基于stm32的智能建筑以太网与rs232数据传输网关的设计(编辑修改稿)

基于stm32的智能建筑以太网与rs232数据传输网关的设计(编辑修改稿)内容摘要：

5 STM32的功能 及优势 有专门 以太网 MAC，还有 DMA 和硬件支持的 IEEE1588。 所以是低成本的网络化，还有精确的时钟同步。 MII 或 RMII 的以太网物理 PHY 接口，因此，我们可以非常灵活的选择物理 PHY 接口。 OTG PHY 的 USB OTG 全速的接口，所以，具有 USB 主机的功能，不再需要外置的 USB OTG 或 PHY. PLL 模块 ， 配有 高级 的 时钟配置方案 为外设提供服务 ， 目的就是为了更加的 灵活 ，而 且成本 也会更加的优化。 除此之外，我们也 可以 向 USB、 CAN 或者是 以太网 MAC 提供时钟 的控制。 启动模式 非常的灵活 ，可以 向很多的设备提供启动的服务，例如 CAN、 USART和 USB 等 设备 ，完全可以为这些设备的固件升级提供启动。 正是由于它 灵活的通信接口，所以在我们的启动程序出现故 障，在无法 擦除 的情况下 ， 它一样的可以 保证新代码的烧录成功。 低功耗模式的灵活电源 ，还有时钟管理。 另外， 可编程唤醒功能的时钟和 84 字节的后备数据寄存器 的存在 ， 也是它的一大优势。 正是因为 这个原因， 因此在运行的过程中 ，甚至 在 待机 的状态 时 都 会裁减应用系统，可以 使 性能和功耗 能长期的保持在 一个 相对 平衡 的状态 ，电池可以 为 RTC 的运行 提供充足的电能 ，同时 可以在 84字节后备寄存器中保持应用程序关键数据。 80 个 5v 容忍的通用 I/O 口，还支持 10 个定时器的串口，其他的例如： CAN、 USB、 USRT和 以太网 等都收到它的支持。 模拟功能一般包含 2个 DAC，还有完整的电源监控功能。 因为 STM32 芯片的 互联型产品 功能非常的齐全，是一个非常安全稳定的 通信中枢器件，所以， 在进行工作的时候，这些所有的功能模块都是可以同时工作的。 第三章 网关硬件设计 6 第三章 网关硬件设计 总体框架设计 为了能够极大地提高系统的稳定性和可靠性，也为了能够最大化地缩短开发时间和节约开发所花费的费用，在系统硬件的设计选型时， 能选取一种既具有以太网接口，又具有 RS232 接口的芯片当然是最好的结果了。 因为当我们需要的芯片同时具有了以太网和 RS232 的功能，那么在实现以太网和 RS232 的数据传输的时候，就会减少很多不必要的外围电路的设计了。 显然，尽量的减少对外围电路的设计，会减少我们设计的一大部分时间。 这样大大地提高了系统的利用率，同时也减少了成本。 因此，为了实现项目的开发要求，选用控制系统开发芯片 STM32f107 作为系统控制主芯片，它不仅广泛地用于工业方面，而且自身功能非常的强大。 对于 STM32F107 芯片来说，他不仅功能非常的强大，而且性价比也 是 非常的高。 它主要是以 CotexM3 内核 为基础而存在 的 32 位闪存微控制器， 它所采用的指令也是非常的高 端，是一种 高代码 、 高性能密度的指令集， 除此之外，还运用到了一个叫作 紧藕合嵌套向量中断控制器。 一般来说，配有 一个 RMII 接口 ，还有以太网接口和 RS232 接口。 正是因为它的配置齐全，所以它的优点就是低功耗，低成本和高性能等等。 设计的网关电路 将系统分为四个模块设计 如 下 ： 图 31 网关电路 模块结构框 由图 31 可知， 以太网 可以通过双绞线与 STM32 芯片 相连，而 RS232 接口也 与 STM32芯片 相连。 这样一来，我们的 以太网就可以很容易地通过 STM32F107 芯片与 RS232 之间形成信息交换了。 