基于STM32的校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口設(shè)計*

王曉麗 姜 川 于 躍

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，長春 130118)

以太網(wǎng)(Ethernet)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種．以太網(wǎng)是指遵守IEEE 802．3標準組成的局域網(wǎng)，由IEEE802．3標準規(guī)定的主要是位于參考模型的物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層中的媒體介入控制子層(MAC)［1］．以太網(wǎng)滲透到工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、智能家居的嵌入式設(shè)備產(chǎn)生了接入互聯(lián)網(wǎng)的需求，利用以太網(wǎng)技術(shù)，嵌入式設(shè)備可以非常容易地接入到現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)中．高校是能源消耗較大的社區(qū)，對信息的準確性、實時性的要求也較嚴格．筆者設(shè)計使用高性能微處理器STM32F103VET6作為主控芯片，采用STM32外接常用的嵌入式以太網(wǎng)控制器ENC28J60接入網(wǎng)絡(luò)，并選擇移植LwIP協(xié)議棧的方式．以太網(wǎng)接口代替?zhèn)鹘y(tǒng)串行接口，加快了數(shù)據(jù)傳輸速率，同時可以實行遠程控制，具有抗干擾能力強、實時性高及數(shù)據(jù)處理能力強等優(yōu)勢，并且移植協(xié)議棧方便了不同系統(tǒng)、不同設(shè)備之間的通信．

1 芯片介紹

1．1 STM32F103VET6 芯片

STM32F103VET6是基于ARM Cortex-M3核的32位處理器芯片，該芯片具有體積小、耗能低以及性能高等優(yōu)勢．其最高工作頻率為72MHz;內(nèi)置高速存儲器(512KB Flash，64KB RAM);2個基本定時器;4個通用定時器;2個高級定時器;3個SPI;2個IIC;5個串口;1個USB;1個CAN;3個12位ADC;1個12位DAC;1個SDIO接口;1個FSMC接口以及80個通用IO口．

1．2 ENC28J60 芯片

ENC28J60是帶有行業(yè)標準串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的獨立以太網(wǎng)控制器，它可作為任何配備有SPI的控制器的以太網(wǎng)接口．ENC28J60符合IEEE 802．3的全部規(guī)范，采用了一系列包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進行限制，提供了一個內(nèi)部DMA模塊，以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗和計算．與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mb/s．圖1為使用ENC28J60的典型應(yīng)用電路．要將單片機連接到速率為10Mbps的以太網(wǎng)，只需ENC28J60，2個脈沖變壓器和一些無源元件即可．

圖1 ENC28J60典型應(yīng)用電路

2 硬件電路設(shè)計

ENC28J60的主要功能模塊SPI接口充當主控器與ENC28J60之間的通信信道．STM32F103VET6具有3個SPI接口，可以直接地與ENC28J60連接．圖2為10M以太網(wǎng)ENC28J60的硬件原理圖．

圖2 10M以太網(wǎng)ENC28J60的硬件原理

本次設(shè)計中，STM32單片機的PA4-SPI1-NSS引腳與ENC28J60-CS連接，完成片選．當多個SPI設(shè)備與MCU相連時，每個設(shè)備的這個片選信號線是與MCU單獨的引腳相連的;當SS信號線為低電平時，片選有效，開始SPI通信．STM32單片機的PA5-SPI1-SCK與ENC28J60-SCK引腳連接，時鐘信號由主通信設(shè)備產(chǎn)生，不同的設(shè)備支持的時鐘頻率不一樣，STM32的SPI時鐘頻率最大為fPCLK/2;STM32單片機的PA6-SPI1-MISO，PA7-SPI1-MISI分別與ENC28J60-SO，ENC28J60-SI引腳連接，完成數(shù)據(jù)的傳輸與接收．由于ENC28J60內(nèi)部穩(wěn)壓器無法驅(qū)動外部負載，所以電源引腳必須與同一個3．3V電源相連，并且在每個電源引腳與地之間都應(yīng)連接一個0．1μF的電容．

在ENC28J60芯片的OSC2和OSC1引腳之間連接25MHz晶振以及2個20pF的接地電容，能夠為ENC28J60提供較精確的時鐘信號，同時也可節(jié)省PHY的晶振．以太網(wǎng)變壓器在實現(xiàn)以太網(wǎng)接口操作時是不可缺少的，本設(shè)計中，在差分發(fā)送引腳(TPOUT+/TPOUT-)上，需要外接一個帶有中心抽頭的1∶1脈沖變壓器［2］．本設(shè)計中采用的是集成以太網(wǎng)隔離變壓器RJ45插座HR91105A．

3 軟件設(shè)計

本接口設(shè)計選用開發(fā)環(huán)境MDK，在MDK環(huán)境下可以使用C/C++方便地開發(fā)Cortex-M3的應(yīng)用程序．與其他開發(fā)程序相比，MDK具有入門容易、使用方便，并在調(diào)試程序、軟件仿真方面也有很強大的功能．

