STM32以太網(wǎng)控制系統(tǒng)

王海民， 王宏志

（長春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012）

STM32以太網(wǎng)控制系統(tǒng)

王海民， 王宏志

（長春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012）

基于STM32微控制器和以太網(wǎng)ENC28J60搭建了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器遠(yuǎn)程控制。

STM32；ENC28J60；以太網(wǎng)；Web

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以PC為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)更高階段，以嵌入式智能設(shè)備為核心的后PC時(shí)代已經(jīng)來臨［1］。在面向慢速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫蟛桓撸ǔＶ恍枰瓿涩F(xiàn)場傳感數(shù)據(jù)采集與傳輸、遠(yuǎn)程設(shè)備控制等功能，可選擇內(nèi)部不帶以太網(wǎng)的MAC控制器的微處理器，使用外加一個(gè)專用的以太網(wǎng)模塊來實(shí)現(xiàn)，這些模塊常見的有ENC28J60，CP2200，W5100等，成本低、接口簡單、使用方便。

1 芯片介紹

1.1 STM32F103xx芯片

STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，Cortex-M3處理器內(nèi)核采用ARMv7-M架構(gòu)，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個(gè)12位的ADC，3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI，3個(gè)USART，1個(gè)USB和1個(gè)CAN［2］。STM32F103xx增強(qiáng)型系列工作于－40～＋105℃的溫度范圍，供電電壓2.0～3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。這些豐富的外設(shè)配置，使得STM32F103xx增強(qiáng)型微控制器適合用于醫(yī)療和手持設(shè)備、PC外設(shè)和GPS平臺、汽車電子、數(shù)據(jù)通信、工業(yè)控制、消費(fèi)類產(chǎn)品等多種應(yīng)用場合［3－4］。

1.2 ENC28J60芯片

ENC28J60以太網(wǎng)控制器適合于創(chuàng)建占用空間小、成本低、精簡的嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制器采用的封裝均超過80引腳，接線復(fù)雜，占用電路板空間大［5］。而符合IEEE802.3協(xié)議的ENC28J60只有28引腳，既能提供以太網(wǎng)相應(yīng)的功能，又大大簡化相關(guān)設(shè)計(jì)，并減小占板空間。此外ENC28J60以太網(wǎng)控制器采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需4條連線即可與主控單片機(jī)連接，與主控制器的通信是通過兩個(gè)中斷引腳和SPI實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)專用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。它還提供了一個(gè)內(nèi)部DMA模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算。這些功能加上免費(fèi)的TCP／IP軟件協(xié)議棧，使之成為目前市面上最小的嵌入式應(yīng)用以太網(wǎng)解決方案［6］。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)包括以下幾點(diǎn)。

1）電源模塊，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源；

2）晶振模塊，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘；

3）復(fù)位模塊，復(fù)位MCU；

4）JTAG接口模塊，下載程序；

5）啟動(dòng)模式選擇模塊，選擇不同的啟動(dòng)模式；

6）ENC28J60模塊，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能；

7）RJ45接口模塊，以太網(wǎng)接口。

網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A外圍電路接法如圖2所示。以太網(wǎng)ENC28J60與STM32F103x的接法

圖2 網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A外圍電路接法

如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境RVMDK和仿真器J-Link簡介

RealView MDK開發(fā)套件源自德國Keil公司，被全球超過10萬的嵌入式開發(fā)工程師驗(yàn)證和使用，是ARM公司目前最新推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具。RealView MDK集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，融合了中國多數(shù)軟件開發(fā)工程師所需的特點(diǎn)和功能。包括μVision3集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯器，支持ARM7，ARM9和最新的Cortex-M3核處理器，自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash燒寫模塊，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能，與ARM之前的工具包ADS等相比，RealView編譯器的最新版本可將性能改善超過20%［7］。RealView MDK出眾的價(jià)格優(yōu)勢和功能優(yōu)勢將成為ARM軟件開發(fā)工具的標(biāo)準(zhǔn)。

J-Link是SEGGER公司為支持仿真ARM內(nèi)核芯片推出的JTAG仿真器。配合IAR EWARM，WinARM，ADS，Keil，RealView等集成開發(fā)環(huán)境，即可支持所有ARM7／ARM9／ARM11和Cortex-M0／M1／M3核內(nèi)核芯片的仿真，仿真通過RDI接口和各集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行無縫連接，具有操作方便、連接方便、簡單易學(xué)的特點(diǎn)，是ARM處理器最實(shí)用的開發(fā)工具［8－9］。

圖3 以太網(wǎng)ENC28J60與STM32F103x的接法

3.2 主程序

＃include"stm32f10x.h"

＃include"led.h"

＃include"spi＿enc28j60.h"

＃include"web＿server.h"

int main（void）

｛ SystemInit（）； ／＊配置系統(tǒng)時(shí)鐘為72M＊／

LED＿GPIO＿Config（）； ／＊配置LED＊／

SPI＿Enc28j60＿Init（）；／＊ENC28J60SPI接口初始化，調(diào)用庫函數(shù)＊／

Web＿Server（）；／＊ENC28J60WEB服務(wù)程序，在瀏覽器上創(chuàng)建一個(gè)web服務(wù)器，通過web里面的命令來控制開發(fā)板＊／

return 0；

｝

在配置ENC28J60SPI接口初始化時(shí)，有兩個(gè)重要的配置是CPOL（時(shí)鐘極性）和CPHA（時(shí)鐘相位），ENC28J60SPI的時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 ENC28J60的SPI時(shí)序圖