当以太网需要 传送数据到 RS232 的时候，或者 RS232 需要传送数据到以太网的时候， STM32 芯片就显得格外的重要，因为它是协议转换的控制中心，第三章 网关硬件设计 7 不管是转换成以太网数据包还是 RS232 帧的数据，都是需要 STM32 来进行协议转换的。 所以必须对以上各个模块进行严谨的设计，才能使数据能够顺利的传输。 电源模块设计 在实验的设计过程中，要想使实验中的各个模块能够正常的运行 ，就需要对STM32F107 芯片 提供有效 且充足 的电源。 对于 STM32F107 开发板来说，供电方式一般有两种：第一种是 5v 电源适配器进行供电；第二种是 USB 串口进行供电。 而本设计主要用到的是 5v 电源适配器供电。 当我们直接把适配器的一端插在 220v 的插座上，一端接在 STM32F107 芯片 的 J6 上时，就能对 STM32 芯片 提供 5v 的电压了。 电路图如下： 图 32 5v 适配器供电电路 而无论我们采取什么样的供电方式对 STM32 芯片 进行供电，最后都会把 5v 的电源转换为 的电源为系统进行供电。 因此，我们选取 SPX1117 芯片来实现对 STM32 芯片 电压的转换， SPX 芯片是一种常用的 稳压芯片，能够产生 的稳压电源，对我们系统的正常运行至关重 要。 转换电路如下： 图 33 5v 转 电路 第三章 网关硬件设计 8 JTAG 下载电路 JTAG 的主要功能有两种：一种是对系统仿真调试，另一种是芯片内部测试， 一般来说， 标准的 JTAG 接口包括 四线： 第一条是 TD0（测试数据输出） 、 第二条是 TDI（测试数据输入） 、 第三条是 TMS（测试模式选择） 、 第四条是 TCK（测试时钟）。 JTAG 有 14 针的接口和 20 针的接口，在本次设计当中，我们采用的是 20 针的接口来进行调试电路和下载程序。 详细的接口电路图如下： 图 34 JTAG 下载电路 复位电路 复位电路是一 个很简单的电路，如下电路图所示，当按下开关 S2 的时候，电路接通，复位引脚电平就会降低，因此就达到了系统复位的效果。 一般来说，复位电路有两个作用，即可以对系统上电进行复位，又可以在系统运行过程中，通过按键来进行手动复位。 第三章 网关硬件设计 9 图 35 复位电路 以太网模块电路设计 当在实际的模块与模块间的设计过程中，怎样解决 STM32F107 芯片和以太网之间的连接，将是我们需要重视的问题。 对于这个设计而言，必须在芯片和以太网间加一个物理层的接口芯片才能完成连接，因此我们选取一个能支持 MII（介质无关接口）和 RMII（精简的介质无关接口）的 DP83848C 芯片，这是一款功能齐全，功耗低的单路物理层器件，它所具有的 MII 和 RMII 接口，可以让我们的设计变得更加的简单。 除此之外，这个芯片还支持 10BASET和 100BASETX的以太网外设，对于任何以太网的问题都有很好的兼容性和通用性。 下面是 STM32 芯片与 DP83848C 芯片的以太网接口硬件连接图： 图 36 STM32F107 以太网接口硬件连线设计 RS232通讯电路设计 一般来说， STM32F107 芯片 的接口电路的电平为 1TL，但是标准的 RS232 电平是采用负逻辑形式的，显然和 1TL 与 COMS 电平是完全不一样的，且规定 +3+15v 间的电平为第三章 网关硬件设计 10 逻辑“ 0”电平，而 315v 间的电平为逻辑“ 1”电平。 所以在设计通信的过程中必须采用电平转换的方法，以便使两者的电平相配。 因此，在这次设计中，我们采用的是 SP3232芯片来完成电平的转换工作。 