以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)程序流程如圖3所示．主程序通過查詢的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，采取通過判斷函數(shù)返回值方式是否接收到數(shù)據(jù)，若接收到數(shù)據(jù)，通過指針把數(shù)據(jù)包傳遞給上層的LwIP協(xié)議棧進行處理，完成數(shù)據(jù)包的收?。瞻l(fā)數(shù)據(jù)主程序主要包括系統(tǒng)及外設(shè)的初始化、以太網(wǎng)控制器的初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和應(yīng)用處理等部分．

圖3 以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)程序流程

3．1 STM32 庫

STM32庫是由ST公司針對STM32提供的函數(shù)接口，即API(Application Program Interface)，開發(fā)者可以調(diào)用這些庫函數(shù)接口來配置STM32的寄存器，使開發(fā)人員得以脫離最底層的寄存器操作，有開發(fā)速度快、易于閱讀、維護成本低等優(yōu)點．實際上，庫是架設(shè)在寄存器與用戶驅(qū)動層之間的代碼，向下處理與寄存器直接相關(guān)配置，向上為用戶提供平配置寄存器的接口［3］．本設(shè)計采用最新的STM32的3．5版庫文件，相對于以往版本的庫文件兼容性更好．

3．2 LwIP 協(xié)議棧

要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，代碼可以自行編寫，但一般都會移植更加穩(wěn)定優(yōu)良的代碼．LwIP是Light Weight Internet Protocol的縮寫，是由瑞士計算機科學(xué)院Adam Dunkels等開發(fā)的適用于嵌入式領(lǐng)域的輕量級TCP/IP協(xié)議棧，它可以移植到含有操作系統(tǒng)的平臺中，也可以在無操作系統(tǒng)的平臺下運行．由于其開源，占用的RAM和ROM比較少，支持較為完整的TCP/IP協(xié)議，且十分便于剪裁、調(diào)試，被廣泛地應(yīng)用于中、低端的32位操作平臺［4］．該協(xié)議棧提供了一組API函數(shù)應(yīng)用程序調(diào)用，編程方便［5］．

LwIP通過pbuf建立了與底層硬件收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理;netif結(jié)構(gòu)體則保存了網(wǎng)卡地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)等設(shè)置的這些信息．下面例舉部分LwIP_Init()函數(shù)，其主要功能是初始化LwIP協(xié)議棧，主要是把ENC28J60與LwIP連接起來，包括IP，MAC地址，接口函數(shù)．代碼如下:

4 仿真與應(yīng)用

MDK仿真工具強大，本設(shè)計軟件調(diào)試部分利用MDK軟件針對STM32進行仿真，執(zhí)行工程中的代碼．仿真結(jié)果如下圖4所示．

圖4 仿真邏輯儀結(jié)果

圖5 Web服務(wù)器運行結(jié)果

構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的軟件有不同的結(jié)構(gòu)，有B/S結(jié)構(gòu)(瀏覽器/服務(wù)器)和C/S(客戶端/服務(wù)器)．本網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計中HTTP服務(wù)器其是基于B/S結(jié)構(gòu)的，用戶運行應(yīng)用程序時通過訪問Web調(diào)用服務(wù)器的應(yīng)用程序，并通過瀏覽器把結(jié)果顯示給用戶．該以太網(wǎng)接口應(yīng)用于校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)中，所以設(shè)計出一款可以遠程控制LED燈亮滅的簡單應(yīng)用，其運行結(jié)果如圖5所示．

5 結(jié)語

以STM32作為主控芯片結(jié)合以太網(wǎng)控制器設(shè)計的10M以太網(wǎng)接口，具有電路連接簡單、通信距離遠、可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能等優(yōu)點．在校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)中，將傳感器采集的數(shù)據(jù)編寫成MAC數(shù)據(jù)包格式通過該接口發(fā)送給上位機，現(xiàn)場控制器也可通過該接口接收上位機發(fā)送的命令，進而實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的管理控制一體化，而且使用該以太網(wǎng)接口既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕帜茏畲蟪潭鹊臏p少對現(xiàn)有建筑物的改造和破壞，所以，在當今社會節(jié)約能源的強烈需求下，該設(shè)計具有更廣闊的應(yīng)用前景．

［1］王延堯．以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京:人民郵電出版社，2005:2-3．

［2］陳 磊．以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的實時特性研究［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2004，38(6):29-31．

［3］李 寧．基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008:5-7．

［4］孔 棟．嵌入式TCPIP協(xié)議棧LWIP在ARM平臺上的移植與應(yīng)用［J］．通信技術(shù)，2008，41(6):38-40．

［5］王桂云．基于ARM7的以太網(wǎng)接口的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．微計算機信息，2009，25(2):124-125．