STM32的W5500以太網(wǎng)通信模塊快速實現(xiàn)方法

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(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710048)

引 言

傳統(tǒng)的點對點通信方式，不論從經(jīng)濟成本還是從今后的系統(tǒng)維護上來說，都給工作者帶來一定的困難。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)通信時代的發(fā)展，利用單片機擴展以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芤呀?jīng)成為一種普遍的現(xiàn)象。例如，新余鋼鐵有限責(zé)任公司利用以太網(wǎng)資源的優(yōu)勢，提出利用以太網(wǎng)通信的方式完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ躘9]。單片機以太網(wǎng)接入方案一般按TCP/IP協(xié)議棧的不同分為兩大類：第一類是傳統(tǒng)的軟件TCP/IP協(xié)議棧方案，即由MCU+MAC+PHY再加入網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)以太網(wǎng)的物理連接，通過在主控芯片中植入TCP/IP協(xié)議代碼實現(xiàn)通信及上層應(yīng)用；第二類是硬件TCP/IP協(xié)議棧方案，即由MCU+硬件協(xié)議棧芯片(內(nèi)含MAC和PHY)直接加網(wǎng)絡(luò)接口，所有處理TCP/IP協(xié)議的工作都是通過MCU的硬件協(xié)議棧芯片來完成[1-3]。

從中斷請求次數(shù)方面來說，硬件協(xié)議棧的加入?yún)f(xié)助單片機處理了幾乎所有的TCP/IP協(xié)議工作，不僅極大地減少了單片機的中斷次數(shù)，讓單片機騰出更多資源去完成其它工作，而且硬件化的電路處理協(xié)議會更加快速、穩(wěn)定；從安全性方面來說，硬件化的邏輯門電路來處理TCP/IP協(xié)議是不可攻擊的，充分彌補了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安全性不足的短板。所以在這里選擇了硬件TCP/IP協(xié)議棧方案，就是一種基于STM32F407的應(yīng)用系統(tǒng)通過SPI串口直接進行外部擴展以太網(wǎng)的形式，快速方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

近年來開發(fā)STM32比較流行的一個工具STM32CubeMX，它是意法半導(dǎo)體的主動原創(chuàng)工具，可以縮短開發(fā)的工作時間，降低費用，它也是一個圖形化的工具，配置和完成開發(fā)初期關(guān)于芯片相關(guān)的一些初始化代碼[8]。同時也集成了一個全面的軟件平臺，支持STM32每一個系列的MCU開發(fā)。快速完成初始化代碼的配置，提高了代碼編寫速度。W5500是WIZnet公司推出的一款內(nèi)部集成硬件協(xié)議棧的高性能以太網(wǎng)接口芯片，它擁有早期芯片的所有主要優(yōu)勢。全硬件協(xié)議棧技術(shù)采用硬件邏輯門電路實現(xiàn)復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議簇，與傳統(tǒng)協(xié)議棧相比，它卸載了用于處理協(xié)議棧的MCU部分的線程，節(jié)約了MCU內(nèi)部ROM等硬件資源，具有應(yīng)用快速簡單、安全性好、可靠性高等優(yōu)勢；內(nèi)部集成了MAC和PHY工藝，使得接入以太網(wǎng)方案的硬件設(shè)計更為簡捷和高效。W5500提供了SPI(外設(shè)串行接口)，從而能夠更加容易與外設(shè)MCU整合，方便開發(fā)者使用。

本文搭建了基于LabVIEW和STM32F4的軟硬件平臺系統(tǒng)進行測試。首先采用ST開發(fā)的STM32CubeMX來進行STM32F407的相應(yīng)初始化配置，結(jié)合改進前后的W5500庫函數(shù)快速完成從機端發(fā)送數(shù)據(jù)的程序配置，使用PC端的LabVIEW完成主機端的定時接收數(shù)據(jù)程序配置，通過統(tǒng)計通信數(shù)據(jù)讀取的起止時間實現(xiàn)以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)傳輸速率的測試。對比W5500庫函數(shù)改進前后，其通信速率相對改進前提高近2倍。

