基于的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)

陳忠 湖南城市學(xué)院

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，嵌人式技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到各種電子產(chǎn)品。早期的嵌入式設(shè)備常作為單一的控制終端產(chǎn)品，以微控制器為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的控制操作，大多不與外界進(jìn)行連接。微控制器的主要任務(wù)是定時(shí)地檢測(cè)外部輸入、采集外部信息，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理操作。但是，由于設(shè)備不能與互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)（進(jìn)行連接，這大大限制了終端設(shè)備在工業(yè)控制、信息家電、移動(dòng)設(shè)備等的實(shí)際應(yīng)用。近幾年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟和完善網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式統(tǒng)的結(jié)合使終端設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)程信息處理的能力這也將是嵌人式技術(shù)未來(lái)的主要發(fā)展方向。將終端設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器接人互聯(lián)網(wǎng)中，可滿足目前控制系統(tǒng)中對(duì)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、傳輸以及決策指令發(fā)布等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制的要求。筆者所設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器旨在利用目前豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)控制、智能樓宇、信息家電等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和信息交互。

1 網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件可分為處理模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、控制模塊、指示模塊。其中處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，處理和存儲(chǔ)上位機(jī)程序發(fā)送過(guò)來(lái)的信息繼電器模塊顯東處理模塊執(zhí)行相應(yīng)命令后的結(jié)果；存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)上位機(jī)對(duì)處理模塊的設(shè)置；電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電；控制模塊負(fù)責(zé)配合上位機(jī)程序?qū)φ麄€(gè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F107 嵌入式微控制器

STM32F107 是 意 法 半 導(dǎo) 體 公 司 生 產(chǎn) 的 基 于ARMCortex-M3 內(nèi)核的STM 系列的32 位互連型微處理器。STM32F107 的時(shí)鐘頻率可達(dá)到72 MHz ,使其處理速度比同級(jí)別的基于ARM7TDMI 的產(chǎn)品快30% ,是同類(lèi)型產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。處理器內(nèi)置嵌套向量中斷控制器(NVIC),并且使用尾聯(lián)技術(shù),使得背靠背中斷的響應(yīng)只要6 個(gè)時(shí)鐘周期,從而大大提高了中斷事件的處理速度。而且STM32F107 系列芯片內(nèi)部集成了一個(gè)10/100 MbitVs 以太網(wǎng)媒體控制器( MAC) ,盡管芯片內(nèi)部沒(méi)有集成PHY 功能，但該MAC 控制器既支持較早的MII接口，也支持便于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的RMII 接口,這樣使設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要靈活選擇PHY 芯片,從而使微控制器可以實(shí)現(xiàn)不同通信要求的網(wǎng)絡(luò)功能。

2.2 RMII 接口的以太網(wǎng)模塊

本文設(shè)計(jì)的以太網(wǎng)PHY 芯片采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DP83848 芯片, DP83848 可實(shí)現(xiàn)10/100Mbits 的傳輸速度,提供了MII 和RMII 兩種接口規(guī)范連接到媒體存儲(chǔ)介質(zhì)層( MAC)。MII 規(guī)范為每個(gè)端口提供16 根引腳,用于數(shù)據(jù)和控制應(yīng)用(8 位數(shù)據(jù)線和8 位控制線)。RMII 規(guī)范將數(shù)據(jù)接口從4 位數(shù)據(jù)減少為2 位數(shù)據(jù),將控制減少到了3 個(gè)信號(hào),相比MII 減少了引腳數(shù)目以及其他應(yīng)用中的信號(hào)布線。因此，在本設(shè)計(jì)中采用RMI 模式與微處理器連接。

2.3 存儲(chǔ)模塊

另外，系統(tǒng)中存儲(chǔ)模塊采用富士通半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的FM24C04 芯片,FM24C04 是用先進(jìn)的鐵電技術(shù)制造的4 Kbits的非易失性的存儲(chǔ)器。接口方式為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的兩線接口與串行E'PROM 的功能操作相似，不同之處在于鐵電存儲(chǔ)器比EPROM寫(xiě)速度快得多，無(wú)延時(shí)。系統(tǒng)用FM24C04 對(duì)STM32F107 芯片進(jìn)行IP 地址、子網(wǎng)掩碼、端口號(hào)等設(shè)置的存儲(chǔ)。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由STM32F107 微控制器軟件編程和上位機(jī)控制軟件組成。在此只介紹STM32F107微控制器軟件編程部分。

嵌人式網(wǎng)絡(luò)控制器主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、繼電器控制,并且可通過(guò)USB 接口進(jìn)行繼電器控制和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置。軟件部分采用μC/OS II 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),并移植LwIP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。主函數(shù)進(jìn)行初始化操作后,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求建立5 個(gè)任務(wù)：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理任務(wù)、USB 數(shù)據(jù)處理任務(wù)、系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)、控制顯示任務(wù)。各任務(wù)之間通過(guò)郵箱、信號(hào)量和消息隊(duì)列進(jìn)行通信。除了主要應(yīng)用任務(wù)之外,還有3 個(gè)中斷服務(wù)子程序：①網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收中斷,用于把接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存人緩沖區(qū)；②USB 數(shù)據(jù)接收中斷,用于把接收的USB 數(shù)據(jù)存人緩沖區(qū)；③定時(shí)器中斷，用于為操作系統(tǒng)提供周期性的信號(hào)源。

3 LwIP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的移植

本設(shè)計(jì)主控芯片STM32F107 中的MAC 控制器和外部PHY 芯片構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈锢韺雍蛿?shù)據(jù)鏈路層,系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信需要協(xié)議棧的支持來(lái)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。本設(shè)計(jì)采用瑞士計(jì)算機(jī)學(xué)院(SICS)AdamDunkels 等人開(kāi)發(fā)的TCP/IP 協(xié)議棧一-LwIP。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了-種基于STM32 微控制器外接網(wǎng)絡(luò)PHY 芯片的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的解決方案,本方案具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低的優(yōu)點(diǎn),軟件采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌人式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)靈活、可靠,可以滿足對(duì)實(shí)時(shí)控制要求比較高的應(yīng)用。該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多次實(shí)際試驗(yàn),網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定、可靠,具有廣泛的設(shè)計(jì)參考意義和實(shí)用價(jià)值。