用RT5370模塊實現(xiàn)的低成本嵌入式WiFi系統(tǒng)

李洋洋

（希捷國際科技（無錫）有限公司 固件開發(fā)部，無錫214028）

引 言

眾所周知，WiFi與其他短距離無線通信相比，具有通信速率高、穩(wěn)定、安全、支持設備多等優(yōu)點。尤其是近幾年智能手機迅速發(fā)展，使WiFi快速普及，這就給傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)無線通信帶來了機遇和挑戰(zhàn)。就通信角度而言，數以億計的智能手機其實就是一個個潛在的手持遙控器或數據終端，如果能在嵌入式系統(tǒng)中支持WiFi網絡，將極大地拓展與外部的通信方式。但是，由于WiFi對系統(tǒng)資源要求比較高，所以嵌入式系統(tǒng)采用WiFi的發(fā)展相對滯后，常見的方案是，在原有的嵌入式系統(tǒng)中外接一個WiFi通信轉接模塊，將WiFi信號轉換為UART、SPI等常見的通信方式。這種方式實現(xiàn)比較簡單，但是缺點也非常明顯，額外增加了成本，這也是阻礙嵌入式系統(tǒng)WiFi發(fā)展的一個主要因素。本文介紹了直接將WiFi網卡集成到嵌入式系統(tǒng)的解決方案，系統(tǒng)MCU直接驅動USB接口的WiFi網卡，從而省去了WiFi轉UART等橋接模塊，明顯降低了系統(tǒng)成本，而且同時理論上解決了采用橋接模塊潛在的通信速率瓶頸問題。

1 系統(tǒng)方案

本文設計的嵌入式WiFi方案是智能手機以WiFi方式遙控智能小車的系統(tǒng)，系統(tǒng)架構如圖1所示。手機端就是一個運行在手機上的Android應用程序，小車端的核心控制板采用STM32F105RB芯片，WiFi網卡采用基于RT5370的嵌入式模塊。RT5370是一款USB接口的WiFi芯片，基于其實現(xiàn)的USB無線網卡非常常見，價格優(yōu)勢明顯。STM32F105RB是ST公司STM32系列芯片的一款，72 MHz主頻，具有128 KB Flash、48 KB RAM和豐富的I/O資源，同時價格比較低，在中小嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用，同時其支持USB OTG，可以驅動RT5370。

圖1 系統(tǒng)架構示意

該系統(tǒng)的核心就是在基于STM32F105RB的小車控制板上實現(xiàn)對RT5370 WiFi模塊的支持，使該控制板工作在AP模式，手機通過WiFi從控制板獲得IP，然后運行相應的Android應用程序控制小車。

2 硬件設計

小車控制板包括WiFi接口和功率輸出驅動兩大部分。因為本文的重點是嵌入式WiFi實現(xiàn)，所以只給出該部分的硬件實現(xiàn)，如圖2所示。圖中STM32F105RB的USB工作在主機模式，與WiFi模塊通過6引腳2.0 mm的單排針連接。由于STM32F105RB USB模塊內部有下拉電阻，所以電路連接非常簡單。

圖2 WiFi接口電路

3 軟件流程及移植

系統(tǒng)軟件架構如圖3所示。整個系統(tǒng)由USB驅動、WiFi協(xié)議棧、網絡協(xié)議棧、應用程序4個主要部分組成。

USB部分實現(xiàn)WiFi網卡和系統(tǒng)MCU之間的通信，WiFi網卡收發(fā)的數據通過USB與MCU進行交互，STM32F105RB作為USB主機，WiFi網卡作為USB客戶端。

WiFi協(xié)議棧負責802.11協(xié)議的解析和封裝，向下和USB驅動交互，向上和TCP/IP協(xié)議棧交互：發(fā)送端，從TCP/IP協(xié)議棧接收數據，封裝成WiFi封包，通過調用USB驅動實現(xiàn)物理發(fā)送；接收端，從USB驅動接收數據，解析802.11協(xié)議，傳送給TCP/IP協(xié)議棧，實現(xiàn)向應用層的傳遞。

TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)IP、ICMP、UDP、TCP等協(xié)議，包括實現(xiàn)協(xié)議封裝、解析以及基本的路由。當前有很多優(yōu)秀的開源TCP/IP協(xié)議棧，本項目中選用LWIP，因為該協(xié)議比較成熟，適合資源有限的嵌入式系統(tǒng)。LWIP支持DHCP客戶端，但是在該系統(tǒng)中作為AP來用，需要DHCP服務器，這里自己設計了一個簡單的DHCP服務器。