1 W5500以太網(wǎng)通信總體方案設(shè)計

基于STM32CubeMX的W5500以太網(wǎng)模塊通信速率測試系統(tǒng)主要包括STM32F407應(yīng)用系統(tǒng)、W5500以太網(wǎng)控制器、PC端的LabVIEW。首先，W5500以太網(wǎng)控制芯片與STM32F407單片機通過SPI直連方式連接，W5500以太網(wǎng)控制芯片與PC機端通過以太網(wǎng)口連接，STM32F407單片機可直接通過命令調(diào)用以太網(wǎng)控制芯片W5500官方庫函數(shù)，且采用以太網(wǎng)控制芯片內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧，將其單片機作為服務(wù)器端，利用上位機LabVIEW作為客戶端來進行數(shù)據(jù)通信。為了驗證設(shè)計方案的有效性及測試通信速率，搭建了基于LabVIEW和STM32F4的軟硬件平臺系統(tǒng)進行測試。在保證硬件連接正確和通信成功的前提下，統(tǒng)計通信數(shù)據(jù)讀取的起止時間并實時觀察以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)傳輸速率?；赟TM32CubeMX的W5500以太網(wǎng)通信的系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)方案框圖

2 W5500以太網(wǎng)通信模塊硬件程序設(shè)計

圖2 測試系統(tǒng)硬件連接圖

基于STM32CubeMX的W5500快速以太網(wǎng)通信硬件設(shè)計主要是W5500以太網(wǎng)模塊通過SPI總線與STM32F407單片機直接連接。測試系統(tǒng)硬件連接如圖2所示。W5500提供了新的SPI高速外設(shè)串行接口作為主機接口，同時SPI在芯片的引腳占用4根線，節(jié)省了芯片的引腳，也在PCB的布局上節(jié)省了空間，W5500以太網(wǎng)模塊SPI的4根線SDI(數(shù)據(jù)輸入)、SDO(數(shù)據(jù)輸出)、SCLK(時鐘)、CS(片選)連接單片機STM32F4上SPI接口的4個引腳。在SPI進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，W5500提供兩種數(shù)據(jù)傳輸長度可選的數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)固定長度和數(shù)據(jù)長度可選的數(shù)據(jù)傳輸模式。W5500以太網(wǎng)模塊自帶的RJ45網(wǎng)口與路由器連接，從而有一定的IP、端口號，方便與上位機完成通信功能?？勺償?shù)據(jù)長度模式W5500與STM32F407硬件接口框圖如圖3所示。

圖3 可變數(shù)據(jù)長度模式W5500與STM32F407硬件接口框圖

3 W5500以太網(wǎng)通信模塊軟件程序設(shè)計

基于STM32CubeMX的W5500快速以太網(wǎng)通信的軟件程序設(shè)計主要包括基于STM32F407服務(wù)器端的軟件程序設(shè)計和基于LabVIEW客戶端的軟件程序設(shè)計。其中，服務(wù)器端的軟件程序包括STM32CubeMX初始化、W5500初始化以及移植程序。

3.1 基于STM32F407服務(wù)器端的軟件程序設(shè)計

3.1.1 STM32CubeMX的初始化配置

該方案是以STM32F407處理器為基礎(chǔ)來外擴W5500以太網(wǎng)控制器，為了提升開發(fā)速率，這里選擇利用STM32CubeMX快速完成STM32F407初始化配置程序的設(shè)計。采用STM32CubeMX軟件進行程序配置的步驟如下：

① 打開STM32CubeMX軟件，點擊New Project，新建工程。

② 根據(jù)MCU型號對板子進行選擇，本方案所選用的是STM32F407ZET6。首先，在Series中選擇STM32F4，Lin中選擇STM32F407/417，然后就出現(xiàn)STM32F407ZETx這個選項，雙擊它，進入引腳配置界面，直接對引腳右鍵勾選所需的配置，十分方便。

③ 首先進行SPI(外設(shè)串行接口)配置，這里選擇使用STM32F407ZETx的SPI1接口與W5500網(wǎng)絡(luò)適配板進行連接，并選擇Full-Duplex Master模式，接著在Clock Configuration選項配置SPI1的工作時鐘頻率，為了提升通信速率，將SPI1時鐘由21 MHz提升為42 MHz；再進行RCC時鐘配置，勾選Crystal/Ceramic Resonator選項；最后進行串口配置，這里選擇USART1，勾選Asynchronous模式。

