基于UCOS-II和LwIP的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

諶 進(jìn) ， 馬尚昌 ，2， 張素娟 ，2， 楊筆鋒

（1.成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225）

在傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域，主要采用的RS-232、RS-485或RS-422串口與主機(jī)通訊，而串口通訊又有很多無(wú)法克服的缺點(diǎn)，比如傳輸速率低、通訊距離短、無(wú)法遠(yuǎn)程控制和集中管理等[1]。如何解決傳統(tǒng)工控領(lǐng)域的串口通訊設(shè)備的缺點(diǎn)，讓用戶在原有串口設(shè)備的資源上實(shí)現(xiàn)串口與主機(jī)之間的經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的通訊是本文研究的重點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于UCOS-II和LwIP的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)以太網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備與主機(jī)之間雙向數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)RS-232/422/485串口設(shè)備與主機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案中：STM32微控制器通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶串口設(shè)備信息的透明傳輸，該信息經(jīng)過(guò)輕量型協(xié)議棧的處理，實(shí)現(xiàn)串口信息到以太網(wǎng)信息的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)以太網(wǎng)傳遞給客戶端，由客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的管理；與此同時(shí)，通過(guò)客戶端發(fā)送信息，經(jīng)以太網(wǎng)傳遞給STM32微控制器，由協(xié)議棧的處理，之后將信息由以太網(wǎng)傳遞給串口，再傳遞給用戶設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備和客戶端之間的雙向通信[2]。串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

基于STM32的嵌入式串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件主要分為3部分，即STM32F107VCT6最小工作系統(tǒng)、SP339串口控制芯片和MCU組成的串口通信模塊、STM32F107VCT6內(nèi)部集成MAC，外部PHY芯片DM9161和集成變壓器HR911105A組成的網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

2.1 STM32嵌入式MCU最小工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STM32F107VCT6微型處理器的最小系統(tǒng)電路主要由主控芯片、時(shí)鐘電路、電源電路、下載電路、復(fù)位電路和濾波電容電路等組成[3]。主控芯片為 STM32F107VCT6，各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口在芯片內(nèi)部高度集成。時(shí)鐘電路由25 MHz無(wú)源晶振構(gòu)成。電源適配器將220 V交流電轉(zhuǎn)換為5 V直流電，再由芯片ASM1117將之轉(zhuǎn)換為3.3 V后可對(duì)芯片直接供電，即完成電源電路的設(shè)計(jì)。下載電路采用Jlink的下載方式，需要在MDK編譯環(huán)境下做相應(yīng)的配置，操作簡(jiǎn)單方便。復(fù)位電路設(shè)計(jì)為按鍵復(fù)位。當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，為上電復(fù)位；當(dāng)按鍵開(kāi)關(guān)接通時(shí)，按鍵RESET端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實(shí)現(xiàn)。濾波電容電路采用并聯(lián)電容電路的方式來(lái)提高濾波的效率，從而得到更加平滑地直流輸出[4]。

2.2 STM32嵌入式MCU串口通信模塊設(shè)計(jì)

STM32嵌入式MCU串口通信模塊在通信過(guò)程如下：用戶設(shè)備串口信號(hào)（RS-232/485/422）通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置進(jìn)行接入，通過(guò)SP339將RS-232/485/422信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVTTL電平信號(hào)，該電平信號(hào)輸入到STM32微控制器，并由STM32微控制器將串口設(shè)備信號(hào)發(fā)送到LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，之后將信號(hào)由網(wǎng)線傳入到客戶端。與此同時(shí)，客戶端發(fā)下來(lái)的信息由網(wǎng)線傳輸?shù)絃wIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，通過(guò)LwIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳輸至STM32微控制器，經(jīng)過(guò)STM32微控制器的處理將信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVTTL電平信號(hào)，再由SP339將LVTTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換與用戶設(shè)備對(duì)應(yīng)的RS-232/422/RS485信號(hào)。串口通信模塊硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 串口通信模塊硬件設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 Serial port communication module hardware design principle diagram

2.3 STM32嵌入式MCU網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

STM32F107VCT6微型處理器網(wǎng)絡(luò)通信模塊由集成變壓器HR911105A、外接網(wǎng)絡(luò)物理層（PHY）接口和介質(zhì)訪問(wèn)控制器（MAC）組成。網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Network communication module design block diagram

