STM32無線數(shù)據(jù)基站的設(shè)計與實現(xiàn)

...wd......wd......wd...本科畢業(yè)設(shè)計〔20屆〕題目基于stm32無線數(shù)據(jù)基站的設(shè)計和實現(xiàn)學院電子信息學院專業(yè)電子信息工程姓名陳潔班級09091813學號09918307指導教師周磊完成日期20年3月誠信承諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《基于stm32無線數(shù)據(jù)基站的設(shè)計和實現(xiàn)》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，假設(shè)有不實，后果由本人承當。承諾人〔簽名〕：年月日摘要隨著人們的生活及其生產(chǎn)水平的不斷提高，對生活中各種數(shù)據(jù)接收的速度和準確度的要求就顯得尤為重要，無線數(shù)據(jù)收發(fā)控制就是一個典型的例子，因此無線數(shù)據(jù)基站就是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中應運而生的一種智能、快捷、方便可靠的檢測系統(tǒng)。本設(shè)計通過STM32F107控制無線收發(fā)模塊從無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收數(shù)據(jù)，進展相關(guān)處理后通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送至應用服務(wù)器。系統(tǒng)的用戶統(tǒng)用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問應用服務(wù)器，其中本設(shè)計起到網(wǎng)橋和防火墻的作用。其中本設(shè)計中采用的以太網(wǎng)控制器為DM9161芯片。本設(shè)計軟件局部的主要工作是在硬件平臺的根基上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，由于TCP/IP協(xié)議棧較復雜，功能實現(xiàn)比擬困難，一般選擇成熟的TCP/IP協(xié)議棧進展移植，此次選擇開源并且較成熟的LwIP以太網(wǎng)協(xié)議棧。關(guān)鍵詞：STM32F107以太網(wǎng)DM9161TCP/IP協(xié)議棧ABSTRACTWiththecontinuousimprovementofpeople'slivesandtheirproductionlevels,thethelifedatareceptionspeedandaccuracyrequirementsisparticularlyimportant,wirelessdatatransceivercontrolisatypicalexample,thewirelessdatabasestationismodernproductionlifecameintobeingasmart,fast,convenientandreliabledetectionsystem.ThisdesignSTM32F107controlwirelesstransceivermodulereceivesdatafromthewirelessnetworknodesrelatedviaEthernettransmitsdatatotheapplicationserver.ThesystemusersystemuseraccesstotheapplicationserverthroughtheInternet,includingthedesignplayaroleofbridgeandfirewall.DM9161Ethernetcontrollerchipusedinthedesign.ThesoftwarepartofthedesignworkisimplementedinhardwareplatformbasedontheTCP/IPprotocolstack,theTCP/IPprotocolstackismorecomplex,andmoredifficulttoachieve,usuallyselectedmatureTCP/IPprotocolstackfortransplantation,thechoiceopensourceandthemorematureLwIPEthernetprotocolstack.Keywords：STM32F107EthernetDM9161TCP/IPProtocolstack目錄TOC\o"1-2"\h\z\u220391引言1127722概述2159362.1課題研究的背景 2242142.2國內(nèi)外stm32控制以太網(wǎng)技術(shù)開展現(xiàn)狀及趨勢3325772.3研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵4251952.4主要技術(shù)指標4191693總體設(shè)計5305493.1系統(tǒng)方案選擇與論證5116213.2系統(tǒng)軟件總體構(gòu)造6210223.3本章小結(jié)7255094硬件設(shè)計9293564.1主控芯片STM32F1079293604.2STM32串口通訊12172924.3DM9161用法介紹1655534.4本章小結(jié)20273315以太網(wǎng)協(xié)議21317405.1TCP/IP協(xié)議21323055.2嵌入式TCP/IP協(xié)議棧22246746軟件設(shè)計2682076.1主程序設(shè)計2631326.2系統(tǒng)初始化子程序27277206.3RS232通訊子程序28112226.4網(wǎng)口通訊子程序2896706.5本章小結(jié)29182037結(jié)論302223致謝3112950參考文獻323808附錄331引言隨著人們的生活及其生產(chǎn)水平的不斷提高，對生活中各種數(shù)據(jù)接收的速度和準確度的要求就顯得尤為重要，無線數(shù)據(jù)收發(fā)控制就是一個典型的例子，因此無線數(shù)據(jù)基站就是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中應運而生的一種智能、快捷、方便可靠的檢測系統(tǒng)。目前，無線網(wǎng)絡(luò)標準按照通訊距離的不同分為WAN、WLAN、PAN。比擬主流的無線技術(shù)有藍牙、3G、HomeRF、WI-FI、WIMAX、GPRS、CDMA、UWB等。其中WI-FI運用最為廣泛，其運用主要在WLAN/MESH領(lǐng)域。無線網(wǎng)絡(luò)推動了數(shù)據(jù)通信進入了新的里程碑，讓辦公、工作、學習不再受“線〞制。方便實現(xiàn)了移動辦公，組建臨時工作組，召開緊急會議等不在需要復雜的布線拆線，無線覆蓋區(qū)域直接可以通過無線進展通信。校園環(huán)境等，可以讓師生在任何環(huán)境，可以在廣場、在草坪、在體育場地等任意位置連接上Internet。隨著無線網(wǎng)絡(luò)在各個領(lǐng)域的成功案例及人們對它的關(guān)注程度，無線網(wǎng)絡(luò)定是未來通信的開展方向，也定能在各領(lǐng)域中得到很好的應用。本設(shè)計通過stm32控制無線收發(fā)模塊從無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收數(shù)據(jù)，進展相關(guān)處理后通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送至應用服務(wù)器。系統(tǒng)的用戶統(tǒng)用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問應用服務(wù)器，其中本設(shè)計起到網(wǎng)橋和防火墻的作用。其中本設(shè)計中采用的以太網(wǎng)控制器為DM9161芯片。2概述2.1課題研究的背景近幾年來，隨著科學技術(shù)日新月異的開展，計算機科技的快速開展，特別是互聯(lián)網(wǎng)的快速普及，互聯(lián)網(wǎng)在人類活動中也越來越嚴密聯(lián)系，尤其是對于工業(yè)控制和信息電器領(lǐng)域中同樣有著越來越重要的應用。同時計算機，通訊，消費電子三合一的快速開展，數(shù)字化時代已經(jīng)到來。而嵌入式接入設(shè)備是數(shù)字化時代的一大主流標志，形態(tài)各異的計算機，通訊，消費電子三合一產(chǎn)品也將是網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的一大主流。