分别为SOC单片机核心电路及其外围元件、RJ45网络接口电路和SD卡存储电路。
优选的，所述SOC单片机核心电路及其外围元件包括以下功能：给内部硬件TCP/IP协议栈模组提供振荡时钟源、给内部ARM Cortex_M3内核提供振荡时钟源；提供ARM内核低电平复位电路、提供内部TCP/IP协议栈模组低电平复位电路、提供数字3.3V，模拟3.3V，内核1.8V三种电源、为单片机提供正常工作模式和自动握手，全双工100M传输速率模式两种选择的电路、显示示W7200运行状态和提供基准电压用以保证ADC端口采集数据的精度。
优选的，所述RJ45网络接口电路连接W7200与外部网络，并可以显示网络连接状态。
优选的，所述SD存储卡是单片机外部大容量存储器，用以保存HTML5规范的网页文件、PLC梯形图文件和Flash动画文件。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种兼容HTML5的Web网络单片机，本发明实现了HTML5Web网页与单片机网络通讯及控制，改变了传统单片机用汇编、C编译这种开发方式，为不熟悉单片机硬件的软件开发人员可以控制和使用单片机；这种单片机具备以下特点：支持TCP/IP网络协议，采用B/S跨平台应用构架；按照HTML5标准规范编程，编程难度小，通用性强；文件存储位置灵活，可实现分布式存储；运行软硬件要求低，可以通过客户端设备中兼容HTML5的浏览器运行。
附图说明
图1为HTML5Web网络单片机应用原理图；
图2为HTML5Web网络单片机软件结构图；
图3为SOC单片机核心电路及其外围元件电路图；
图4为RJ45网络接口电路电路图；
图5为SD卡存储电路电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
在一个实施例中，如图2所示，一种兼容HTML5的Web网络单片机，包括硬件框架和软件内核，其特征在于，所述硬件框架为内置全硬件TCP/IP协议栈，以ARM Cortex_M3CPU 32位内核的SOC单芯片；所述软件内核包括多任务实时操作系统内核、驱动程序以及服务程序，所述服务程序包括Web服务器，WebSocket服务器，Modbus服务器，UART串口服务器，PLC服务器，Adobe Flash安全沙箱和FAT32文件管理；所述网络单片机通过符合HTML5规范的语言控制，控制命令通过TCP/IP网络协议传输。
优选的，所述SOC单芯片为W7200，所述多任务实时操作系统内核为uCOSII开源占先式多任务实时内核。
其中，对于单片机的控制指令通过TXON/TXOP,RXIN/RXIP构成的RJ45接口进入网络单片机的硬件层，在uCOSII多任务实时操作系统的协调下，经驱动层进入应用层，根据不同的Socket访问端口，系统自动选择相应的软件服务器程序执行。应用层中包含了7个软件服务器：集成Web服务器、WebSocket服务器、Modbus服务器、UART串口服务器、PLC服务器、Adobe Flash安全沙箱和FAT32文件管理。
所述Web服务器主要负责与客户端浏览器之间进行HTTP协议通讯，响应客户端的请求，回应客户端所需的信息。Web服务器主要任务：响应系统参数设置固定网页的信息，固定服务端口8000；响应用户存储在单片机系统Flash存储器或SD存储卡中的用户HTML5网页文件index.html，固定服务端口80；回应客户端文件管理请求，利用FAT32文件管理服务，上传和下载HTML5及网页相关文件到系统Flash存储器或SD存储卡中，固定服务端口：8080。
所述WebSocket服务器主要实现客户端浏览器之间进行Socket通讯，建立与客户端之间的长连接，使客户端浏览器与单片机的UART串口能够进行透明传输。服务端口由用户通过参数设置网页设置。
所述Modbus服务器主要负责解析来自网络客户端的符合国际标准的Modbus指令，并根据指令要求对单片机所有端口进行控制，同时返回客户端需要的数据。Modbus服务器自动识别普通Socket连接和WebSocket连接，这样单片机既可以兼容普通的TCP/IP Modbus通讯协议，也可以兼容HTML5规范的Modbus协议。Modbus服务器端口是WebSocket服务器端口加1。