STM32F107VCT6芯片內(nèi)部集成了介質(zhì)訪問(wèn)控制器（MAC），通過(guò)外接 10/100M的 DM9161網(wǎng)絡(luò)物理層芯片（PHY），內(nèi)部MAC與外部的PHY通過(guò)媒體獨(dú)立接口（MII）或是簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立接口 （RMII） 傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。STM32F107VCT6的總線時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，因此在本設(shè)計(jì)中直接采用了RMII接入方式，相比MII的方式可以減少一半的接入的信號(hào)線的數(shù)量，同時(shí)支持平行交叉網(wǎng)線自適應(yīng)。內(nèi)部MAC接收到來(lái)自PHY傳遞的數(shù)據(jù)包并將其通過(guò)FIFO傳遞給直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA），最終由DMA將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包直接傳遞給總線，同理，通過(guò)總線傳遞到DMA的數(shù)據(jù)包可以由DM9161PHY傳遞到HR911105A。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 UCOS-II操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議簡(jiǎn)介

實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)UCOS-II包括資源同步、資源管理、任務(wù)之間的相互通信等特點(diǎn)，由于該系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)可剝奪系統(tǒng)內(nèi)核，可最多支持64個(gè)任務(wù)，并且可以利用任務(wù)不同的優(yōu)先級(jí)來(lái)調(diào)度任務(wù)間的運(yùn)行，因此可以很方便地為用戶所調(diào)用。與此同時(shí)，它也具備了可以實(shí)時(shí)測(cè)量其運(yùn)行性能、任務(wù)之間通過(guò)信號(hào)量和消息郵箱進(jìn)行通信以及同時(shí)等待多個(gè)信號(hào)量和消息隊(duì)列等其它實(shí)時(shí)內(nèi)核中沒(méi)有的特性[5]。

LwIP（Light Weight（輕型）IP協(xié)議）是一個(gè)小型開(kāi)源的TCP/IP協(xié)議棧，由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院（SICS）的Adam Dunkels所開(kāi)發(fā)，可以運(yùn)行在有操作系統(tǒng)和無(wú)操作系統(tǒng)的環(huán)境下。LwIP在保留了TCP協(xié)議主要功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)RAM的盡可能少的占用，40KB左右的ROM和十幾KB的RAM就可以正常運(yùn)行，這使得LwIP協(xié)議棧在中低端的嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的運(yùn)用[6]。

3.2 UCOS-II操作系統(tǒng)的移植

UCOS-II中V2.91版本的源代碼在STM32F107的移植過(guò)程中，主要分為不需要修改和需要修改兩部分。不需要修改的文件只需添加到工程目錄中即可，在這里重點(diǎn)介紹需要修改部分。需要修改源代碼的文件為OS_CPU.C、COS_CPU.H及OS_CPU_A.ASM[7]。

OS_CPU.C中要修改的函數(shù)是OSTaskStkInit，其它的9個(gè)函數(shù)不需要包含任何代碼，但是必須聲明。OSTaskStkInit的作用是把任務(wù)堆棧初始化。堆棧中的LR和PC需初始化為任務(wù)的入口地址值，便于任務(wù)切換時(shí)跳轉(zhuǎn)到正確執(zhí)行語(yǔ)句的地方。

OS_CPU.H頭文件中需要修改的內(nèi)容有兩部分：與處理器相關(guān)的少量代碼部分和與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型重定義部分。其中與處理器相關(guān)部分代碼包括任務(wù)切換宏定義、處理器堆棧增長(zhǎng)方向及臨界區(qū)訪問(wèn)處理。

OS_CPU_A.ASM匯編文件中有4個(gè)函數(shù)需要修改：分別為 OSSstartHighRdy、OSCtxSw、OSIntCtxSw 和 OSTickISR。OSSstartHighRdy函數(shù)只在操作系統(tǒng)開(kāi)始調(diào)度任務(wù)前執(zhí)行一次，目的是啟動(dòng)多任務(wù)調(diào)度。OSCtxSW是任務(wù)切換函數(shù)。在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，UCOS-II內(nèi)核會(huì)啟動(dòng)OSCtxSW進(jìn)行任務(wù)切換，確保進(jìn)入就緒態(tài)的任務(wù)始終是當(dāng)前任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。匯編函數(shù)OSIntCtxSW是中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)。若在任務(wù)執(zhí)行時(shí)有中斷發(fā)生，且中斷服務(wù)程序所執(zhí)行的任務(wù)比正在運(yùn)行的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)更高時(shí)，這時(shí)候中斷服務(wù)程序所執(zhí)行的任務(wù)就會(huì)進(jìn)入就緒態(tài)，在中斷返回之前，UCOS-II內(nèi)核就會(huì)調(diào)用函數(shù)OSIntCtxSw。系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍的中斷服務(wù)函數(shù)是OSTickISR。處理器STM32F107VCT6中有一個(gè)專(zhuān)門(mén)用來(lái)定義系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍定時(shí)器SysTick。本移植過(guò)程用SysTick產(chǎn)生每200ms一次的時(shí)鐘節(jié)拍中斷。