因為PC機以及現(xiàn)有的Internet技術(shù)可以實現(xiàn)對非網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進展遠程控制的局部的要求，而且本錢費用較高，可靠性和期望值也有一定的距離，所以這種方案并沒有被廣泛的承受和使用。由于嵌入式設(shè)備具有低本錢高性能的特點，而現(xiàn)今對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)研究和嵌入式技術(shù)也都進入到了一個成熟的階段，將嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來實現(xiàn)非網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制，那么世界可能就是另一番景象。因特網(wǎng)技術(shù)的成熟，使得網(wǎng)上提供的信息更加豐富，應用工程也更加多樣，人們對網(wǎng)絡(luò)的需求也越來越廣泛，利用PC機上網(wǎng)來查閱和發(fā)布各類信息等對于網(wǎng)絡(luò)的日常應用已經(jīng)不能滿足人們的需求。像傳統(tǒng)的電器，電冰箱，微波爐，電視，空調(diào)等，這類電子設(shè)備的功能也不在單一，電器構(gòu)造也更為復雜，也逐步開場應用嵌入式網(wǎng)絡(luò)接入，使用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)就能實現(xiàn)遠程控制，信息通訊。同樣，互聯(lián)網(wǎng)在全球范圍內(nèi)的連通性，那些能夠連接因特網(wǎng)的設(shè)備也成為人們選擇產(chǎn)品中考慮的一大問題，通過Internet對家用電器等非網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進展遠程控制已經(jīng)成為現(xiàn)今主流。而一些小型輕便的設(shè)備，比方一些醫(yī)學儀器上的身體上使用的傳感器，體積小而且廉價，內(nèi)存小，運算能力有限，因此必須在資源受限的情況下實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議甚至處理承受到的信息。TCP/IP協(xié)議可以分為四個層次，從底層到最高層分別是物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，和最高層的應用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是TCP/IP協(xié)議的最低層，要求提供應上層一個訪問接口，以便傳遞IP分組信息。網(wǎng)絡(luò)層是第二層，也是整個TCP/IP協(xié)議棧的核心，其功能是把分組發(fā)往目標網(wǎng)絡(luò)或主機，源主機與目的主機可以在同一個網(wǎng)上，也可以在不同的網(wǎng)上。其中定義了分組格式和協(xié)議，即IP協(xié)議，來對分組進展排序。IP協(xié)議是一種不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報發(fā)傳送服務(wù)的協(xié)議，提供的只是一種盡力而為的服務(wù)。傳輸層是第三層，負責在應用進程中的端到端之間的通信。傳輸層定義了兩種服務(wù)質(zhì)量不同的協(xié)議，TCP和UDP。TCP是一種可靠的面向連接的協(xié)議，允許將源主機的字節(jié)數(shù)據(jù)流無差異的傳送到目的主機。同時能夠完成流量的控制功能，協(xié)調(diào)收發(fā)主機之間的發(fā)送和承受速度，從而控制正確的傳輸。應用層是最高層，其中也包括了很多協(xié)議：文件傳送協(xié)議，簡單郵件傳送協(xié)議，簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，超文本傳送協(xié)議等。LwIP是瑞士計算機科學院一個開源的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)。LwIP是LightWeightIP協(xié)議，有無操作系統(tǒng)都可以運行，其實現(xiàn)的重點是在保持TCP/IP協(xié)議的主要功能的根基上減少對內(nèi)存的占用，一般只需要幾百字節(jié)的RAM和40K左右的ROM就可以運行，這使得LwIP成為在資源受限的情況下實現(xiàn)及處理TCP/IP協(xié)議的解決方法。LwIP可以支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)，提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口RawAPI，這樣可以提高應用程序性能。像LwIP的目標系統(tǒng)是最小限度系統(tǒng)，所使用的操作系統(tǒng)通常不能在內(nèi)核與應用層進程之間維持一個嚴格的保護屏障。這里允許使用一種比擬寬松的通許機制，通過共享內(nèi)存的方式實現(xiàn)應用層與底層協(xié)議族之間的通訊。應用層可以知道底層協(xié)議使用的緩沖處理機制，這使得應用層可以有效的重復使用緩沖區(qū)。同樣，應用層與網(wǎng)絡(luò)代碼使用的是一樣的內(nèi)存區(qū)，那么應用層就可以直接讀寫內(nèi)部緩沖區(qū)。2.2國內(nèi)外stm32控制以太網(wǎng)技術(shù)開展現(xiàn)狀及趨勢中國的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)走過了二十多年的歷程，有超過數(shù)十萬名從事開發(fā)應用的工程師，但大多數(shù)以上是幾個人的小組以孤軍奮戰(zhàn)的封閉方式開發(fā)幾乎不可重用的軟件。今天面對的是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)化的潮流，如果不能認識到嵌入式軟件必須以工業(yè)化的方式生產(chǎn)開發(fā)，不理解在短時間內(nèi)裝配集成“數(shù)百人/年〞的嵌入式產(chǎn)品，那么將失去更多的上游產(chǎn)品的市場機遇。嵌入式軟件方面逐漸形成了系統(tǒng)軟件、應用軟件的架構(gòu)。國際上用于信息電器的嵌入式操作系統(tǒng)有40種左右。其中，國外涌現(xiàn)了一些著名的嵌入式操作系統(tǒng)，如:Vxworks、pSOS、WinCE、RTEK、palmOS、EpOC、QNX、LynxOS、DSPhnux等。其中Vx/Orks是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)：WinCE是一種32位的多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以移植，能夠開發(fā)多種企業(yè)和客戶類設(shè)備，是微軟公司的“維納斯方案〞的核心：3COM公司的Palm0S在PDA市場上占有很大的市場份額，它有開放的操作系統(tǒng)應用程序接口(API)，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需要的應用程序。國內(nèi)外有大量嵌入式應用軟件已廣泛用于各類嵌入式系統(tǒng)中。大有國內(nèi)緊跟國外趨勢的形勢。但是對于嵌入式Web服務(wù)器方面的研究國內(nèi)現(xiàn)狀不容樂觀，目前國外的相關(guān)研究相對多些。如林C/IP研究工程，它是一個為微控制器和嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的小型TCP/IP協(xié)議棧：又如CMX公司的MieroNetTCP/IP，它是為8位或16位微處理器而設(shè)計的，支持大局部的標準協(xié)議，連接方式有以太網(wǎng)連接、撥號連接和直接連接方式。而國內(nèi)也相應提出了Webito協(xié)議標準，但是相對滯后，缺少具體的工程實現(xiàn)方面的研究和具體產(chǎn)品的開發(fā)。美國DEC公司開發(fā)的VMSeluster系統(tǒng)開發(fā)最早，技術(shù)也較成熟，應用也很廣泛，但由于VMS操作系統(tǒng)只能在DEC公司的VAX系列和AIPha系列服務(wù)器上運行，VMScluster的應用受到很大限制。