STM32F207和DM9161A的以太網實現方案

王濤，范寒柏，王磊，陳邵權

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，保定071003）

引 言

隨著經濟的迅猛發展，用電需求量及電力負荷急劇增大，諧波作為目前電網中影響最為重要的一項指標，對電力系統的影響越來越嚴重。通過網絡傳輸采集和分析諧波數據，以實現對諧波的有效監測，便于更有效地控制諧波對電子系統的危害。

本文給出了基于STM32F207及DM9161A 的以太網具體實現方案，為電力系統設備提供便捷高效的網絡實現方法。

1 硬件的實現

基于STM32F207的以太網接口實質是內部的MAC單元控制PHY 的過程，兩者通過MII／RMII接口傳送數據。

MAC（Media Access Control）即媒體訪問控制子層協議。該協議位于OSI七層協議中數據鏈路層的下半部分，主要負責控制與連接物理層的物理介質。

PHY（Physical Layer）是物理接口收發器，它實現物理層的數據編碼與解碼，直接提供可使用的數據流到MAC層。

MII（Media Independent Interface，媒體獨立接口）是指在不對MAC硬件重新設計或替換的情況下，任何類型的PHY 設備都可以正常工作；RMII（Reduced Media Independant Interface，簡化媒體獨立接口），是標準的以太網PHY 接口之一。

MII數據接口總共需要16個信號，由于其信號線較多，在實際中應用較繁瑣。而RMII只需要7根信號線，大大減少了實際的物理連線，有效地降低了硬件的復雜度及成本。因此，此次實現采用RMII物理層接口。

意法半導體公司的STM32F207 系列處理器自帶IEEE802.3的MAC，只需增加PHY 物理層芯片就可以連接到TCP／IP網絡，此次實現是基于STM32F207ZGT6處理器［1］。

STM32F207以太網接口的特性如下：

◆支持10 Mb／s和100 Mb／s速率；

◆專用的DMA 控制器能夠高速地傳輸數據；

◆支持VLAN 模式；

◆半雙工／雙工模式；

◆支持MAC控制層；

◆內置32位CRC校驗。

STM32F207的以太網連接方式有MII和RMII兩種接口，以下以 RMII 接口方式概述 DM9161A 與STM32F207處理器的硬件連接。

STM32F207提供標準的RMII硬件接口，只需要按照數據手冊的標識進行對應連接即可，此次實現的連接方式如表1所列。

表1 STM32F207硬件連接表

DM9161A 的實現電路如圖1所示。DM9161A 的RMII＿REF＿CLK 信號由STM32F207的內部MCO 提供，在簡化了硬件設計的同時也可以減少硬件成本［2］。HR911105A 是電路的網絡接口。

網絡控制部分的電路板如圖2所示。

圖1 DM9161A硬件實現電路

圖2 電力系統網絡控制部分電路板

2 軟件的實現

此部分的主要工作是在硬件平臺的基礎上實現TCP／IP協議棧，由于TCP／IP協議棧較復雜，功能實現比較困難，一般選擇成熟的TCP／IP 協議棧進行移植，此次選擇開源并且較成熟的LwIP以太網協議棧［3］。

LwIP（Light Weight IP）是瑞士計算機科學院開發的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP／IP協議棧，可移植性強，對資源要求較低，在實現TCP／IP 協議主要功能的基礎上減少對RAM 的占用。一般它只需要幾百KB的RAM 和40KB 左右的ROM 就可以運行，這使得LwIP協議棧適合在低端的嵌入式系統中使用。

移植工作在ST 公司提供的STM32F207以太網接口驅動的基礎上進行，針對DM9161A 芯片更改部分底層驅動代碼，包括時鐘配置、端口配置及PHY 地址配置等，移植工作一般需要幾個小時即可完成。

LwIP提供了在TCP／IP 協議棧中比較常用的TCP及UDP兩種功能。TCP是一種面向連接（連接導向）的、可靠的、基于字節流的運輸層（transport layer）通信協議；UDP是OSI參考模型中一種無連接的傳輸層協議，提供面向事務的簡單不可靠信息傳送服務。TCP一般用于對數據可靠性要求較高，但是數據傳輸速度較低的情況。而UDP的傳輸速度較快，但是可靠性較低，需要應用層保證數據到達的有效性，而在此應用中需要傳輸的數據量較小，但是對可靠性要求較高，因此選擇TCP通信模式。

LwIP提供了兩套API：底層的基于回調（callback）的raw API和高層的順序模型的API（類似BSD Socket）。

順序模型的API為普通的順序程序提供使用協議棧的API，和BSD 風格的API很相似，也是基于阻塞的open-read-write-close模式。鑒于TCP／IP 協議棧本身就基于時間，所以TCP／IP代碼和應用程序的代碼必須在不同的線程中，因此此種模式需要提供操作系統的支持。

而raw API可以讓應用程序和TCP／IP 協議棧代碼結合得更緊密。程序的執行也是基于事件的，使用回調函數的機制。這種方式TCP／IP 代碼和應用代碼運行在同一個線程中，因此這種模式可以在沒有操作系統支持的情況下使用。

實際上，順序模型的API也是基于raw API實現的。此次實現使用的是raw API，降低對硬件及軟件資源的需求，而raw API是基于事件驅動的，在數據的響應速度上也存在一定的優勢。

raw API的操作方法與順序模型基本類似，只是程序的運行模式不一樣，需要采用回調式的編程思想。基本動作包括建立連接、發送數據、接收數據、關閉連接4類，每一類根據不同的需求提供了不同的接口函數。

結 語

經過測試，在STM32F207 處理器及DM9161A 硬件平臺上移植LwIP 協議棧可以實現TCP、UDP 等功能并穩定地運行，為后續基于此平臺開發電力系統的通信網絡提供良好的基礎。

［1］STMicroelectronics.STM32F2XX advanced ARM-based 32-bit MCUs［EB／OL］.（2011-12-15）［2012-06-25］.http：／／www.st.com.

［2］DAVICOM Semiconductor Inc.DM9161A 10／100 Mbps Fast Ethernet Physical Layer Single Chip Transceiver［EB／OL］.（2009-10-16）［2012-06-25］.http：／／www.davicom.com.tw.

［3］Adam Dukels.Design and Implementation of the LwIP TCP／IP［EB／OL］.［2012-06-25］.http：／／wenku.baidu.com／view／e8b6dabbfd0a79563c1e7270.html.