3.3 LwIP協(xié)議棧的移植

STM32嵌入式MCU串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)既要實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信，還要實(shí)現(xiàn)與串口交換數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)中采用LwIP精簡(jiǎn)協(xié)議，將需要實(shí)現(xiàn)的各種功能分解成各自獨(dú)立的任務(wù)，通過(guò)優(yōu)先級(jí)的調(diào)度，使各項(xiàng)任務(wù)能夠有條不紊的運(yùn)行[7]。任務(wù)之間可以通過(guò)信號(hào)量、消息隊(duì)列、消息郵箱等進(jìn)行通信，既保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，又降低了實(shí)現(xiàn)的難度。LwIP協(xié)議棧將頂層應(yīng)用層之外的所有協(xié)議集和底層硬件驅(qū)動(dòng)都封裝在一個(gè)庫(kù)里，實(shí)現(xiàn)了在編寫(xiě)程序過(guò)程中最大的通用性[8]。協(xié)議棧通過(guò)接口與底層硬件和頂層應(yīng)用通信，完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的4層功能：物理層完成對(duì)STM32微處理器的以太網(wǎng)控制器驅(qū)動(dòng)；接口層通過(guò)ARP協(xié)議完成對(duì)集成訪問(wèn)介質(zhì)MAC的辨識(shí)；網(wǎng)絡(luò)層完成最基本的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，包括IP、ICMP等協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)傳輸層管理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)按照一定的格式進(jìn)行傳輸，LwIP為聯(lián)機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高可靠性的數(shù)據(jù)通信提供了基礎(chǔ)。

3.4 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

3.4.1 系統(tǒng)初始化流程

STM32嵌入式MCU串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)如下：當(dāng)目標(biāo)板上電后，通過(guò)IAR編譯器將編譯無(wú)誤的程序代碼通過(guò)Jlink下載到MCU內(nèi)，程序啟動(dòng)UCOS-II操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)內(nèi)對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行串口，LED狀態(tài)燈等外設(shè)的初始化，LwIP協(xié)議棧的初始化，之后進(jìn)行UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度，及任務(wù)間的消息的傳遞處理，從而實(shí)現(xiàn)串口到以太網(wǎng)口之間的數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，完成串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[9]。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)初始化流程Fig.4 System initialization process

3.4.2 RAW-API下客戶端與服務(wù)器

基于RAW-API進(jìn)行的TCP/IP編程，能夠很好地將TCP/IP協(xié)議棧的代碼和應(yīng)用程序的代碼相結(jié)合。程序以回調(diào)函數(shù)為基礎(chǔ)的事件驅(qū)動(dòng)，同時(shí)TCP/IP代碼也能夠直接回調(diào)函數(shù)。TCP/IP代碼和應(yīng)用程序的代碼在同一個(gè)線程里面運(yùn)行。RAW-API函數(shù)在程序代碼的執(zhí)行時(shí)間更短，并且它在運(yùn)行時(shí)占用的內(nèi)存資源更少。在CODE和RAM都較小的嵌入式系統(tǒng)中，該方法有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 測(cè)試結(jié)果

在STM32嵌入式串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)試過(guò)程中，利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手來(lái)模擬客戶端，服務(wù)器程序編寫(xiě)在STM32MCU內(nèi)部。經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)撥碼開(kāi)關(guān)分別設(shè)置0101、1010和1111（分別對(duì)應(yīng)為RS485、RS232和RS422信號(hào)的接入方式）時(shí)，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地接收串口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，串口也能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地接收客戶端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖5 串口接收數(shù)據(jù)顯示Fig.5 The data display of serial port received

圖6 網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)顯示Fig.6 The data display of network received

設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)是科技發(fā)展的趨勢(shì)，隨著科技的進(jìn)步，更多的自身具有聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備將會(huì)逐步取代按照傳統(tǒng)通信方式工作的串口設(shè)備，但這個(gè)過(guò)程會(huì)比較漫長(zhǎng)。如何讓傳統(tǒng)的通信方式工作的串口設(shè)備在不改變現(xiàn)有串口設(shè)備軟硬件條件下能夠連接到網(wǎng)絡(luò)，本文提供了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[10]。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠而且性價(jià)比高，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證，具有很好的應(yīng)用效果。

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