Platform公司開發(fā)的高可用性集群系統(tǒng)LSF提供了分布式集群系統(tǒng)的解決方案，通過將物理上別離的多個集群連接在一起使多個同構(gòu)或異構(gòu)的計算機能夠通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)共享計算資源，并能夠為用戶提供對資源的透明訪問。國內(nèi)也有不少公司進展了集群系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作。聯(lián)想公司在1999年9月推出了用于分布式高性能計算的NS10000高性能集群服務(wù)，該系統(tǒng)是一個四節(jié)點的系統(tǒng)，主要基于聯(lián)想萬全45008服務(wù)器，以總體本錢相對較低的設(shè)備組合，足以替代傳統(tǒng)班SC小型機和中型機的工作，而價格僅為市場上同等性能小型機的1/2--1/40。朗訊公司也推出了類似于Urboduster的高可用性集群系統(tǒng)LongshineClusterServer。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀看，目前集群系統(tǒng)的應用大都致力于高可用性問題的解決，真正基于負載均衡的集群系統(tǒng)還比擬少，而且在大局部負載均衡集群中采用的都是輪轉(zhuǎn)調(diào)度、加權(quán)輪轉(zhuǎn)調(diào)度等靜態(tài)調(diào)度算法。2.3研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵〔1〕合理設(shè)計硬件電路，使各模塊功能協(xié)調(diào)；〔2〕STM32對DM9161的控制；〔3〕STM32對串口模塊的控制；〔4〕STM32對TCP/IP協(xié)議棧的開發(fā)；2.4主要技術(shù)指標〔1〕合理設(shè)計硬件電路，使各模塊功能協(xié)調(diào)〔2〕STM32可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和傳輸?！?〕對DM9161的控制的數(shù)據(jù)的傳輸3總體設(shè)計3.1系統(tǒng)方案選擇與論證總體設(shè)計思路，分為三局部，無線數(shù)據(jù)采集局部，網(wǎng)絡(luò)控制局部，控制局部。并利用stm32對各局部進展控制。應用DM9161通過網(wǎng)線與上位機相連接，可以處理和傳遞下系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。設(shè)計模塊圖如圖3.1所示。服務(wù)器無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號DM9161網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)器無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號DM9161網(wǎng)絡(luò)控制STM32F107處理圖3.1整體模塊圖3.1.1控制局部方案在本次設(shè)計中，單片機是系統(tǒng)的控制核心，所以單片機的性能關(guān)系到整個系統(tǒng)的好壞。因此單片機的選擇，對所設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)以及功能的擴展有著很大的影響。單片機種類很多，STM32系列基于專為要求高性能、低本錢、低功耗的嵌入式應用專門設(shè)計的ARMCortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個不同的系列：STM32F103“增強型〞系列和STM32F101“根本型〞系列。增強型系列時鐘頻率到達72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；根本型時鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是16位產(chǎn)品用戶的最正確選擇。兩個系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率72MHz時，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于0.5mA/MHz。因此，在本次設(shè)計中選用了stm32F107單片機作為主控芯片。2.1.2無線數(shù)據(jù)采集局部方案本設(shè)計有單片機控制無線模塊，接收從無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過單片機進展處理，通過網(wǎng)絡(luò)控制局部傳送給PC接收。通過UTC4832無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至主通信節(jié)點，主通信節(jié)點對數(shù)據(jù)進展進一步處理，通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送至應用服務(wù)器。2.1.3網(wǎng)絡(luò)控制局部方案方案一：采用基于RTL8019AS實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。RTL8019AS是由臺灣Realtek公司生產(chǎn)的100pinPQFP封裝10Mbps以太網(wǎng)控制器，符和EthernetII與IEEE802.3標準，其應用成熟廣泛，但是由于RTL8019AS沒有集成內(nèi)部硬件協(xié)議，此方案需要在主控制器內(nèi)部編寫以太網(wǎng)通訊協(xié)議、程序繁瑣、消耗時間，不利于系統(tǒng)的快速開發(fā)和穩(wěn)定運行。且由于其封裝引腳太多，也不方便系統(tǒng)的硬件設(shè)計。方案二：采用基于DM9161的網(wǎng)絡(luò)控制器的以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)設(shè)計。DM9161DM9161AEP是一款完全集成的和符合本錢效益單芯片快速以太PHY，是采用較小工藝0.25um的10/100M自適應的以太網(wǎng)收發(fā)器。DM9161AEP通過可變電壓的MII或RMII標準數(shù)字接口連接到MAC層，支持HPAuto-MDIX?。是目前常見的一款物理層收發(fā)器，由于全球的MCU集成度不斷提高，由MAC+PHY+MII的衍生到現(xiàn)在的PHY，在以太網(wǎng)局部的本錢，逐漸降低。方案三：采用基于ENC28J60的網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計。ENC28J60是帶有行業(yè)標準串行外設(shè)SPI接口的獨立以太網(wǎng)控制器，具有28pinDIP封裝，符合IEEE802.3的全部標準，采用了一系列包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進展限制。他還提供了一個內(nèi)部DMA模塊，以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP較驗和計算。與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現(xiàn)，傳輸數(shù)據(jù)速率高達10Mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED，進展網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)指示。雖然ENC28J60同樣也沒有像DM9161那樣集成了了內(nèi)部硬件協(xié)議棧，但是由于其具有28pinDIP封裝，大大便于硬件設(shè)計和制版，符合我們這次系統(tǒng)設(shè)計的根本要求。綜上所述所述，方案二和方案三都適合作為本次設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)控制局部，由于條件所限我們選擇方案二。3.2系統(tǒng)軟件總體構(gòu)造系統(tǒng)軟件總體構(gòu)造如圖3-2所示，整個程序是圍繞STM32F107VCT6單片機設(shè)計的，軟件程序采用模塊化設(shè)計，更容易理解和調(diào)試。整個程序除主程序之外還有5個局部：系統(tǒng)初始化子程序、RS232通訊子程序、網(wǎng)口通訊子程序、I/O數(shù)據(jù)采集子程序和RS485通訊子程序。圖3-2軟件構(gòu)造圖主程序流程圖如圖3-3所示。