基于STM32的FTP服務器的實現

趙金龍，張林行，朱倩鈺

（吉林大學 地球信息探測儀器教育部重點實驗室 國家地球物理探測儀器工程技術研究中心，長春130021）

隨著地震數據采集設備的發展，出現了一種新的地震儀實現形式——存儲式地震儀，其特征是：沒有地震數據實時傳輸能力；各個采集站本地存儲數據；施工后數據集中回收；不監視采集站的工作狀態[1]。存儲式地震儀區別于已存的有線系統和無線實時系統，放棄了數據實時傳輸過程，將設備從繁重的在線數據處理過程中解放出來。以Fairfield公司的Z-land系統為例，其數據回收過程為現場勘探施工完畢以后，將眾多的采集站集中起來，然后采用插線的方式掛載到主機系統上，進行數據下載，從而完成數據回收工作[2]。

在功能上，TFTP服務器和FTP服務器都可以完成數據下載的工作。TFTP服務器采用無連接的UDP協議，FTP服務器采用面向連接的TCP協議。因此，FTP服務器在保證數據可靠傳輸方面比TFTP服務器更有優勢[3]。而且，TFTP服務器只有數據上傳和下載功能，功能相對有限。FTP服務器相對于TFTP服務器，功能更加豐富。FTP是實現文件傳輸服務的最典型應用，除了可以保證數據傳輸質量，還考慮到文件傳輸安全、訪問控制等因素[4]。因此，結合地震數據回收的需要，選擇在存儲式地震儀上實現FTP服務器。

1 硬件電路組成

地震儀的總體硬件結構如圖1所示，采用STM32作為核心控制器，負責完成對AD、SD卡、GPS模塊等部分的控制。STM32F2系列是意法半導體公司生產的基于32位Cortex-M3內核的處理器，時鐘頻率高達120 MHz，集成了通用DMA（直接存儲器訪問）控制器、JTAG（聯合測試工作組）接口等[5]。

圖1 地震儀總體硬件結構圖Fig.1 General hardware structure diagram of seismograph

系統采用32位AD作為模數轉換單元，配合前方的信號預處理單元（運算放大器、模擬開關、全差動放大器等）完成高精度的數據模數轉換。地震儀采用外置SD卡作為存儲介質，實現高速、大容量數據存儲。地震儀中的GPS模塊完成對地震儀的同步授時，保證地震儀中數據文件的可用性。電源模塊負責提供數字3.3 V、5 V，模擬+2.5 V、-2.5 V的供電電壓。

系統中采用DP83848作為以太網PHY（物理層）芯片。STM32F207系列芯片內部雖然集成了一個支持MII（媒體獨立接口）和RMII（簡化媒體獨立接口）的MAC（以太網媒體控制器），但是沒有集成PHY功能。DP83848可以實現10/100 Mb/s的傳輸速度，提供MII和RMII 2種接口規范連接到MAC[6]。

2 軟件設計

LwIP是一種面向節省RAM和ROM資源的嵌入式系統應用場合的開源TCP/IP協議棧[7]。LwIP協議棧采用模塊化的設計結構，便于應用在實際的網絡應用中[8]。FreeRTOS是一款源碼開源、可裁剪、可移植、調度靈活的輕量級操作系統，提供任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理等功能[9]。基于FreeRTOS的LwIP移植需要解決的是LwIP與FreeRTOS模擬層接口以及底層網卡驅動接口2部分的實現[10]。前者可以借助LwIP源代碼中專有的操作系統模擬層文件——sys_arch.c來實現，可以方便地實現多線程。后者的實現過程主要涉及物理層芯片——DP83848的初始化，底層驅動的初始化等。

在地震儀上搭建FTP服務器，實現和客戶端（PC）之間的網絡通信。考慮存儲式地震儀數據回收工作的需要，選擇性地在地震儀上實現FTP服務器的部分功能，包括服務器登陸、文件路徑切換（便于切換到以日期信息命名的文件夾中）、文件顯示、文件刪除（釋放地震儀存儲空間）、文件下載（回收地震數據）。

地震儀上的軟件主程序流程圖如圖2所示。首先是給SD卡和物理層芯片（DP83848）上電。測試文件系統，以便于操作SD卡。配置以太網GPIO端口，因為采用了RMII，所以主要就是配置和RMII模式實現相關的GPIO端口。配置以太網中斷，主要涉及到中斷優先級等的設置。配置以太網MAC/DMA，主要完成傳輸速度、傳輸模式、校驗方式等的配置，以保證數據的快速、正確傳輸。LwIP協議棧的初始化，完成地震儀IP地址、子網掩碼和網關的設置等。完成上述的配置以后，接下來主要完成涉及FTP服務的應用層編程，具體過程：

（1）配置地震儀進入偵聽狀態。

（2）建立命令鏈接。

（3）判斷FTP服務器的登陸狀態，如果已有用戶登錄，返回已經被登錄信息；否則，繼續往下運行。

（4）等待接收到的數據。在客戶端要求輸入登錄信息（用戶名和密碼），如果登錄信息沒有匹配成功，返回登錄錯誤信息，繼續要求輸入登錄信息。

（5）服務器登陸成功以后，進入命令接收和處理部分。解析命令，并判斷具體的命令類型。如果是退出型命令，退出FTP服務器。

（6）如果不是退出型命令，則進入具體的命令處理過程中。一條非退出型命令執行完畢，關閉命令鏈接，返回到（2）繼續等待下一條命令的到來。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow chart of main program

3 測試結果

基于地震數據回收的需要，實現的FTP服務器支持的命令包括 dir，cd，get，del等。為了測試地震儀上的FTP服務器的實現情況以及具體功能的執行效果，利用具體實驗測試了FTP服務器的功能穩定性以及傳輸速度等。

首先用交叉網線連接服務器（地震儀）和客戶端（PC），配置二者在同一網段（這里地震儀的IP地址為192.168.1.103）。在客戶端打開登錄窗口，測試過程如圖3所示。客戶端發出登錄要求 （open命令），服務器返回信息要求在客戶端輸入登錄名和登錄密碼 （這里登錄名和登錄密碼分別為sei和518）。當登錄信息匹配成功，服務器返回登錄成功信息，可以開始進一步的測試。客戶端輸入生成文件列表命令 （dir命令），服務器返回文件列表信息（包括以字節為單位的文件大小、文件名字及類型、文件夾名字等）。然后，測試cd命令，執行的結果是來到相應的路徑中 （這里實現了切換到名字為20150405的文件夾中和返回該文件夾的上級路徑）。在測試界面輸入del命令，在命令執行前后各執行一次dir命令，可以通過對比SD卡中的文件列表信息確認相應文件是否被刪除。

圖3 對FTP服務器的測試Fig.3 Test for the FTP server

圖4是對get命令的測試結果，可以看到測試實驗分別對3種不同的文件進行了下載測試。找到客戶端的相應路徑，可以看到3個文件下載成功。經過計算可以知道3個文件的平均下載速度為1121.78 KB/s。

4 結語

根據存儲式地震儀的工作方式，在地震儀上搭建了一種基于STM32和DP83848的FTP服務器，以實現文件列表顯示、文件下載等核心任務。經過實際的測試，該FTP服務器可以實現服務器登陸、文件列表顯示、路徑切換、文件下載、刪除等功能，可以滿足本地存儲數據的存儲式地震儀的數據回收需要。

圖4 get命令的測試Fig.4 Test of get command

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