所述UART服务器主要负责单片机UART1、2、3三个接口的配置和管理，使UART接口与WebSocket服务器内部数据通讯，可以灵活的选择UART不同接口与WebSocket服务器内部连接，实现客户端与不同UART接口之间透明传输，通过UART接口达到控制第三方具有UART串口的设备。UART服务器与Websocket内部连接，对外服务器端口就是Websocket服务器端口。
所述PLC服务器是在单片机内部集成一个专用的PLC控制内核，可以解释执行专用的PLC梯形图程序，HTML5网络单片机并没有运行HTML5的网页文件，全部依靠客户端浏览器运行，内部集成了PLC服务器，就可以执行PLC梯形图程序达到离线控制，PLC的梯形图文件可以保存在SD存储卡上，PLC调用到SRAM内存中解释运行。PLC服务器服务端口是WebSocket服务器端口加2。
所述Adobe Flash安全沙箱主要是解决网页文件使用Flash调用Socket跨域通讯时出现的问题，Flash矢量动画一直以来被广泛的应用，其出色的Socket通讯功能是HTML5的Websocket出现之前，解决Web网页与支持socket的网络设备通讯的最佳选择，为了保持与Flash socket兼容，Adobe Flash安全沙箱必不可少，它不断监听客户端Flash socket连接之前发起的特定消息帧，然后回应安全策略信息，成功建立socket连接。Adobe Flash安全沙箱的服务端口固定为：843。
所述FAT32文件管理的功能主要是将连接在单片机的SPI外部存储设备：Flash存储器和SD存储卡以FAT32文件及目录的规范进行组织管理，以FAT32标准文件的格式存储。如：HTML5网页文件、JavaScript文件、SWF文件和梯形图文件。
优选的，所述硬件框架主要包括三个电路模块，分别为SOC单片机核心电路及其外围元件、RJ45网络接口电路和SD卡存储电路。
如图3所示，所述SOC单片机核心电路具体为：由R12、C21、C22、T2组成25M晶振电路与W7200的39脚、40脚连接，给内部硬件TCP/IP协议栈模组提供振荡时钟源；R8、C8、C9、T1组成8M晶振电路与W7200的4脚、5脚连接，给内部ARM Cortex_M3内核提供振荡时钟源；W7200的6脚连接C10，构成ARM内核低电平复位电路；电容C15连接51脚构成内部TCP/IP协议栈模组低电平复位电路，然后连接3脚，程序通过PC15可控制TCP/IP协议栈模组复位。W7200内部硬件TCP/IP协议栈模组对电源有特殊的要求，有数字3.3V，模拟3.3V，内核1.8V三种电源，外部输入3.3V直接当作数字3.3V电源。数字3.3V经电容C11、C12滤波接入8脚，数字3.3V电源经电容C13、C14滤波接入19脚，数字3.3V电源经电容C4、C5、C6、C7、电感L1组成模拟3.3V电源接入57脚，1.8V电源由14脚输出，经电容C18、C19、C20、电感L2滤波处理后接入46脚，50脚通过电容C16、C17接入GND；48脚接电阻R10、R11共28.7K偏置电阻与GND连接，45脚接低电平设置为正常工作模式，58脚、59脚、60脚通过10K电阻排R1-1接高电平，配置TCP/IP协议栈模组为自动握手，全双工100M传输速率模式；W7200有12位ADC模拟量端口，但内部没有提供基准电压，由TL431和R9构成2.5V基准电压接入9脚ADC输入端，以确保ADC采集模拟数据精确。⑧为了直观显示W7200运行状态，电路中设计了一个RLED和R7接入2脚。
如图4所示，所述RJ45网络接口电路连接W7200与外部网络，由RJ45标准接口13F-60FGYDPNW2，51欧的匹配电阻R1、R2、R3、R4和电容C1、C2、C3组成，接口电路中TXOP、TXON、RXIP、RXIN连接W7200的52脚、53脚、55脚、56脚。R5、R6连接RJ45接口的LED指示灯，显示网络连接状态。
如图5所示，SD存储卡是单片机外部大容量存储器，可以保存HTML5规范的网页文件，PLC梯形图文件，Flash动画文件。SD存储卡电路由SD卡座SD_Card，上拉电阻排R1-2和旁路电容C23组成，接口采用SPI通讯方式，SD卡的SS、MISO、MOSI、SCLK的SPI信号线分别连接W7200的20脚、21脚、22脚、23脚。
优选的，所述单片机内存储有硬件端口与软件内核访问地址的映射表，使软件内核访问地址与W7200端口地址建立一一对应关系。
优选的，所述映射表记录内容包括管脚号、端口名称和访问地址。