應用程序部分，調用網絡編程接口和手機進行通信，將收到的數據轉化為驅動小車輸出的PWM信號，來驅動小車。

圖3 系統(tǒng)軟件架構

3.1 USB驅動

ST公司的固件庫提供了對于USB的支持。本系統(tǒng)就基于該USB庫架構，實現(xiàn)了USB WiFi模塊需要的特定功能。

STM32的USB庫架構如圖4所示，其給用戶提供的接口非常清晰，包括USB主機的初始化，以及對應狀態(tài)機的實現(xiàn)。

3.1.1 USB主機初始化

USB主機的初始化通過USBH＿Init函數實現(xiàn)，這個函數有5個結構類型的參數，在調用這個函數前，需要先設置好這5個參數的內容。該函數原形如下：

圖4 STM32 USB庫架構

參數pdev，phost分別代表STM32 USB的核心控制結構和USB主機的控制結構，在STM32的USB庫中已經定義，對應 USB＿OTG＿CORE和 USB＿HOST。USB＿OTG＿FS＿CORE＿ID表示工作在USB的全速方式。參數Class＿cb和Usr＿cb為用戶定義的USB類控制結構和用戶定義的初始化結構。這兩個結構是要實現(xiàn)的內容，其中，用戶定義的USB類控制結構，包括初始化、釋放、請求和狀態(tài)機4個處理函數，分別在代表用戶設計的USB類的初始化、釋放、初始化請求和正常工作狀態(tài)中會用到。

用戶根據要求分別實現(xiàn)對應的功能，對應本項目的WiFi模塊，具體的移植實現(xiàn)如下：

其中，USBH＿CDC＿InterfaceInit實現(xiàn) WiFi模塊的初始化，對應Linux版本驅動中的芯片寄存器配置、通信緩沖區(qū)配置、加載固件的掛鉤函數等處理，以及在Main VirtualIF＿open中實現(xiàn)打開 WiFi等操作。USBH＿CDC＿Handle則實現(xiàn)USB的狀態(tài)機功能。

用戶定義的初始化函數是給用戶提供一個實現(xiàn)自己特定初始化操作的接口，這里沒有用到。

這些參數都設置好后，直接調用USBH＿Init即可實現(xiàn)對USB硬件和架構的初始化。

3.1.2 USB狀態(tài)機

USB初始化完成后，其核心處理都是由USB狀態(tài)機USBH＿Process來實現(xiàn)從枚舉、功能處理到異?；謴偷鹊墓芾?，其中會通過函數掛鉤的方式調用在初始化過程中設置的對應函數。

具體狀態(tài)轉換過程如圖5所示。首先主機檢測是否有USB模塊插入，如果有，則轉入枚舉過程。對于本系統(tǒng)來說，WiFi模塊直接安裝在控制板上，上電后就會檢測到有插入并轉入枚舉過程；枚舉結束后，STM32F105RB的USB庫會給用戶提供一個用戶輸入和特定類初始化的操作，對于該WiFi模塊，歸屬于通信類，在類初始化操作中會作WiFi模塊相應地初始化，包括讀取模塊的配置信息、MAC地址等；在這些初始化過程完成后，會進入模塊狀態(tài)機處理過程，對于該WiFi模塊來說，就是循環(huán)處理接收數據的過程。在這個過程中如果發(fā)生異常，則進入異常處理后重新從空閑狀態(tài)開始狀態(tài)切換。標準的STM32F105RBUSB模塊還有USB模塊拔除的狀態(tài)轉換，由于該項目中WiFi模塊直接裝在母板上，所以不會進入這個狀態(tài)。

圖5 STM32 USB狀態(tài)機

特別地，USB WiFi狀態(tài)機處理函數主要實現(xiàn)WiFi數據的傳輸，具體的傳輸通過USB的批處理傳輸方式進行。對于數據接收，系統(tǒng)會一直輪詢WiFi模塊，判斷是否有數據可用。如果有，則將數據讀入接收緩沖區(qū)中，并設置相應的標志通知上層軟件。對于數據發(fā)送，上層直接發(fā)起數據傳輸，調用USB發(fā)送函數，進行發(fā)送。