系統(tǒng)運行后進入主程序，首先對系統(tǒng)硬件進展初始化，而后再對網(wǎng)絡(luò)進展初始化，然后檢查網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，連接正常則進展周期運行顯示，不正常則重新進展連接。圖3-3主程序流程圖3.3本章小結(jié)本章主要講述了本設(shè)計的工作原理和本設(shè)計系統(tǒng)的工作流程。在說明工作原理的過程中，突出了電路的組成單元以及這些單元如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理控制功能。在說明系統(tǒng)流程時，結(jié)合本設(shè)計的內(nèi)容指出了參數(shù)設(shè)置的方法和意義。4硬件設(shè)計4.1主控芯片STM32F10732位ARMCortex-M3構(gòu)造，72MHz運行頻率，1.25DMIPS/MHz，硬件除法和單周期乘法，并可快速可嵌套中斷，6~12個時鐘周期，有64K~256KB的FLASH，以及高達64KB的SRAM。另外在網(wǎng)絡(luò)通信功能上，具有一個RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，支持10M/100M自適應網(wǎng)絡(luò)，還有一個Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通訊接口，一個Wi-FiWLAN無線寬帶網(wǎng)絡(luò)通訊接口。在本開發(fā)板上，添加了一些人機交互接口，一個大屏幕320*240,262144色TFT-LCD，支持SPI接口式/總線接口，四個LED發(fā)光管，一個電源LED指示燈，另外一個標準3.5mm耳機接口，一個五方向的輸入搖桿，3個GPIO按鍵，1個RESTE按鍵，以及音頻級處理芯片，USBOTG功能能，支持外接鼠標和鍵盤。串行通信功能上，有兩個RS232連接插座，其中一個RS232帶硬件流控制引腳，一個mini型USB插座，兩個CAN連接口。其中與以太網(wǎng)最重要的硬件是MAC〔介質(zhì)訪問控制〕及其專用的DMA。專用的DMA控制器允許專用SRAM和描述符之間高速傳輸，其中一些地址過濾模式，對物理和組發(fā)送地址，以及32位狀態(tài)編碼，用于每個傳送和承受幀。內(nèi)部的FIFO用于緩存?zhèn)鬏敽统惺軒?，傳輸FIFO和承受FIFO都是2Kbyte，總共4Kbytes。實物圖如圖4.1所示：圖4.1stm32實物圖圖STM32F107xx包括以下特性：支持10和100Mbit/s兩種速率專用DMA控制器允許專用SRAM和描述符之間高速傳輸。標記的MAC幀支持，支持VLAN(虛擬局域網(wǎng))半雙工和全雙工兩種操作模式，半雙工下采用CSMA/CD〔帶有檢測沖突的載波偵聽多路存取〕支持MAC控制子層，用于控制幀。32位CRC產(chǎn)生和去除。一些地址過濾模式，對物理和組播地址。32位狀態(tài)編碼，用于每個傳送和承受幀。內(nèi)部FIFO用于緩存?zhèn)鬏敽徒邮諑?。傳輸FIFO和接收FIFO都是2Kbyte，總計4Kbytes。支持硬件PTP(準確時間協(xié)議)，時間戳比擬器連接到TIM2觸發(fā)輸入端。當系統(tǒng)時間比預定目標時間大時，觸發(fā)中斷。4.1.1STM32F107的以太網(wǎng)功能描述STM32F107支持兩種工業(yè)標準的物理層接口，默認的介質(zhì)無關(guān)接口MII和精簡的介質(zhì)無關(guān)接口RMII。以太網(wǎng)的外設(shè)由MAC和一個專用的DMA控制器，支持默認的MII和RMII通過一個選擇位來設(shè)置默認的MII接口或者精簡MII接口。TDMA控制器接口通過AHB主從接口連接核和內(nèi)存，AHB主接口控制數(shù)據(jù)傳輸當AHN從接口訪問控制盒狀態(tài)存放器空間。在MAC核傳輸前，傳輸FIFO緩存通過DMA從系統(tǒng)內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，類似的，承受的FIFO隊列從線上儲存以太網(wǎng)幀從而知道它們被DMA傳送到了系統(tǒng)內(nèi)存中。以太網(wǎng)的外設(shè)還包括一個SMI用于和外部的PHY通信。配置存放器允許用戶為MAC和DMA控制器選擇想要的模式和特性。圖4.2STM32F107以太網(wǎng)原理框圖4.1.2SMI站管理接口SMI〔stationmanagementinterface站管理接口〕允許應用程序通過一根時鐘數(shù)據(jù)線來讀取配置中任意一個物理存放器，接口最多支持訪問是32個PHY。應用程序可以在SMI的允許下選擇32個PHY中的其中一個，再在PHY中32個存放器中的任意一個來發(fā)送控制數(shù)據(jù)或者承受狀態(tài)信息。但是在給定的時間里，只能訪問一個PHY中的存放器。如圖4.2所示，圖中微控制器執(zhí)行使MDC時鐘線和MDIO數(shù)據(jù)線來為交替的功能I/O扣。MDC是一個用于給數(shù)據(jù)傳輸提供時間參考的周期性時鐘，最大的頻率為2.5MHz，最小的MDC的上下時間是每次160ns，最小的周期是400ns。值得注意的是，在不工作的情況下，SMI管理接口驅(qū)動MDC時鐘信號為低，即為0。而MDIO是數(shù)據(jù)輸入和輸出數(shù)據(jù)是要用MDC時鐘信號來同步傳輸狀態(tài)信號給物理設(shè)備，或者從物理設(shè)備那得到狀態(tài)信號。STM32STM32MACExternalPHYMDIOMDC圖4.3SMI管理接口框圖4.1.3SMI寫操作當應用程序設(shè)置介質(zhì)無關(guān)接口MII寫和忙位時，SMI通過傳輸PHY的地址，PHY中的存放器地址以及寫數(shù)據(jù)來啟動一個寫操作到PHY存放器上。當然，在傳輸過程中應用程序不能改變MII的地址存放器中的內(nèi)存或者是MII數(shù)據(jù)存放器。在這個寫操作的時間里，任何對MII地址存放器和MII數(shù)據(jù)存放器的寫操作都會被忽略〔忙時位為高，即為1〕，保證傳輸過程無過失完成。這個寫操作完成之后，SMI又通過復位忙位，使得可以重新承受新的寫操作。圖4.4SMI寫操作4.1.4SMI的讀操作用戶設(shè)置以太網(wǎng)MAC中MII的地址存放器中的MIIBusybit時，MIIWritebit為零，SMI就通過傳輸PHY地址和PHY中的存放器的地址，然后在PHY存放器中就啟動一個讀操作。同樣的，在傳輸過程中應用程序不能改變MII地址存放器中的內(nèi)容或者MII數(shù)據(jù)存放器中的內(nèi)容。同時在讀操作過程中，對MII地址存放器和MII數(shù)據(jù)存放器的寫操作也會被忽略〔Busybit為高，即為1〕，保證傳輸過程不過失，能夠正確完成。讀操作完成后，SMI復位Busybit，然后用從PHY中讀到的數(shù)據(jù)來更新MII數(shù)據(jù)存放器。圖4.5SMI讀操作4.2STM32串口通訊STM32的串口是相當豐富的，功能也很強勁。最多可提供5路串口〔MiniSTM32使用的是STM32F103RBT6，具有3個串口〕，有分數(shù)波特率發(fā)生器、支持單線光通信和半雙工單線通訊、支持LIN、智能卡協(xié)議和IrDASIRENDEC標準〔僅串口3支持〕、具有DMA等。圖4.5485電路串口最根本的設(shè)置，就是波特率的設(shè)置。STM32的串口使用起來還是蠻簡單的，只要你開啟了串口時鐘，并設(shè)置相應IO口的模式，然后配置一下波特率，數(shù)據(jù)位長度，奇偶校驗位等信息，就可以使用了。下面，我們就簡單介紹下這幾個與串口根本配置直接相關(guān)的存放器。1，串口時鐘使能。串口作為STM32的一個外設(shè)，其時鐘由外設(shè)時鐘使能存放器控制，這里我們使用的串口1是在APB2ENR存放器的第14位。APB2ENR存放器在之前已經(jīng)介紹過了，這里不再介紹。只是說明一點，就是除了串口1的時鐘使能在APB2ENR存放器，其他串口的時鐘使能位都在APB1ENR。2，串口復位。當外設(shè)出現(xiàn)異常的時候可以通過復位存放器里面的對應位設(shè)置，實現(xiàn)該外設(shè)的復位，然后重新配置這個外設(shè)到達讓其重新工作的目的。一般在系統(tǒng)剛開場配置外設(shè)的時候，都會先執(zhí)行復位該外設(shè)的操作。串口1的復位是通過配置APB2RSTR存放器的第14位來實現(xiàn)的。APB2RSTR存放器的各位描述如下：圖4.6存放器APB2RSTR各位描述從上圖可知串口1的復位設(shè)置位在APB2RSTR的第14位。通過向該位寫1復位串口1，寫0完畢復位。其他串口的復位位在APB1RSTR里面。

