基于stm32的智能建筑以太網與rs232數據傳輸網關的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 5 STM32的功能 及優勢 有專門 以太網 MAC，還有 DMA 和硬件支持的 IEEE1588。所以是低成本的網絡化，還有精確的時鐘同步。 MII 或 RMII 的以太網物理 PHY 接口，因此，我們可以非常靈活的選擇物理 PHY 接口 。 OTG PHY 的 USB OTG 全速的接口，所以，具有 USB 主機的功能，不再需要外置的 USB OTG 或 PHY. PLL 模塊 ， 配有 高級 的 時鐘配置方案 為外設提供服務 ， 目的就是為了更加的 靈活 ，而 且成本 也會更加的優化。除此之外，我們也 可以 向 USB、 CAN 或者是 以太網 MAC 提供時鐘 的控制 。 啟動模式 非常的靈活 ，可以 向很多的設備提供啟動的服務，例如 CAN、 USART和 USB 等 設備 ，完全可以為這些設備的固件升級提供啟動。正是由于它 靈活的通信接口，所以在我們的啟動程序出現故 障，在無法 擦除 的情況下 ， 它一樣的可以 保證新代碼的燒錄成功。 低功耗模式的靈活電源 ，還有時鐘管理。另外， 可編程喚醒功能的時鐘和 84 字節的后備數據寄存器 的存在 ， 也是它的一大優勢。正是因為 這個原因， 因此在運行的過程中 ，甚至 在 待機 的狀態 時 都 會裁減應用系統，可以 使 性能和功耗 能長期的保持在 一個 相對 平衡 的狀態 ，電池可以 為 RTC 的運行 提供充足的電能 ，同時 可以在 84字節后備寄存器中保持應用程序關鍵數據。 80 個 5v 容忍的通用 I/O 口，還支持 10 個定時器的串口，其他的例如： CAN、 USB、 USRT和 以太網 等都收到它的支持。模擬功能一般包含 2個 DAC，還有完整的電源監控功能。因為 STM32 芯片的 互聯型產品 功能非常的齊全，是一個非常安全穩定的 通信中樞器件，所以， 在進行工作的時候，這些所有的功能模塊都是可以同時工作的。 第三章 網關硬件設計 6 第三章 網關硬件設計 總體框架設計 為了能夠極大地提高系統的穩定性和可靠性，也為了能夠最大化地縮短開發時間和節約開發所花費的費用，在系統硬件的設計選型時， 能選取一種既具有以太網接口，又具有 RS232 接口的芯片當然是最好的結果了。因為當我們需要的芯片同時具有了以太網和 RS232 的功能，那么在實現以太網和 RS232 的數據傳輸的時候，就會減少很多不必要的外圍電路的設計了。顯然，盡量的減少對外圍電路的設計，會減少我們設計的一大部分時間。 這樣大大地提高了系統的利用率，同時也減少了成本。因此，為了實現項目的開發要求，選用控制系統開發芯片 STM32f107 作為系統控制主芯片，它不僅廣泛地用于工業方面，而且自身功能非常的強大。 對于 STM32F107 芯片來說，他不僅功能非常的強大，而且性價比也 是 非常的高。它主要是以 CotexM3 內核 為基礎而存在 的 32 位閃存微控制器， 它所采用的指令也是非常的高 端，是一種 高代碼 、 高性能密度的指令集， 除此之外，還運用到了一個叫作 緊藕合嵌套向量中斷控制器。 一般來說，配有 一個 RMII 接口 ，還有以太網接口和 RS232 接口。正是因為它的配置齊全，所以它的優點就是低功耗，低成本和高性能等等。 設計的網關電路 將系統分為四個模塊設計 如 下 ： 圖 31 網關電路 模塊結構框 由圖 31 可知， 以太網 可以通過雙絞線與 STM32 芯片 相連，而 RS232 接口也 與 STM32芯片 相連。這樣一來，我們的 以太網就可以很容易地通過 STM32F107 芯片與 RS232 之間形成信息交換了。 