详细的电平转换电路图如下： 图 37 RS232 电平转换电路第四章 软件介绍 11 第四 章 软件介绍 LWIP 协议栈简介 在网络传输中，为了顺利地完成通讯，必须使用具有多层 以上的多种协议，这些协议按一定的层次顺序组合在一起， 便会组成 一个协议栈（ Protocol STack）了， 换句话说，也叫 协议族（ Protocol Suite）。 LWIP 协议 其实 主要是一种 专门适用于嵌入式系统的 TCP/IP 协议栈 ， 它的通俗意思 就是大家都熟悉的 Light Weight（轻型） IP 协议，在运行的范围方面，即可以移植到操作系统上运行，也可以在没有操作系统的情况下独立的运行。 LWIP 的主要目地 其实只有一个，那就是能够最大化的 减少存储器利用量和代码的尺寸， 一般情况下， LWIP 协议 能够在只有 几十 K 的 RAM 的情况下， 或者 在只有 40K左右的 ROM 的情况下 就可以 正常的运行， 正因为如此， LWIP 协议就可以很容易的 适合于空间 小的 和 资源有限的处理器， 例 如嵌入式系统。 为了符合 减少处理器和存储器的 设计要求， LWIP 可以利用 不需要任何拷贝的 API 进行裁减。 TCP/IP 协议是一个缩写的名称，其实它的全名 叫 做 传输控制 /因特网互联网协议（ Transmission Control Protocol/Inter Protocol），它对 Inter 来说是非常的重要的，因为它是 互联网络的基础，也是 人们运用的 最基础的 传输 协议， 它的 组成 单元包括两种 ： 第一种是 网络层的 IP 协议 ，第二 种是 传输层的 TCP 协议。 pbuf 结构体定义 LWIP 协议栈中的数据包是用 pbuf 结构体来进行定义的，该结构体的主要定义如下面所述： Struct pbuf{ Struct pbuf*next； Void*payload； u16_t tot_len； u16_t len； u8_t type； u8_t flags； u16_t ref； ｝ Next 指针 的作用主要是 指向下一个 需要用到的 pbuf 数据包 ，其中， 当你要运用当前的数据包的时候，就需要用到 payload 指针， 而当前的 pbuf 长度则需要 totl_en 来表示，第四章 软件介绍 12 在 pbuf 链中接下来的 pbufs 的所有 len 领域的总数 也是需要 totl_en 来表示的 ， 然而当前 pbuf 的长度 则是需要利用 len 来表示的 ， flags 和 type 表示的是 pbuf 的类型，具体来说， pbuf 具有三种类型，分别是 pbuf ram、 pbuf rom 和 pbuf pool， ref 则包含一个参考计数。 LWIP 协议栈中各层的实现 的 接口： next 指针 一般会指向它的下一个接口 ， ip_addr 表示的是 ip 地址，mask 表示的是子网掩码， gw 则表示的是默认网关。 他们三 个都是 都是由 IP 层调用的。 当硬件接收到数据包的时候， 系统 就会 马上 调用 input 指针指向该 函数 了 ；反之，当 IP 模块有数据包发送的时候，就会调用 output 指针指向的函数；当 ARP 模块有数据包发送时，同样会调用 linkoutput 指针指向的函数。 除此之外， if 还定义了一些状态回调函数，只有当配置了该功能时，才会使用。 层：在 IP 层中， LWIP 仅仅能够发送 、 接收和转发包，基本可以完成 IP 的基本功能，但是，它却不能够接收和发送已经被分割的 IP 包，还有一些带 IP 选项的包它也不能够处理。 所以，在需要接收 IP包的时候，我们需要先调用 ip_input（）函数，然后，函数再通过网络接口的 IP 地址去检验目的地址，以确保数据包是否被发往主机。 当发送 数据 包时 ，是 需要调用函数 ip_output（） 来完成接下来的流程，它可以启用合适的 函数 ip_route（）去寻。