3，串口波特率設(shè)置。每個串口都有一個自己獨立的波特率存放器USART_BRR，通過設(shè)置該存放器到達配置不同波特率的目的。該存放器的各位描述如下：、圖4.7存放器USART_BRR各位描述前面提到STM32的分數(shù)波特率概念，其實就是在這個存放器里面表達的。最低4位用來存放小數(shù)局部DIV_Fraction，[15:4]這12位用來存放整數(shù)局部DIV_Mantissa。高16位未使用。這里波特率的計算通過如下公式計算。這里的pclkx〔x=1、2〕是給外設(shè)的時鐘〔PCLK1用于串口2、3、4、5，PCLK2用于串口1〕，USARTDIV是一個無符號的定點數(shù)，它的值可以有串口的BRR存放器值得到。而我們更關(guān)心的是如何從USARTDIV的值得到USART_BRR的值，因為一般我們知道的是波特率，和PCLKx的時鐘，要求的就是USART_BRR的值。

下面我們來介紹如何通過USARTDIV得到串口USART_BRR存放器的值，假設(shè)我們的串口1要設(shè)置為9600的波特率，而PCLK2的時鐘為72M。這樣，我們根據(jù)上面的公式有：USARTDIV=72000000/9600*16=468.75

那么得到：DIV_Fraction=16*0.75=12=0X0C;

DIV_Mantissa=468=0X1D4;這樣，我們就得到了USART1->BRR的值為0X1D4C。只要設(shè)置串口1的BRR存放器值為0X1D4C就可以得到9600的波特率。

4，串口控制。STM32的每個串口都有3個控制存放器USART_CR1~3，串口的很多配置都是通過這3個存放器來設(shè)置的。這里我們只要用到USART_CR1就可以實現(xiàn)我們的功能了。圖4.8存放器USART_BRR各位描述BIT13:串口功能；

BIT12:MODE，字長。0:

1個開場位，8個數(shù)據(jù)位，1位停頓位〔默認〕；1:

1個開場位，9位數(shù)據(jù)位，1位停頓位〔默認〕；

*注意：停頓位的長度可在USART_CR2存放器中設(shè)置。

BIT11:WAKE喚醒功能

BIT10:校檢使能位，當激活奇偶校驗功能時，置位該位將自動往要傳輸數(shù)據(jù)的高位字節(jié)處插入就校驗位。

BIT09:ParitySelection，0：偶校驗；1：奇校驗。

BIT08:PEInterruptEnable

BIT07:發(fā)送緩沖區(qū)空中斷使能位BIT06:發(fā)送完成中斷使能位BIT05:接收緩沖區(qū)非空中斷使能位BIT04:IdleInterruptEnable