3.2 802.11協(xié)議驅動

WiFi協(xié)議棧的實現(xiàn)基于Mediatek官方提供的Linux源碼驅動，相應移植到該項目的STM32F105RB系統(tǒng)中。圖6分析了RT5370 Linux的驅動流程和需要完成的對應移植工作。

圖6 RT5370 Linux驅動流程及其對應移植

從左邊的驅動流程可以看出，首先是設置Linux驅動架構下面的probe、open等函數，在本系統(tǒng)中這塊并不需要，直接從硬件初始化開始，由于驅動本身就是可移植性比較好的C語言代碼，所以這塊代碼基本可以直接移植過來；然后是驅動所需的通信緩沖區(qū)的資源初始化，這部分和操作系統(tǒng)相關，根據本系統(tǒng)的情況，直接預留相應的內存作為通信緩沖區(qū)；WiFi對應的配置信息在Linux下是一個配置文件，在存在根文件的系統(tǒng)中，對于沒有文件系統(tǒng)的情況，直接將對應的配置值以默認值的方式保存，但是這也導致了一個問題，相應的WiFi配置（如SSID等）不可以更改，需要在后續(xù)實現(xiàn)中完善；這些設置工作都準備好后，啟動對應的定時器和2個任務分別處理WiFi的廣播Beacon連接信息和實際用戶數據，并用相應的定時器和模塊實現(xiàn)。

3.3 TCP/IP協(xié)議棧LWIP

完成了WiFi驅動從Linux到STM32F105RB系統(tǒng)的移植后，相當于實現(xiàn)了OSI模型中網絡層的移植，后續(xù)就是相應協(xié)議棧的移植。本項目中協(xié)議棧選用LWIP，版本是v1.3.2。需要指出的是，由于該項目的USB WiFi工作于AP模式，需要實現(xiàn)DHCP服務器的功能。而在LWIP中只有DHCP客戶端功能，服務器需要自己實現(xiàn)，在本項目中根據需要實現(xiàn)了一個簡單的DHCP服務器。

3.4 應用程序

在實現(xiàn)了 WiFi驅動、協(xié)議棧以及DHCP服務器后，基于STM32的WiFi已經可以工作，分別用手機和計算機與控制板連接，成功獲得IP，在計算機端運行ping命令，可以成功ping通。在此基礎上，編寫基于LWIP的套接子程序，以及相應的小車驅動程序，實現(xiàn)通過手機可以流暢地控制小車。

結 語

試驗表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)的WiFi除具有成本方面的優(yōu)勢外，還具有系統(tǒng)啟動快、通信響應快的特點，通常系統(tǒng)2 s即可以啟動，手機3 s即可以獲得IP，比常用路由器的響應快了很多；ICMP響應通常小于2 ms，響應速度的優(yōu)勢也非常明顯。用手機通過WiFi控制智能小車，可以做到流暢控制。理論和實踐證明，在基于Cortex-M3的低成本嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)WiFi是完全可行的。

當然，由于時間限制，該項目WiFi系統(tǒng)的加密功能，以及通常的WiFi系統(tǒng)需要的基于web界面方式的配置功能尚未實現(xiàn)。考慮到當前STM32F105RB的資源使用情況，我們使用了80 KB空間，系統(tǒng)還留有48 KB空間，后續(xù)完整實現(xiàn)加密和Web界面配置在理論上是可行的，有待進一步驗證。

[1]MEDIATEK. USB WiFi module （RT2870/ RT2770/RT3X7X/RT537X/RT5572）driver source code[EB/OL].[2014-07].http：//www.mediatek.com/en/downloads/usbrt2870rt2770rt3x7xrt537xrt5572/.

[2]ST microeltecronics.STM32F10xxx programming guide[EB/OL].[2014-07].http：//www.stmicroelectronics.com.cn/stonline/stappl/resourceSelector/app？ page ＝ full ResourceSelector＆doctype＝programming＿manual＆LineID＝1564.

[3]ST microeltecronics.STM32F10xxx USB OTG host and device library[EB/OL].[2014-07].http：//www.stmicroelectronics.com.cn/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1743/LN1734/PF257882.

[4]LwIP web site.LwIP V1.3.2 source code[EB/OL].[2014-07].http：//download.savannah.gnu.org/releases/lwip/older＿versions/.