當以太網需要 傳送數據到 RS232 的時候，或者 RS232 需要傳送數據到以太網的時候， STM32 芯片就顯得格外的重要，因為它是協議轉換的控制中心，第三章 網關硬件設計 7 不管是轉換成以太網數據包還是 RS232 幀的數據，都是需要 STM32 來進行協議轉換的。所以必須對以上各個模塊進行嚴謹的設計，才能使數據能夠順利的傳輸。 電源模塊設計 在實驗的設計過程中，要想使實驗中的各個模塊能夠正常的運行 ，就需要對STM32F107 芯片 提供有效 且充足 的電源。對于 STM32F107 開發板來說，供電方式一般有兩種：第一種是 5v 電源適配器進行供電；第二種是 USB 串口進行供電。而本設計主要用到的是 5v 電源適配器供電。當我們直接把適配器的一端插在 220v 的插座上，一端接在 STM32F107 芯片 的 J6 上時，就能對 STM32 芯片 提供 5v 的電壓了。電路圖如下： 圖 32 5v 適配器供電電路 而無論我們采取什么樣的供電方式對 STM32 芯片 進行供電，最后都會把 5v 的電源轉換為 的電源為系統進行供電。因此，我們選取 SPX1117 芯片來實現對 STM32 芯片 電壓的轉換， SPX 芯片是一種常用的 穩壓芯片，能夠產生 的穩壓電源，對我們系統的正常運行至關重 要。轉換電路如下： 圖 33 5v 轉 電路 第三章 網關硬件設計 8 JTAG 下載電路 JTAG 的主要功能有兩種：一種是對系統仿真調試，另一種是芯片內部測試， 一般來說， 標準的 JTAG 接口包括 四線： 第一條是 TD0（測試數據輸出） 、 第二條是 TDI（測試數據輸入） 、 第三條是 TMS（測試模式選擇） 、 第四條是 TCK（測試時鐘）。 JTAG 有 14 針的接口和 20 針的接口，在本次設計當中，我們采用的是 20 針的接口來進行調試電路和下載程序。詳細的接口電路圖如下： 圖 34 JTAG 下載電路 復位電路 復位電路是一 個很簡單的電路，如下電路圖所示，當按下開關 S2 的時候，電路接通，復位引腳電平就會降低，因此就達到了系統復位的效果。一般來說，復位電路有兩個作用，即可以對系統上電進行復位，又可以在系統運行過程中，通過按鍵來進行手動復位。 第三章 網關硬件設計 9 圖 35 復位電路 以太網模塊電路設計 當在實際的模塊與模塊間的設計過程中，怎樣解決 STM32F107 芯片和以太網之間的連接，將是我們需要重視的問題。對于這個設計而言，必須在芯片和以太網間加一個物理層的接口芯片才能完成連接，因此我們選取一個能支持 MII（介質無關接口）和 RMII（精簡的介質無關接口）的 DP83848C 芯片，這是一款功能齊全，功耗低的單路物理層器件，它所具有的 MII 和 RMII 接口，可以讓我們的設計變得更加的簡單。除此之外，這個芯片還支持 10BASET和 100BASETX的以太網外設，對于任何以太網的問題都有很好的兼容性和通用性。下面是 STM32 芯片與 DP83848C 芯片的以太網接口硬件連接圖： 圖 36 STM32F107 以太網接口硬件連線設計 RS232通訊電路設計 一般來說， STM32F107 芯片 的接口電路的電平為 1TL，但是標準的 RS232 電平是采用負邏輯形式的，顯然和 1TL 與 COMS 電平是完全不一樣的，且規定 +3+15v 間的電平為第三章 網關硬件設計 10 邏輯“ 0”電平，而 315v 間的電平為邏輯“ 1”電平。所以在設計通信的過程中必須采用電平轉換的方法，以便使兩者的電平相配。因此，在這次設計中，我們采用的是 SP3232芯片來完成電平的轉換工作。