BIT03:TransferEnable

BIT02:ReceiveEnable

BIT01:ReceiverWakeup

BIT00:SendBreak5，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。STM32的發(fā)送與接收是通過數(shù)據(jù)存放器USART_DR來實現(xiàn)的，這是一個雙存放器，包含了TDR和RDR。當向該存放器寫數(shù)據(jù)的時候，串口就會自動發(fā)送，當收到收據(jù)的時候，也是存在該存放器內(nèi)。該存放器的各位描述如下：圖4.9存放器USART_DR各位描述可以看出，雖然是一個32位存放器，但是只用了低9位〔DR[8:0]〕，其他都是保存。DR[8:0]為串口數(shù)據(jù)，包含了發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。由于它是由兩個存放器組成的，一個給發(fā)送用(TDR)，一個給接收用(RDR)，該存放器兼具讀和寫的功能。TDR存放器提供了內(nèi)部總線和輸出移位存放器之間的并行接口。RDR存放器提供了輸入移位存放器和內(nèi)部總線之間的并行接口。當使能校驗位(USART_CR1種PCE位被置位)進展發(fā)送時，寫到MSB的值(根據(jù)數(shù)據(jù)的長度不同，MSB是第7位或者第8位)會被后來的校驗位該取代。當使能校驗位進展接收時，讀到的MSB位是接收到的校驗位。6，串口狀態(tài)。串口的狀態(tài)可以通過狀態(tài)存放器USART_SR讀取。USART_SR的各位描述如下：圖4.10存放器USART_SR各位描述這里我們關(guān)注一下兩個位，第5、6位RXNE和TC。RXNE〔讀數(shù)據(jù)存放器非空〕，當該位被置1的時候，就是提示已經(jīng)有數(shù)據(jù)被接收到了，并且可以讀出來了。這時候我們要做的就是盡快去讀取USART_DR，通過讀USART_DR可以將該位清零，也可以向該位寫0，直接去除。TC〔發(fā)送完成〕，當該位被職位的時候，表示USART_DR內(nèi)的數(shù)據(jù)已經(jīng)被發(fā)送完成了。如果設(shè)置了這個位的中斷，則會產(chǎn)生中斷。該位也有兩種清零方式：1〕讀USART_SR，寫USART_DR。2〕直接向該位寫0。DM9161用法介紹DM9161AEP是一款完全集成的和符合本錢效益單芯片快速以太網(wǎng)PHY，是采用較小工藝0.25um的10/100M自適應的以太網(wǎng)收發(fā)器。DM9161AEP通過可變電壓的MII或RMII標準數(shù)字接口連接到MAC層，支持HPAuto-MDIX?。是目前常見的一款物理層收發(fā)器，由于全球的MCU集成度不斷提高，由早先的MAC+PHY+MII的衍生到現(xiàn)在的PHY，在以太網(wǎng)局部的本錢，逐漸降低。有如下特點1.48pinLQFP封裝2.制作工藝：0.25um，IO供電電壓3.3V，模擬局部2.5V3.支持MII和RMII連接方式〔推薦使用MII〕4.支持雙絞線自適應〔AUTO-mix〕5.支持TCP/IP硬加速6.與全球95%的廠家的MCU完全兼容，是ATMEL推薦使用的單口PHY。注：目前DM9161AEP支持的溫度范圍是0-75°，而工業(yè)級的DM9161BIEP是支持-40°到85°。在應用過程中，DM9161AEP常出現(xiàn)的錯誤是，晶振的連接，以及網(wǎng)絡(luò)變壓器的匹配，所以應該慎重選擇。DM9161引腳圖如下所示：圖4.11DM9161引腳圖4.3.1DM9161引腳說明16腳TXER/TXD[4]：輸入腳，傳輸錯誤或者是第五個TXD數(shù)據(jù)位，在100兆模式下，此腳為高，同時TXEN為高，暫停信號代替實際的數(shù)據(jù)。在10兆模式下這個輸入腳被忽略，在旁路模式下〔旁路4B5B〕此腳變成TXD[4]腳，第五個TXD的數(shù)據(jù)of5B信號。20,19,18,17腳TXD[0:3]發(fā)送數(shù)據(jù)，4位數(shù)據(jù)輸入〔與TXCLK同步〕在10兆或者100兆的半字節(jié)模式，在10兆的GPSI模式〔7線〕下，TXD[0]被用作串行數(shù)據(jù)輸入腳，TXD[1:3]被忽略。輸入腳即芯片發(fā)送數(shù)據(jù)給它，它接收后再發(fā)送。21腳TXEN：傳輸使能，高電平表示TXD[0:3]上數(shù)據(jù)是合法的在10兆或者100兆模式下。在10兆的GPSI模式〔7線〕下，高電平顯示TXD[0]上數(shù)據(jù)合法。22腳TXCLK/ISOLATE：輸出腳，當剛上電時是輸入腳，拉低，發(fā)送時鐘腳，為TXEN,TXD,andTXER.TXCLK的傳輸提供時鐘參考，有PHY提供。25MHZ是100兆半字節(jié)模式，2.5兆是10兆半字節(jié)模式，10兆是10兆GPSI(7-Wired)mode〔說是7線好似只用單線傳輸〕。ISOLATE的設(shè)置是：當上電復位時是輸入，0：存放器0.10將被初始化成0,1：存放器0.10將被初始化成1.24腳MDC:輸入腳，管理數(shù)據(jù)的時鐘腳，MDIO管理數(shù)據(jù)的同步時鐘，這個時鐘由管理芯片提供，最大12.5MHZ.25腳MDIO:輸入/輸出腳，雙向的管理數(shù)據(jù)可能被管理芯片或者PHY提供。29,28,27,26RXD[0:3]/PHYAD[0:3]：三態(tài)輸出，上電輸入，拉低，在10/100兆MII模式四位輸出〔與RXCLK同步)。在10兆的GPSI模式〔7線〕下，RXD[0]腳是串行數(shù)據(jù)輸出腳，RXD[1:3]areignored,PHYaddress[0:3]，上電復位成輸入腳，PHY地址檢測輸入腳。32腳MDINTR：輸入/輸出，上電輸入，拉低，狀態(tài)中斷輸出腳，當有一個狀態(tài)改變〔包括link,speed,duplexdependoninterruptregister[21]〕即由狀態(tài)改變同時中斷也設(shè)置了，才會輸出。如果原來是低，則中斷時輸出高，如果是高則中斷時輸出低。34腳RXCLK/10BTSER：三態(tài)輸出腳，上電輸入，拉高，接收時鐘由PHY提供時間參考為RXDV,RXD,andRXER.。PHY可能從接收的數(shù)據(jù)中恢復RXCLK參考，或者從25MHZ在100MMII模式下，2.5MHZ在10MMII模式下，10MHZ在10MbpsGPSI(7-Wired)mode。10BTSER僅支持10M模式〔上電輸入〕，0=GPSI(7-Wired)modein10Mmode，1=MIImodein10Mmode35腳CRS/PHYAD[4]：三態(tài)輸出，上電輸入，拉低，載波感應檢測或者PHYAD[4]，在10BASE-T或者100BASE-TX的半雙工模式下，高電平表示載波的存在是因為接收或者傳輸有效〔正在進展中〕在repeater或者全雙工模式下，這個信號置高顯示載波的存在僅僅因為接收有效此腳作為PHYAD[4]〔上電輸入〕PHY地址感應輸入腳。36腳COL/RMII：三態(tài)輸出，上電輸入，拉低，沖突檢測，在10M或者100M的半雙工模式，高電平顯示沖突狀態(tài)，在全雙工模式，此腳一直為低。簡化的MII使能腳，此腳也用來選擇正常的MII或者簡化的MII,(上電是輸入)，0是正常的MII(默認)，1是簡化的MII，此腳經(jīng)常被拉低，除非用于簡化的MII。37腳RXDV/TESTMODE：三態(tài)輸出，上電輸入，拉低，接收數(shù)據(jù)合法，高電平顯示合法的數(shù)據(jù)在RXD[0:3]中，測試模式控制腳〔上電輸入〕0是正常的操作〔默認〕1為測試模式使能。38腳RXER/RXD[4]/RPTR：三態(tài)輸出，上電輸入，拉低，接收數(shù)據(jù)錯誤或者5B情況下第五個接收數(shù)據(jù)位，高電平顯示一個不合法的符號被檢測到，在解碼旁路模式〔旁路4B5B〕RXER變成RXD[4],5B符號的第五個接收數(shù)據(jù)位。這個腳也可以用來選擇RepeaterorNodemode.〔上電輸入〕0NodeMode(default),1RepeaterMode.31LEDMODE：LED模式選擇，0，支持雙燈，1正常的燈40RESET#：低電平用來初始化DM9161A3,4腳RX+RX-：輸入腳，差分數(shù)據(jù)從媒體被接收7,8腳TX+TX-：輸出腳，差分傳輸對，差分數(shù)據(jù)被傳輸?shù)矫襟w，在TP模式下。11腳LED0/OP0：輸出腳，上電輸入，上拉。LED驅(qū)動輸出0，op0：上電復位輸入，此腳用來控制強制的或者是公布的操作模式，在上電后此值被寫入存放器。12腳LED1/OP1：輸出腳，上電輸入，上拉。LED驅(qū)動輸出1，op1：上電復位輸入，此腳用來控制強制的或者是公布的操作模式，在上電后此值被寫入存放器。13腳LED2/OP2：輸出腳，上電輸入，上拉。LED驅(qū)動輸出2，op2：上電復位輸入，此腳用來控制強制的或者是公布的操作模式，在上電后此值被寫入存放器。10腳PWRDWN：輸入腳，掉電控制，高電平強制芯片到掉電模式，在掉電模式下大局部芯片的模塊被關(guān)電，僅MII管理接口〔MDC,MDIO)可利用〔PHY對管理傳輸有用，在MII上不會產(chǎn)生假信號〕，要想離開掉電模式必須用軟件或者硬件復位讓PWRDWN腳為低。14腳CABLESTS/LINKSTS：輸出腳，上電輸入，下拉，CableStatusorLinkStatus，此腳用來顯示上電復位為輸入的時候Cable是否是連接狀態(tài)，0沒有Cable連接，1有Cable連接。此腳也被用來顯示上電復位輸入為高的時候LINK的連接狀態(tài)，0有LINK,1沒LINK39DISMDIX:HP自動翻轉(zhuǎn)，1自動模式失效，0使能HP自動翻轉(zhuǎn)4.3.2DM9161標準協(xié)議說明DM9161A，快速以太單芯片傳輸，按IEEE802.3u,標準，完整的100Base-TX模式和10Base-T模式，芯片提供一個MII借口按標準IEEE802.3u，包含功能：圖4.12DM9161標準協(xié)議TXD是4位半字節(jié)數(shù)據(jù)，被TXCLK驅(qū)動，在TXEN使能情況下，每一個TXCLK始終TXD(3:0)通過PHY被接收TXCLK〔傳輸時鐘〕不連續(xù)時鐘提供時間參考為TXEN,TXD,andTXER信號。TXEN傳輸使能，從物理層輸入，顯示物理層MII接口傳輸是存在的。