利用STM32CubeMX方便快速地完成STM32F407初始化配置，點擊生成工程文件按鈕，生成工程文件。之后用編譯器打開，方便編寫所需代碼。

3.1.2 W5500以太網(wǎng)初始化配置及移植程序設(shè)計

對于W5500以太網(wǎng)模塊的程序設(shè)計，首先需要去WIZnet官網(wǎng)下載W5500驅(qū)動源碼，再將其驅(qū)動源碼移植到工程文件目錄，主要是添加socket.c、w5500.c、wizchip_conf.c三個文件。其中，socket.c主要介紹W5500的Socket相關(guān)配置函數(shù)，比如Socket的打開、關(guān)閉、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等；w5500.c主要介紹W5500的寄存器讀寫過程；wizchip_conf.c主要配置W5500的MAC、IP地址，以及基本的數(shù)據(jù)讀寫過程、復(fù)位設(shè)置函數(shù)等。在移植W5500官方庫函數(shù)時，為避免w5500.c中引用#include"stm32f4xx_hal.h"與#include"stm32f4xx_hal_spi.h"時，與stm32f407xx.h文件中聲明的IMR與RCR產(chǎn)生沖突，并且在系統(tǒng)板子不改變的情況下，對其W5500原始庫函數(shù)進行了相應(yīng)的改進，即將w5500.h中定義和涉及的IMR與RCR替換成了W5500_IMR與W5500_RCR。為了防止當(dāng)更大量數(shù)據(jù)存在時，可能有數(shù)據(jù)丟失情況，在這里選擇通過提高通信速率來避免。所以在w5500.c文件中，重新修改了以下4個函數(shù)：WIZCHIP_READ()、WIZCHIP_WRITE()、WIZCHIP_READ_BUF()、WIZCHIP_WRITE_BUF()。在這里就其中一個函數(shù)做說明，例如在WIZCHIP_WRITE()函數(shù)只定義了WIZCHIP_CRITICAL_ENTER()和WIZCHIP.CS._select()函數(shù)，修改成在這兩個函數(shù)前面添加8位整型的發(fā)送數(shù)組和接收數(shù)組，即send_array[4]和receive_array[4]，修改的主要作用是將SPI的逐一查詢傳輸方式改為按幀查詢傳輸方式，提高一定數(shù)據(jù)傳輸通信速率。具體的修改如下所示，首先展示出修改前的WIZCHIP_WRITE()函數(shù)程序代碼：

void WIZCHIP_WRITE(uint32_t AddrSel, uint8_t wb){

WIZCHIP_CRITICAL_ENTER();

WIZCHIP.CS._select();

#if((_WIZCHIP_IO_MODE_&_WIZCHIP_IO_MODE_SPI_))

#if(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_SPI_VDM_)

AddrSel |= (_W5500_SPI_WRITE_ | _W5500_SPI_VDM_OP_);

#elif( _WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_SPI_FDM_)

AddrSel |= (_W5500_SPI_WRITE_ | _W5500_SPI_FDM_OP_LEN1_);

#else

#error "Unsupported _WIZCHIP_IO_SPI_ inW5500 !!!"

#endif

WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x00FF0000)>>16);

WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x0000FF00)>>8);

WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x000000FF)>>0);

WIZCHIP.IF.SPI._write_byte(wb);

#elif ((_WIZCHIP_IO_MODE_ & _WIZCHIP_IO_MODE_BUS_))

#if(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_BUS_DIR_)

#elif(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_BUS_INDIR_)

#else

#error "Unsupported _WIZCHIP_IO_MODE_BUS_ inW5500 !!!"

#endif

#else

#error "Unknown _WIZCHIP_IO_MODE_ in W5500. !!!"

#endif

WIZCHIP.CS._deselect();

WIZCHIP_CRITICAL_EXIT();

}

接著展示出修改后的WIZCHIP_WRITE()函數(shù)程序代碼：

void WIZCHIP_WRITE(uint32_t AddrSel, uint8_t wb){

unsigned char send_array[4],receive_array[4];

WIZCHIP_CRITICAL_ENTER();

WIZCHIP.CS._select();

#if((_SPI_DMA_ & 0x01))

#if((_WIZCHIP_IO_MODE_ & _WIZCHIP_IO_MODE_SPI_))

#if(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_SPI_VDM_)

AddrSel |= (_W5500_SPI_WRITE_ | _W5500_SPI_VDM_OP_);

#elif(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_SPI_FDM_)

AddrSel |= (_W5500_SPI_WRITE_ | _W5500_SPI_FDM_OP_LEN1_);

#else

#error "Unsupported _WIZCHIP_IO_SPI_ in W5500 !!!"