詳細的電平轉換電路圖如下： 圖 37 RS232 電平轉換電路第四章 軟件介紹 11 第四 章 軟件介紹 LWIP 協議棧簡介 在網絡傳輸中，為了順利地完成通訊，必須使用具有多層 以上的多種協議，這些協議按一定的層次順序組合在一起， 便會組成 一個協議棧（ Protocol STack）了， 換句話說，也叫 協議族（ Protocol Suite）。 LWIP 協議 其實 主要是一種 專門適用于嵌入式系統的 TCP/IP 協議棧 ， 它的通俗意思 就是大家都熟悉的 Light Weight（輕型） IP 協議，在運行的范圍方面，即可以移植到操作系統上運行，也可以在沒有操作系統的情況下獨立的運行。 LWIP 的主要目地 其實只有一個，那就是能夠最大化的 減少存儲器利用量和代碼的尺寸， 一般情況下， LWIP 協議 能夠在只有 幾十 K 的 RAM 的情況下， 或者 在只有 40K左右的 ROM 的情況下 就可以 正常的運行， 正因為如此， LWIP 協議就可以很容易的 適合于空間 小的 和 資源有限的處理器， 例 如嵌入式系統。 為了符合 減少處理器和存儲器的 設計要求， LWIP 可以利用 不需要任何拷貝的 API 進行裁減。 TCP/IP 協議是一個縮寫的名稱，其實它的全名 叫 做 傳輸控制 /因特網互聯網協議（ Transmission Control Protocol/Inter Protocol），它對 Inter 來說是非常的重要的，因為它是 互聯網絡的基礎，也是 人們運用的 最基礎的 傳輸 協議， 它的 組成 單元包括兩種 ： 第一種是 網絡層的 IP 協議 ，第二 種是 傳輸層的 TCP 協議。 pbuf 結構體定義 LWIP 協議棧中的數據包是用 pbuf 結構體來進行定義的，該結構體的主要定義如下面所述： Struct pbuf{ Struct pbuf*next； Void*payload； u16_t tot_len； u16_t len； u8_t type； u8_t flags； u16_t ref； ｝ Next 指針 的作用主要是 指向下一個 需要用到的 pbuf 數據包 ，其中， 當你要運用當前的數據包的時候，就需要用到 payload 指針， 而當前的 pbuf 長度則需要 totl_en 來表示，第四章 軟件介紹 12 在 pbuf 鏈中接下來的 pbufs 的所有 len 領域的總數 也是需要 totl_en 來表示的 ， 然而當前 pbuf 的長度 則是需要利用 len 來表示的 ， flags 和 type 表示的是 pbuf 的類型，具體來說， pbuf 具有三種類型，分別是 pbuf ram、 pbuf rom 和 pbuf pool， ref 則包含一個參考計數。 LWIP 協議棧中各層的實現 的 接口： next 指針 一般會指向它的下一個接口 ， ip_addr 表示的是 ip 地址，mask 表示的是子網掩碼， gw 則表示的是默認網關。他們三 個都是 都是由 IP 層調用的。當硬件接收到數據包的時候， 系統 就會 馬上 調用 input 指針指向該 函數 了 ；反之，當 IP 模塊有數據包發送的時候，就會調用 output 指針指向的函數；當 ARP 模塊有數據包發送時，同樣會調用 linkoutput 指針指向的函數。除此之外， if 還定義了一些狀態回調函數，只有當配置了該功能時，才會使用。 層：在 IP 層中， LWIP 僅僅能夠發送 、 接收和轉發包，基本可以完成 IP 的基本功能，但是，它卻不能夠接收和發送已經被分割的 IP 包，還有一些帶 IP 選項的包它也不能夠處理。 所以，在需要接收 IP包的時候，我們需要先調用 ip_input（）函數，然后，函數再通過網絡接口的 IP 地址去檢驗目的地址，以確保數據包是否被發往主機。當發送 數據 包時 ，是 需要調用函數 ip_output（） 來完成接下來的流程，它可以啟用合適的 函數 ip_route（）去尋