优选的，由所述映射表所记录的端口用于开关量数据采集、开关量输出控制、模拟量的采集、PWM控制或者数模转换输出、客户端与UART串口通讯或控制第三方带UART接口的器件或设备，和客户端与I2C透明通讯或控制第三方带I2C接口的器件。
建立了映射表，外部软件就可以通过WebSocket和Modbus协议对端口进行控制和信号采集。W7200是LGA60封装的单芯片，共60个管脚，除了正常运行需要接入电阻、电容、晶振和电源管脚外，把剩下的I/O按照所述映射表进行规划:
①5个数字开关量输入：IN0、IN1、IN2、IN3、IN4，用于开关量数据采集；
②4个数字开关量输出，OUT0、OUT1、OUT2、OUT3，用于开关量输出控制；
③2个ADC模拟量输入：ADC0、ADC1，用于模拟量的采集；
④2个PWM输出：PWM0、PWM1，用于PWM控制或者数模转换输出；
⑤3个UART串口：UART1、UART2、UART3，用于客户端与UART串口透明通讯，控制第三方带UART接口的器件或设备；
⑥I2C通讯口，用于客户端与I2C透明通讯，控制第三方带I2C接口的器件。
客户端浏览器可以通过WebSocket连接W7200，①②③④利用Modbus协议相应功能读写端口映射的地址，达到控制端口的目的，而⑤⑥可以直接利用WebSocket透传通讯。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种兼容HTML5的Web网络单片机，包括硬件框架和软件内核，其特征在于，所述硬件框架为内置全硬件TCP/IP协议栈，以ARM Cortex_M3CPU 32位内核的SOC单芯片；所述软件内核包括多任务实时操作系统内核、驱动程序以及服务程序，所述服务程序包括Web服务器，WebSocket服务器，Modbus服务器，UART串口服务器，PLC服务器，Adobe Flash安全沙箱和FAT32文件管理；所述网络单片机通过符合HTML5规范的语言控制，控制命令通过TCP/IP网络协议传输。
2.根据权利要求1所述的一种兼容HTML5的Web网络单片机，其特征在于，所述SOC单芯片为W7200，所述多任务实时操作系统内核为uCOSII开源占先式多任务实时内核。
3.使用权利要求2中所述的一种兼容HTML5的Web网络单片机，其特征在于，所述单片机内存储有硬件端口与软件内核访问地址的映射表，使软件内核访问地址与W7200端口地址建立一一对应关系。
4.使用权利要求3中所述的一种兼容HTML5的Web网络单片机，其特征在于，所述映射表记录内容包括管脚号、端口名称和访问地址。
5.使用权利要求4中所述的一种兼容HTML5的Web网络单片机，其特征在于，所述映射表所记录的端口用于开关量数据采集、开关量输出控制、模拟量的采集、PWM控制或者数模转换输出、客户端与UART串口通讯或控制第三方带UART接口的器件或设备，和客户端与I2C透明通讯或控制第三方带I2C接口的器件。
6.根据权利要求2所述的一种兼容HTML5的Web网络单片机，其特征在于，所述硬件框架主要包括三个电路模块，分别为SOC单片机核心电路及其外围元件、RJ45网络接口电路和SD卡存储电路。
7.根据权利要求6所述的一种兼容HTML5的Web网络单片机，其特征在于，所述SOC单片机核心电路及其外围元件包括以下功能：给内部硬件TCP/IP协议栈模组提供振荡时钟源、给内部ARM Cortex_M3内核提供振荡时钟源；提供ARM内核低电平复位电路、提供内部TCP/IP协议栈模组低电平复位电路、提供数字3.3V，模拟3.3V，内核1.8V三种电源、为单片机提供正常工作模式和自动握手，全双工100M传输速率模式两种选择的电路、显示W7200运行状态和提供基准电压用以保证ADC端口采集数据的精度。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种兼容HTML5的Web网络单片机，其特征在于，所述RJ45网络接口电路连接W7200与外部网络，并可以显示网络连接状态。
9.根据权利要求8中所述的一种兼容HTML5的Web网络单片机，其特征在于，所述SD存储卡是单片机外部大容量存储器，用以保存HTML5规范的网页文件、PLC梯形图文件和Flash动画文件。
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