#endif

send_array[0]=(AddrSel & 0x00FF0000)>>16;

send_array[1]=(AddrSel & 0x0000FF00)>>8;

send_array[2]=(AddrSel & 0x000000FF)>>0;

send_array[3]=wb;

HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1,send_array,receive_array,4,100);

#elif ((_WIZCHIP_IO_MODE_&_WIZCHIP_IO_MODE_BUS_))

#if(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_BUS_DIR_)

#elif(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_BUS_INDIR_)

#else

#error "Unsupported _WIZCHIP_IO_MODE_BUS_ in W5500 !!!"

#endif

#else

#error "Unknown _WIZCHIP_IO_MODE_ in W5500 !!!"

#endif

#else

#if((_WIZCHIP_IO_MODE_ & _WIZCHIP_IO_MODE_SPI_))

#if(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_SPI_VDM_)

AddrSel |= (_W5500_SPI_WRITE_ | _W5500_SPI_VDM_OP_);

#elif(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_SPI_FDM_)

AddrSel |= (_W5500_SPI_WRITE_ | _W5500_SPI_FDM_OP_LEN1_);

#else

#error "Unsupported _WIZCHIP_IO_SPI_ in W5500 !!!"

#endif

WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x00FF0000)>>16);

WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x0000FF00)>>8);

WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x000000FF)>>0);

WIZCHIP.IF.SPI._write_byte(wb);

#elif ((_WIZCHIP_IO_MODE_ & _WIZCHIP_IO_MODE_BUS_) )

#if(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_BUS_DIR_)

#elif(_WIZCHIP_IO_MODE_==_WIZCHIP_IO_MODE_BUS_INDIR_)

#else

#error "Unsupported _WIZCHIP_IO_MODE_BUS_ in W5500 !!!"

#endif

#else

#error "Unknown _WIZCHIP_IO_MODE_ in W5500. !!!"

#endif

#endif

WIZCHIP.CS._deselect();

WIZCHIP_CRITICAL_EXIT();

}

其他三個函數(shù)修改思路類似于WIZCHIP_WRITE()函數(shù)。具體的代碼在這里就不展出了。

其中，W5500的初始化過程為：首先主處理器配置與W5500相連接的I/O端口，配置I/O端口的輸入輸出方式；主處理器與W5500之間采用SPI串行接口方式，因此需要編寫與SPI通信相關(guān)的API函數(shù)，即在通信過程中用到的讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)；通過SPI接口配置W5500的各寄存器值，具體包括W5500網(wǎng)關(guān)地址寄存器、子網(wǎng)掩碼寄存器、模塊物理地址寄存器和IP地址寄存器；最后需要配置W5500為TCP服務(wù)器端模式，同時還需要設(shè)置發(fā)送緩存區(qū)和接收緩存區(qū)的大小，進行好所有初始化配置后即可對網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進行Socket設(shè)置，當(dāng)Socket處于初始化完成SOCK_INIT狀態(tài)，此時，作為TCP服務(wù)器就要執(zhí)行l(wèi)isten()函數(shù)來偵聽端口。

3.1.3 W5500以太網(wǎng)通信模塊的主程序設(shè)計

對于STM32F407擴展W5500以太網(wǎng)模塊的主程序設(shè)計，包括STM32CubeMX程序設(shè)計和Keil MDK5程序設(shè)計。程序開始后，首先STM32F407單片機進行初始化，具體包括：HAL_Init()函數(shù)完成配置Flash預(yù)取功能；SystemClock_Config()函數(shù)實現(xiàn)外部時鐘晶振時鐘配置；MX_GPIO_Init()函數(shù)初始化所有I/O外設(shè)；MX_SPI1_Init()函數(shù)初始化SPI1外設(shè)串行接口；MX_USART1_UART_Init()函數(shù)進行串口的初始化。再對W5500進行初始化，包括設(shè)置其物理地址、網(wǎng)關(guān)IP、IP地址、子網(wǎng)掩碼、初始化內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，并初始化Socket為TCP服務(wù)器模式。在TCP服務(wù)器模式下，檢查PHY連接是否成功，如連接成功，進行網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)配置，接著打開Socket，進而判斷TCP連接是否成功，如連接成功，則認為Socket通信成功，W5500芯片產(chǎn)生中斷，那么清除中斷標(biāo)志位，客戶端和服務(wù)器可以正常通信，進行收發(fā)數(shù)據(jù)的操作，反之，不能進行收發(fā)數(shù)據(jù)。W5500以太網(wǎng)通信模塊的主程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 STM32CubeMX的W5500以太網(wǎng)通信主程序流程圖

