stebin">         智能網(wǎng)絡(luò)終端是實(shí)現(xiàn)智能化管理的嵌入式終端設(shè)備,。通常具有安全門禁系統(tǒng)和自動(dòng)化控制的基本功能,。本文重點(diǎn)介紹基于STM32的智能嵌入式終端的網(wǎng)絡(luò)控制功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

　　1智能網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)方案

　　將嵌入式系統(tǒng)與Internet連接起來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息獲取和控制功能的本質(zhì)是嵌入式系統(tǒng)本身能夠?qū)崿F(xiàn)TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,。該協(xié)議的解決方案總體上可分為兩大類,。第一類是直接在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)TCP／IP，使之直接連上Internet,。這實(shí)質(zhì)上是由MCU及內(nèi)部固化TCP／IP協(xié)議的芯片組成應(yīng)用系統(tǒng)的核心,，MCU可以直接撥號(hào)上網(wǎng)，這種方法的硬件電路相對(duì)簡單,，也不需要中間環(huán)節(jié)的支持,。但是由于使用了TCP／IP協(xié)議芯片，因此需要大容量的程序存儲(chǔ)器,，而且要求MCU有較高的運(yùn)行速度,。同時(shí)，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)師還必須熟悉TCP／IP協(xié)議,，且軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜,，工作量大。目前,，此方案的典型代表有SX-stack,、Sciko公司的S7600A芯片；第二類是使嵌入式設(shè)備經(jīng)過通信轉(zhuǎn)換后，再通過公用的TCP／IP轉(zhuǎn)接口(網(wǎng)關(guān)Gateway)與Intemet相連,。目前有以下幾種方式：

　　(1)通過使用獨(dú)立于微控制器MCU的專用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片來完成單片機(jī)與網(wǎng)關(guān)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,，并以此作為鏈接到Internet的橋梁。例如韓國WIZnet公司的W5100芯片,；

　　(2)用單片機(jī)控制以太網(wǎng)網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，此時(shí)必須加載TCP／IP協(xié)議到單片機(jī)中；

　　(3)用代理協(xié)議來完成與網(wǎng)關(guān)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換,。

　　本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立于微控制器MCU的專用網(wǎng)絡(luò)接口芯片來實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議,，微處理器選擇STM32F103VB，網(wǎng)絡(luò)芯片選擇W5100,。二者通過SH接口進(jìn)行連接,，其連接示意圖如圖1所示。

　　2硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　2.1  總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的硬件可分為采集模塊,、處理模塊,、鍵盤和顯示模塊、傳輸模塊,、控制模塊和供電模塊等,。其中采集模塊負(fù)責(zé)采集信息；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)采集到的信息,，控制模塊則可以進(jìn)行相應(yīng)的控制；鍵盤和顯示模塊負(fù)責(zé)顯示相關(guān)信息以提示現(xiàn)場人員操作,；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊負(fù)責(zé)信息與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行信息交互,；供電模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)供電。圖2所示是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖,。通過這種結(jié)構(gòu)可以自主開發(fā)出一套高性價(jià)比,、低成本、低功耗,、開發(fā)周期短,、運(yùn)行速度快、可靠性高,、功能齊全,、擴(kuò)展性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)控制終端。

　　2.2  硬件實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的處理器模塊選用ST公司剛剛推出不久的,、基于ARM Cortex^TM-M3內(nèi)核的新一代嵌入式STM32芯片,。這是一款專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核。它帶有把中斷之間延遲降到6個(gè)CPU周期的嵌套向量中斷控制器,，允許在每一個(gè)寫操作中修改單個(gè)數(shù)據(jù)位的獨(dú)立位操作,，可進(jìn)行分支指令預(yù)測、單周期乘法、硬件除法且有高效的Thumb 2指令集,。這些改良技術(shù)使Cortex-M3內(nèi)核具有優(yōu)異的代碼密度,、實(shí)時(shí)性和低功耗性能。所有這些新功能都同時(shí)具有目前最優(yōu)的功耗水平,，非常適合應(yīng)用于長時(shí)間工作的終端控制系統(tǒng),。

 

　　本系統(tǒng)由+12 V電源輸入，同時(shí)經(jīng)過LM2575和78L09穩(wěn)壓后分別得到5 V和9 V電壓,，5 V再經(jīng)過SPX1117M3-3.3電壓穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換后得到3.3 V,，這樣3.3 V、5 V和9V電壓即能夠很好地滿足內(nèi)核,、外設(shè)和外部電路的供電,。系統(tǒng)時(shí)鐘源可采用外部晶振，內(nèi)部PLL電路可以調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘,，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快,。為了提供性能優(yōu)越的電源監(jiān)控性能，這里選取了專門的MAX811系統(tǒng)監(jiān)視復(fù)位芯片,，該芯片可以通過手動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)位,，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電源，一旦系統(tǒng)電源低于系統(tǒng)復(fù)位閥值,，電路中的MAX811將產(chǎn)生一個(gè)140ms的復(fù)位脈沖信號(hào)來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