TXER〔傳輸碼錯誤〕與TXCLK同步，如果TXER在一個或多個時鐘中置位，同時TXEN置位，PHY將發(fā)出一個或更多的信號在正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀中。RXD，4位數(shù)據(jù)被采樣與RXCLK同步，每一個RXCLK，RXDV被置位，RXD(3:0)被傳輸從PHY到物理層。RXCLK〔接收時鐘〕輸出到物理層的不連續(xù)時鐘為RXDV,RXD,andRXERsignals.提供參考。RXDV〔接收數(shù)據(jù)合法〕從PHY輸入，顯示PHY存在恢復的和解碼的半字節(jié)數(shù)據(jù)在物理層上，為了正確的被層解釋接收幀，RXDV必須圍繞著幀，開場不能晚于開場幀分隔符，不包括任何完畢幀分隔符RXER〔接收錯誤〕轉(zhuǎn)變與RXCLK同步，RXER將被置位在一個或更多的時鐘周期當檢測到任何一個錯誤在從PHY到物理層的被傳輸過程中。CRS〔載波感應〕當傳輸或者接收中繼沒有空閑時有效〔置高〕，當傳輸或者接收空閑時無效〔置底〕，100Base-TX發(fā)射機接收4位數(shù)據(jù)在25M，輸出一個5位編碼MLT-3信號到媒介在100M,芯片把25M在內(nèi)部變成125M供內(nèi)部使用。圖4.13DM9161標準協(xié)議框圖100Base-TX發(fā)射器如上圖：把MII提供的數(shù)據(jù)4位同步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后到SCRAMBLER,MLT-3.一百萬個符號每秒。4.4本章小結(jié)本章詳細介紹了本設(shè)計所要用到的硬件模塊STM32107作為主控制器，DM9161作為網(wǎng)絡(luò)控制模塊，用串口傳輸數(shù)據(jù)。5以太網(wǎng)協(xié)議5.1TCP/IP協(xié)議TCP/IP協(xié)議是由一系列網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成的協(xié)議族,從名字可以看出TCP/IP協(xié)議族中最重要的且根本的兩個協(xié)議為TeP(腸ansmissionControlprotoeol,傳輸控制協(xié)議)和IP(InternetProtoeol,網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議)"TCP/IP協(xié)議是當今互聯(lián)網(wǎng)的基石"最早的TCP/IP由文頓#瑟夫(VintonCerf)和羅伯特#卡恩(RobertKahn)開發(fā)出來,由于其優(yōu)越的性能,應用范圍逐漸擴大,20世紀90年代中期,由于HTML(Hyper介xtMarkupLanguage,超文本描述語言)技術(shù)以及瀏覽器的出現(xiàn),使得互聯(lián)網(wǎng)飛速開展起來"TCP/IP對于低層(物理層與數(shù)據(jù)鏈路層)協(xié)議的支持非常好,常用的低層協(xié)議幾乎都支持TeP/IP,如以太網(wǎng)!端對端協(xié)議(point一to一pointprotoeol,ppp)#光纖分布式數(shù)據(jù)接口!令牌環(huán)網(wǎng)等"TCP/IP協(xié)議并不完全遵循傳統(tǒng)051參考模型的七層構(gòu)造"它包括應用層!傳輸層!網(wǎng)絡(luò)層!鏈路層,每一層都調(diào)用它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求"TCP/IP協(xié)議通常被看作是一個四層構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò),如圖5.1所示。圖5.1TCP/IP四層構(gòu)造應用層:該層包含與應用程序協(xié)同工作的各種協(xié)議,這些協(xié)議利用底層網(wǎng)絡(luò)來傳輸應用程序發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)"應用層的處理過程如下:數(shù)據(jù)從應用程序開場傳送,開場時數(shù)據(jù)格式為這個應用程序的內(nèi)部格式,然后數(shù)據(jù)被編碼為協(xié)議的標準格式,編碼完成后,數(shù)據(jù)便被傳輸?shù)絋CP/IP協(xié)議棧中應用層的下一層"。傳輸層:傳輸層的協(xié)議,能夠解決端到端可靠性(即數(shù)據(jù)是否已經(jīng)到達目的地)!保證數(shù)據(jù)按照正確的順序到達此類的問題"在通用的TCP/IP協(xié)議族中,傳輸層協(xié)議也包括所給數(shù)據(jù)應該送給哪個應用程序"常用的傳輸層協(xié)議有TCP和UDP"其中TCP是一個可靠的!面向連接的傳輸機制,它能保證數(shù)據(jù)完整!無損并且按順序到達"而UDP是一個無連接的不可靠的數(shù)據(jù)報協(xié)議"它既不檢查數(shù)據(jù)包到達目的地與否,也不保證它們到達的順序"。網(wǎng)絡(luò)層:網(wǎng)絡(luò)層也稱作IP層或互聯(lián)網(wǎng)層,它負責處理數(shù)據(jù)分組的選路等數(shù)據(jù)分組在網(wǎng)絡(luò)中的活動"在TCP/IP協(xié)議棧中,網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議有IP!ICMP(InterneteontrolMessageProtoeol,互聯(lián)網(wǎng)控制報文協(xié)議)和IGMp(IntemetGroupManagementprotocol,互聯(lián)網(wǎng)組管理協(xié)議)"Ip是TeP/lP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議"所有的TCP!UDP!ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)報的格式傳輸?shù)?。鏈路層:鏈路層有時也稱作數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)接口層"它是數(shù)據(jù)包在幾個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層間傳輸所用的方法"這個方法由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序及網(wǎng)絡(luò)接口卡實現(xiàn)。5.2嵌入式TCP/IP協(xié)議棧要在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)上述TCP八P協(xié)議,主要有兩種方案:一種是硬件實現(xiàn),將TCP/IP協(xié)議棧固化在芯片中,對外提供協(xié)議棧的編程接口,如博控自動化公司的TCP/IP協(xié)議棧芯片WS100"使用時將芯片連接到微處理器CPU上,在應用程序中直接調(diào)用協(xié)議棧的API(卻licationInterface,應用程序接口)函數(shù),這種方案的優(yōu)點是應用簡單,缺點是價格昂貴;另一種是軟件實現(xiàn),即在嵌入式系統(tǒng)中參加TCP江P協(xié)議棧代碼"這種方式的優(yōu)點是可定制性強!本錢低,缺點是開發(fā)階段工作量較大"本文選用軟件實現(xiàn)方案"大多數(shù)PC操作系統(tǒng)如WindowS及Linux操作系統(tǒng)都內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧"而對于小型嵌入式系統(tǒng),由于資源有限,通常不能直接使用通用TCP/IP協(xié)議棧"利用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信的技術(shù)難點是:如何利用嵌入式系統(tǒng)有限的資源對信息進展處理,使之變成可以在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包"為了實現(xiàn)這個目的,很多人做了大量的工作"具有代表性意義的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧是Bso4.4(BerkeleysoftwareoistributionVersion4.4,伯克利軟件套件)的TCP/IP源代碼進展裁剪或與移植得到的TCP/IP協(xié)議棧"以下是對幾種常用的嵌入式協(xié)議棧的分析。LinuxTCP/IP協(xié)議棧:它的特點是與Linux系統(tǒng)的關(guān)系密切,只能在Linux系統(tǒng)或與Linux系統(tǒng)兼容的系統(tǒng)如協(xié)cLinux中使用"它體積比擬大,功能完善,支持BsD的套接字,應用廣泛,有大量資料可供參考[25,261"但它的兼容性與體積都使得它在本工程中的應用成為不可能。pc/IP協(xié)議棧:pe/IP是Mierium公司為協(xié)C/05系統(tǒng)專門設(shè)計的TCP/IP協(xié)議棧,體積也同pC/OS一樣比擬小,是可裁減的協(xié)議棧"它的缺陷是它只能局部實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議,對網(wǎng)絡(luò)應用的支持缺乏,功能不夠完善"而且這是一個付費的TCP/IP協(xié)議棧"對本文來說也同樣不適宜。ulP協(xié)議棧:ulP不同于LinuxTCP/IP協(xié)議棧及pc/lP協(xié)議棧的一點是它的操作系統(tǒng)無關(guān)性,可以在沒有操作系統(tǒng)的情況下運行,也可以移植到各種操作系統(tǒng)中"缺點是移植過程復雜,應用程序接口也較復雜,而功能卻比擬簡單,甚至不支持BSD套接字"在專變采集終端中,對網(wǎng)絡(luò)性能的要求較高,所以也不適合采用ulP協(xié)議棧"LwIP(LightweightTeP/xP,輕量級TCP/xp)協(xié)議棧:與uIP協(xié)議棧一樣,LwIP也具有操作系統(tǒng)無關(guān)性跟可移植性"但與uIP協(xié)議棧相比,LwIP移植過程簡單,應用層接口方式多種多樣,且支持BSD套接字"同時,它還有體積小,內(nèi)存小的特點"雖然它也只能局部地實現(xiàn)TCP/IP議棧,但能滿足本文中專變采集終端以太網(wǎng)通信的全部要求"由以上比擬可知,針對微處理器STM32F107,采用LwIP協(xié)議棧是比擬適宜的。