知其應(yīng)配置為SPI＿InitStructure.SPI＿CPOL＝SPI＿CPOL＿Low；

SPI＿InitStructure.SPI＿CPHA＝SPI＿CPHA＿1Edge；

Web＿Server主要是生成HTML格式的數(shù)據(jù)。構(gòu)建一個(gè)交互式的網(wǎng)頁，通過HTML提供“＜ahref＝”形式的代碼，可以在網(wǎng)頁中添加需要的連接，同時(shí)HTML還允許實(shí)現(xiàn)其它復(fù)雜的窗口效果。很關(guān)鍵的問題是，描述HTML窗口結(jié)構(gòu)的代碼相當(dāng)復(fù)雜，難以解讀。一個(gè)非常簡單的解決方法是實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬的文件夾和文件。而密碼實(shí)際上就是需要訪問的文件夾。需要輸入：http：／／IP＿or＿HOST／Password，通過這個(gè)超級鏈接，實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬的文件，而這個(gè)文件也就代表了用戶請求所需要的指令。

程序的大體流程如圖5所示。

圖5 軟件簡要框圖

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

IP地址和端口配置：一般把ENC28J60的IP地址配置成與測試電腦同一個(gè)IP段，例如PC機(jī)的IP是192.168.1.102，下面為了方便測試把ENC28J60的IP地址配置成192.168.1.42。Web Server默認(rèn)的端口號是80，這樣可以采用這個(gè)默認(rèn)值。在web＿server.c文件里完成如下配置：

static unsigned char myip［4］＝｛192，168，1，42｝；

／＊tcp／www監(jiān)聽端口號，范圍為：1－254＊／static unsigned int mywwwport＝80；

密碼設(shè)置：在Web Server里設(shè)置一個(gè)密碼。如果不需要密碼，也可以把設(shè)置密碼這部分代碼注釋掉。密碼設(shè)置在password數(shù)據(jù)組里，不超過9個(gè)字符：

PC機(jī)上用瀏覽器測試：運(yùn)行上述程序之后，如果ENC28J60正常工作，RJ-45上的LED將亮。LED由ENC28J60通過軟件配置控制，因此，如果LED亮，則說明SPI可正常通信，也說明ENC28J60已經(jīng)處于工作狀態(tài)，不過只是LED亮還不能說明ENC28J60完全正常工作，還需要進(jìn)行ping測試，ping命令利用ICMP協(xié)議包來偵測另一個(gè)主機(jī)是否可達(dá)。原理是用類型碼為0的ICMP發(fā)請求，收到請求的主機(jī)則用類型碼為8的ICMP回應(yīng)。可以用ping命令來計(jì)算間隔時(shí)間，并計(jì)算有多少個(gè)包被發(fā)送。用戶可以判斷網(wǎng)絡(luò)大致的情況。可以看到，ping給出來了傳送的時(shí)間和TTL的數(shù)據(jù)。

ping測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 ping測試結(jié)果

Web測試：用ping命令測試完全成功之后，說明ENC28J60已經(jīng)完全正常工作，在進(jìn)行TCP通信部分和Web Server是否正常工作。在PC機(jī)的瀏覽器地址欄輸入STM32板的Web Server網(wǎng)頁地址http：／／192.168.1.42／201105，其中201105為密碼，正常情況下可以看到Web測試界面，如圖7所示。

鼠標(biāo)單擊“點(diǎn)亮LED”，可以控制STM32板上的LED亮。

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接口功能；沒有操作系統(tǒng)的支持實(shí)現(xiàn)單芯片與Internet的連接，可以為嵌入式網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)提供硬件平臺［10］。

圖7 Web測試界面

［1］張冬泉，譚南林.Windows CE實(shí)用開發(fā)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］意法半導(dǎo)體（中國）投資有限公司.STM32F10xxx參考手冊［EB／OL］.［2011-05-05］.http：／／www.st.com／mcu／.

［3］Joseph Yiu.ARM Cortex-M3權(quán)威指南［M］.宋巖，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］王志軍.工業(yè)控制專用嵌入式以太網(wǎng)模塊的開發(fā)［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，26（2）：117-119.

［5］廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［6］劉瓊，朱志偉，周志光.基于ENC28J60的嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24：306-308.

［7］劉軍.例說STM32［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［8］于春雪.STM32F1 03的高速以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)［J］.新器件新技術(shù)，2011（9）：44.

［9］莫全力，李國義，茁壯壯，等.基于ARM平臺的嵌入式系統(tǒng)：以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（2）：87-89.

［10］尤文，王宏志，柳青蘊(yùn).具有非線性切換函數(shù)的變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1993，24（4）：60-69.

STM32based ethenet control system

WANG Hai-min， WANG Hong-zhi
（School of Computer Science ＆Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

Based on STM32microcontroller and Ethernet ENC28J60，a network control system is established.Both the hardware and software are introduced，by which web remote control is realized.Key words：STM32；ENC28J60；ethernet；Web.

TP 316

A

1674-1374（2014）04-0060-06

2013-10-14

教育部“春暉計(jì)劃”項(xiàng)目（403-004077003）

王海民（1987－），男，漢族，河南周口人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事數(shù)字信號處理和嵌入式技術(shù)方向研究，E-mail：whaimin12＠sina.com.