 

　　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊選用的W5100芯片是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片,。它內(nèi)部集成有10／100Mbps以太網(wǎng)控制器,，可支持自動(dòng)應(yīng)答(全雙工／半雙工模式)，主要用于高集成,、高穩(wěn)定,、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)。使用W5100可以實(shí)現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接,。W5100與IEEE802.310BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容,。此外，W5100內(nèi)部集成有全硬件的,、經(jīng)過多年市場驗(yàn)證的TCP／IP協(xié)議棧,、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)。其硬件TCP／IP協(xié)議可支持TCP,、UDP,、ICMP、IGMP,、IPv4,、ARP、PPPoE和IGMP。同時(shí)可支持4個(gè)獨(dú)立的端口(Socket)通信,，其內(nèi)部16 K字節(jié)的發(fā)送,，接收緩沖區(qū)可快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其最大通信速率可達(dá)25 Mbps,。利用W5100提供的多種總線(并行總線和SPI總線)接口方式可以很方便地與各種MCU連接,。可以說,，W5100器件的推出,，大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，并可使微控制器系統(tǒng)在沒有操作系統(tǒng)的支持下實(shí)現(xiàn)單芯片接人Internet的理想,。一般情況下,，只需設(shè)置寄存器和存儲(chǔ)器，就可以通過W5100芯片進(jìn)行Internet奎接,。

 

　　在設(shè)計(jì)中,，STM32F103與W5100可通過SPI接口進(jìn)行連接。STM32F103作為SPI主設(shè)備,，W5100作為SPI從設(shè)備,，并由STM32F103為W5100提供通信時(shí)鐘，二者的接口連接圖如圖3所示,。

　　但是,，STM32F103在與W5100以SPI方式連接時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

 

　　(1)W5100的SEN引腳必須通過一個(gè)10 kΩ的電阻接到高電平,，以選W5100的SPI接口方式,；

 

　　(2)W5100的D0～D7、A0～A14及CS,、WR,、RD可以懸空，只使用SCLK,、SCS,、MOSI和MISO四根信號(hào)線；

 

　　(3)W5100的INT引腳是中斷輸出,，MCU需要根據(jù)該信號(hào)來判斷W5100的中斷狀態(tài),；

 

　　(4)LINKLED是W5100輸出的以太網(wǎng)物理層信號(hào)，MCU需要根據(jù)該信號(hào)判斷以太網(wǎng)的聯(lián)接是否正常,。該信號(hào)一般需要上拉輸入到MCU,；

 

　　(5)W5100的SPDLED、FDXLED,、COLLED可以根據(jù)選擇是否需要輸入到MCU,。

 

　　另外,，系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器模塊可以選用ST公司的64 MB的串行代碼存儲(chǔ)閃存M25P64。該器件的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘頻率為50 MHz,，數(shù)據(jù)讀取吞吐量為50 MB／s,，其簡單的SPI串行外設(shè)接口可簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本硬件平臺(tái)使用兩片M25P64級(jí)聯(lián),，可存儲(chǔ)128 MB的信息,，圖4所示是其存儲(chǔ)電路，它完全可以滿足平臺(tái)信息采集存儲(chǔ)的需求,。為方便人員察看,，系統(tǒng)中的LCD屏可選用(114.0 mm×64.0 mm)。

　　3 W5100的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　W5100的驅(qū)動(dòng)程序主要完成初始化和端口的數(shù)據(jù)通信等功能,。

 

　　通過SPI接口來配置W5100的寄存器一般具有固定的命令格式,。根據(jù)SPI協(xié)議，SPI設(shè)備之間只有兩條數(shù)據(jù)線,。因此需要定義操作碼(OP_Code),。W5100使用兩種操作碼：讀操作碼和寫操作碼。除了這兩種代碼,，它將忽略和不響應(yīng)其它的操作碼,。在SPI模式下，W5100只對(duì)“完整的32位數(shù)據(jù)流”進(jìn)行操作,。這個(gè)32位的數(shù)據(jù)流包括1個(gè)字節(jié)的操作碼,、2個(gè)字節(jié)的地址碼和1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。其操作碼,、地址和數(shù)據(jù)字節(jié)的傳輸都是高位(MSB)在前,、低位(LSB)在后。也就是說,，SPI數(shù)據(jù)的第一位是操作碼域的MSB，最后一位是數(shù)據(jù)域的LSB,。W5100的SPI數(shù)據(jù)格式如表1所列,。

　　初始化W5100主要是設(shè)置W5100的公共寄存器，包括MR,、IMR,、RTR、RCR,、GAR,、SUBR、SHAR,、SIPR,、RMSR和TMSR,。一般在使用W5100之前，都要對(duì)W5100進(jìn)行初始化,。