5.3LwIP設(shè)計LwIP是瑞士計算機科學院的AdamDunkelS等人開發(fā)的一套TCP八P協(xié)議棧,它主要關(guān)注的是怎么樣減少內(nèi)存的使用和代碼的大小,這樣就可以讓lwIP適用于資源有限的嵌入式系統(tǒng)"LwIP是一種可以在前后臺系統(tǒng)(無操作系統(tǒng))中運行的協(xié)議棧"同時,依賴它提供的操作系統(tǒng)模擬層,也可以容易地將其移植到各種操作系統(tǒng)中"另外,這個協(xié)議棧是開放源碼的,對于TCP/IP協(xié)議棧的研究很有幫助。LwIP能實現(xiàn)大多數(shù)TCP/IP協(xié)議棧的常用功能,它還支持IP片,TCP中提供阻塞控制!快速恢復等功能,支持IPv6(IntemetProtoeolversion6,網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議第6版)"它還提供了豐富的應用程序接口。5.3.1LwIP與應用程序接收到的數(shù)據(jù)暫存在分開的較小的內(nèi)存塊中，但是許多應用程序都需要在一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)處理數(shù)據(jù)，因此就需要一個專門的函數(shù)來負責從這些不連續(xù)的緩沖區(qū)內(nèi)復制數(shù)據(jù)到一個連續(xù)的內(nèi)存區(qū)。LwIP的進程模型：所有的TCP/IP協(xié)議獨立于操作系統(tǒng)內(nèi)核之外，駐留在同一個進程的方式，TCP/IP協(xié)議棧和操作系統(tǒng)內(nèi)核分開了，應用層程序既可以是單獨的進程也可以是駐留在LwIP的進程中。應用程序與LwIP協(xié)議棧一般使用兩種方式通信，而如上述所說的，應用程序駐留在LwIP的進程中時，一般是采用函數(shù)調(diào)用的方式，而另一種是使用API。5.3.2LwIP與底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動是底層硬件和整個軟件局部的接口，需要對外部的PHY進展控制，尤其是存放器的配置，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，并為上層協(xié)議提供訪問的方法。主要的工作包括初始化，設(shè)備的翻開和關(guān)閉，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，中斷處理等。而其中LwIP提供了一些網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的模型。使用LwIP提供的API做一些網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動時，需要對LwIP協(xié)議棧進展初始化，用一個網(wǎng)絡(luò)接口的初始化函數(shù)來完成底層網(wǎng)絡(luò)的初始化功能做，添加并配置底層網(wǎng)絡(luò)接口，建設(shè)底層的接收或發(fā)送線程，創(chuàng)立TCP/IP線程等。LwIP的底層接口初始化其實就是對數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能的實現(xiàn)。需要做幾個方面的動作：LwIP的初始化、網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備的初始化、以太網(wǎng)控制器的初始化等。如圖5.2所示，網(wǎng)絡(luò)模塊的初始化函數(shù)的流程是首先是LwIP協(xié)議棧的初始化，再進展數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送接收線程的創(chuàng)立，之后進展網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備的初始化。圖5.2LwIP底層接口初始化而進展LwIP協(xié)議棧初始化時，先初始化LwIP統(tǒng)計信息，初始化操作系統(tǒng)的仿真層，再進展初始化存儲管理構(gòu)造，最后創(chuàng)立TCP/IP線程。LwIP協(xié)議棧的初始化中可以調(diào)用LwIP協(xié)議棧所提供的API來實現(xiàn)。以太網(wǎng)控制器的初始化中，對于STM32F107，需要在初始化中進展設(shè)定網(wǎng)卡的MAC地址，初始化網(wǎng)卡，建設(shè)穩(wěn)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。然后開場向LwIP注冊鏈路層發(fā)送函數(shù)，創(chuàng)立承受線程。而網(wǎng)卡初始化過程中需要進展幾個步驟：關(guān)閉FEC模塊關(guān)閉中斷注冊中斷向量和中斷處理函數(shù)開啟中斷設(shè)置MAC地址和Flash存放器設(shè)置發(fā)送控制存放器和接收控制存放器初始化發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)開啟FEC模塊在硬件模塊完成了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的構(gòu)建，這時，需要一方面從MAC中提取數(shù)據(jù)局部，然后傳送給LwIP協(xié)議棧線程進展處理，一方面要把上層中的IP數(shù)據(jù)包傳送給硬件模塊，通過硬件模塊把數(shù)據(jù)封裝成MAC幀發(fā)送到物理網(wǎng)絡(luò)上。這個過程中為了減少中斷處理程序的反復使用，可以將底層數(shù)據(jù)到LwIP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)傳送工作獨立出來，獨立出一個接收線程和一個發(fā)送線程來完成。接收線程和發(fā)送線程與底層驅(qū)動中數(shù)據(jù)收發(fā)的同步可以利用信號量的機制來實現(xiàn)。5.4本章小結(jié)本章介紹了本設(shè)計中所涉及的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過對這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的學習和理解將為后續(xù)的程序編寫打下根基。6軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件總體構(gòu)造如圖所示，整個程序是圍繞stm32f107單片機設(shè)計的，軟件程5化子程序、RS232數(shù)據(jù)采集子程序和RS485通訊子程序。主程序主程序RS232通訊子程序網(wǎng)口通訊子程序I/O口數(shù)據(jù)處理子程序系統(tǒng)初始化子程序RS232通訊子程序網(wǎng)口通訊子程序I/O口數(shù)據(jù)處理子程序系統(tǒng)初始化子程序圖6.1LwIP系統(tǒng)軟件總體構(gòu)造6.1主程序設(shè)計主程序流程圖如圖6.2所示。系統(tǒng)運行后進入主程序，首先對系統(tǒng)硬件進展初始化，而后再對網(wǎng)絡(luò)進展初始化，然后檢查網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，在連接正常的情況下進展周期運行顯示。局部代碼如下所示：圖6.2主程序流程圖intmain(void){ System_Setup();//系統(tǒng)的時鐘、以太網(wǎng)、I/O口、中斷和外設(shè)設(shè)置 Show_Msg(); TIMConfiguration(); LwIP_Init();//網(wǎng)絡(luò)初始化IP地址分配 Check_ETH_PHY();//檢查以太網(wǎng)連接 ETH_To_UART_init(); d_init(); USART_ITConfig(USART2,USART_IT_RXNE,ENABLE); while(1) { System_Periodic_Handle();//系統(tǒng)周期運行顯示 delay_ms(200); USART3_Put_Char(0x21); }}6.2系統(tǒng)初始化子程序系統(tǒng)初始化子程序主要完成系統(tǒng)上電后，硬件初始化，時鐘頻率的設(shè)置，中斷初始化和中斷優(yōu)先級的設(shè)置，串行通訊口的初始化配置。同時，在這個子程序中對本設(shè)計所涉及的I/O口進展了總體配置。系統(tǒng)初始化子程序的代碼如下所示：voidSystem_Setup(void){RCC_ClocksTypeDefRCC_Clocks;SystemInit();USART_COM1_Init();USART_COM3_Init();RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2,ENABLE);RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_ETH_MAC|RCC_AHBPeriph_ETH_MAC_Tx|RCC_AHBPeriph_ETH_MAC_Rx,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_GPIOD|RCC_APB2Periph_GPIOE|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);NVIC_Configuration();GPIO_Configuration();Ethernet_Security();}6.3RS232通訊子程序RS232子程序完成了串口最根本的設(shè)置，就是波特率的設(shè)置。其中包括對端口的使能復位和控制，具體代碼如下所示：USART_InitStructure.USART_BaudRate=115200;USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_R