3.2 基于LabVIEW客戶端的軟件程序設(shè)計

LabVIEW的客戶端程序主要是基于LabVIEW的GUI軟件設(shè)計，通過自帶的TCP/IP協(xié)議完成與STM32F407單片機和W5500以太網(wǎng)模塊作為服務(wù)器的通信程序測試。

圖6 LabVIEW客戶端后面板

LabVIEW客戶端的軟件程序設(shè)計主要包括前面板程序設(shè)計和后面板程序設(shè)計。其中，前面板程序設(shè)計主要包括：開始、結(jié)束以及接收1000包TCP數(shù)據(jù)的時間、TCP 1000次讀取次數(shù)、通信傳輸速率以及數(shù)據(jù)傳輸波形顯示功能。圖5為客戶端接收服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)的前面板展示。

圖5 LabVIEW客戶端前面板

基于LabVIEW客戶端的后面板程序設(shè)計包括IP地址設(shè)置、端口設(shè)置、客戶端數(shù)據(jù)讀取數(shù)等。首先通過打開TCP函數(shù)指定IP地址192.168.1.128和端口號5 000。當(dāng)與服務(wù)器端通信完成后，開始建立連接數(shù)據(jù)傳輸，通過讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)一次性讀取2 048個字節(jié)，記錄開始接收數(shù)據(jù)的時間，當(dāng)連續(xù)循環(huán)讀取1000次，接收完成后，再去獲取結(jié)束時間，計算出數(shù)據(jù)循環(huán)1000次所需時間，進而完成通信速率的測試。通信速率為通過數(shù)據(jù)傳輸大小/(結(jié)束時間-開始時間)，得到傳輸速率大小并顯示在前面板上。圖6為客戶端接收服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)的后面板展示。

4 測試系統(tǒng)的結(jié)果以及優(yōu)點

在本系統(tǒng)設(shè)計方案中，搭建的基于LabVIEW和STM32F4的軟硬件平臺測試系統(tǒng)主要包括STM32F4系列的STM32F407應(yīng)用系統(tǒng)、W5500以太網(wǎng)控制器、PC端的LabVIEW。其中，STM32F407應(yīng)用系統(tǒng)通過SPI(外設(shè)串行接口)外擴W5500以太網(wǎng)控制器作為服務(wù)端，完成給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)；PC端的LabVIEW作為客戶端，完成接收服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)。 W5500再與路由器通過RJ45端口用雙絞線連接，聯(lián)合TCP/IP協(xié)議，進行調(diào)試并完成通信速率的測試。

在進行測試時，首先調(diào)試客戶端與服務(wù)器端的通信問題，在這里，同樣選擇由上位機LabVIEW來完成通信程序設(shè)計，聯(lián)合TCP/IP協(xié)議，當(dāng)結(jié)果顯示表明通信測試成功。則接著對其進行通信速率測試，首先直接移植W5500官方提供的原始庫函數(shù)，進行單收單發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，做10次實驗，最終平均傳輸速率可穩(wěn)定在220 KB/s；對其W5500官方提供的原始庫函數(shù)進行一定修改，再次進行單收單發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，同樣完成10次實驗，平均傳輸速率可穩(wěn)定在414 KB/s。其中，直接移植W5500官方提供的原始庫函數(shù)，通信速率結(jié)果圖展示如圖7所示。進行修改后的W5500庫函數(shù)，通信速率結(jié)果圖展示如圖8所示。對官方提供的W5500庫函數(shù)進行修改前后，進行10次實驗對比，結(jié)果如表1所列。

表1 對官方提供的W5500庫函數(shù)進行修改前后的通信速率結(jié)果

圖7 直接移植W5500庫函數(shù)的通信速率結(jié)果圖

圖8 對W5500庫函數(shù)進行修改后的通信速率結(jié)果圖

在搭建的軟硬件平臺測試系統(tǒng)中，一方面選用ST開發(fā)的STM32CubeMX工具來配置開發(fā)初期關(guān)于STM32F407芯片相關(guān)的一些初始化代碼，方便快速；另一方面，直接移植W5500官方提供的原始庫函數(shù)，快速方便。兩者的結(jié)合，不僅節(jié)省了工作時間，還降低了開發(fā)成本。對于通過直接移植W5500官方提供的庫函數(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率過低，進而對其庫函數(shù)進行相應(yīng)修改，最終提高了一定的通信速率，相比改進之前，數(shù)據(jù)傳輸通信速率提高了2倍左右。

結(jié) 語