　　3.1數(shù)據(jù)通信的建立

　　TCP是面向連接的通信方式,，它首先必須建立連接．然后才能利用IP地址和端口號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。TCP有兩種建立連接的方式,，一是通過服務(wù)器模式(被動(dòng)打開)等待連接請(qǐng)求,；二是通過客戶模式(主動(dòng)打開)發(fā)送連接請(qǐng)求給服務(wù)器。本例采用TCP客戶模式,。在建立TCP連接之前,，一般都需要初始化端口，包括設(shè)置端口號(hào),、設(shè)置W5100為TCP模式和寫入OPEN命令,。端口初始化主要配置端口0的相關(guān)寄存器，包括：S0_PORT,、S0_MR和S0_CR,。

 

　　圖5是W5100在TCP客戶模式的處理流程。

 

　　3.2中斷處理

　　在處理W5100的中斷時(shí),，首先應(yīng)訪問W5100的中斷寄存器(IR),，可用MCU通過訪問IR獲得產(chǎn)生中斷的來源。任何中斷源都可以被中斷寄存器(IMR)的相應(yīng)位所屏蔽,，因此,，若要使用某個(gè)中斷源，先要置位該中斷源在IMR中的相應(yīng)位,，這樣,，當(dāng)IR中對(duì)應(yīng)位置位時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生中斷,。此后當(dāng)中斷產(chǎn)生時(shí),，即進(jìn)入中斷處理程序。對(duì)于每個(gè)中斷事件,，處理方式可由用戶自己定義,。

 

　　假如使用的是端口0中斷?？稍赪5100的初始化程序中先將IMR中的IM_IR 0(端口0中斷屏蔽位)置位,。這樣，當(dāng)端口0中斷發(fā)生時(shí)(IM_IR0=I,，S0_INT=1),，系統(tǒng)將開始讀端口0中斷寄存器(S0_IR)，在W5100的端口寄存器中,，主要設(shè)置有建立連接(CON),、終止連接(DIS

 

　　CON),、數(shù)據(jù)發(fā)送完成(SEND_OK)、接收數(shù)據(jù)(RECV)和超時(shí)(TIMEOUT)等中斷事件,。

　　3.3  數(shù)據(jù)接收

　　當(dāng)端口產(chǎn)生接收中斷時(shí),，可調(diào)用接收函數(shù)S_rx_process(SOCKET s)將端口接收到的數(shù)據(jù)緩存到Rx_buffer數(shù)組中，并返回接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),。當(dāng)讀完所有的數(shù)據(jù)后,，可將接收存儲(chǔ)器讀指針寄存器(S0_RX_RD)的值加上讀取的數(shù)據(jù)長度，然后再寫入S0_RX_RD,，最后向端口0的命令寄存器(S0_CR)寫入RECV命令,，以等待下次接收數(shù)據(jù)。但要注意在計(jì)算實(shí)際物理偏移量rx_offset時(shí),，S_RX_SIZE必須保證和在初始化代碼中定義的接收緩存區(qū)的大小一致,。

 

　　3.4  數(shù)據(jù)發(fā)送

　　通過Socket發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩存在Tx_buffer中,。此外,，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，還需先檢查發(fā)送緩存區(qū)的剩余空間的大小,，然后控制發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),。端口發(fā)送緩存區(qū)的大小由發(fā)送存儲(chǔ)器空間寄存器(TMSR)確定。在數(shù)據(jù)發(fā)送處理過程中,，剩余空間的大小將因?qū)懭霐?shù)據(jù)而減少,，發(fā)送完成后又自動(dòng)增加。把Tx_buffer的數(shù)據(jù)完全寫入端口的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)后,，可將端口傳輸寫指針寄存器(Sn_TX_WR)中的值加上寫入的數(shù)據(jù)長度,，再寫入Sn_Tx_WR，以指示發(fā)送數(shù)據(jù)的長度,，最后在命令寄存器(Sn_CR)中寫入SEND命令,，以啟動(dòng)發(fā)送。

 

　　4結(jié)束語

　　本文對(duì)控制終端設(shè)計(jì)提出了一些新穎的設(shè)計(jì)思路,，利用該思路可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和網(wǎng)絡(luò)的混合控制,。該系統(tǒng)創(chuàng)新處主要包括如下幾點(diǎn)：

 

　　(1)具有USB＼UART等輸入輸出端口，可用于現(xiàn)場測控,；

 

　　(2)可通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸,、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)測控和信息資源共享等功能,；

 

　　(3)可通過大容量的存儲(chǔ)器來進(jìn)行大容量的數(shù)據(jù)采集,，并將其存儲(chǔ)在片上處理；

 

　　(4)具有LCD顯示單元,，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的現(xiàn)場顯示,，使用戶現(xiàn)場操作更加簡單,。