基于STM32的UART-WiFi模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘琢金，李 冰，羅 振，楊 華

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的日益普及、信息共享程度的不斷提高，嵌入式設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越高。然而傳統(tǒng)工業(yè)控制領(lǐng)域中，帶有串口的嵌入式設(shè)備并不具備聯(lián)網(wǎng)能力。要使此類(lèi)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，目前解決辦法是采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器的方案，通過(guò)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器將嵌入式設(shè)備產(chǎn)生的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)幀，進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。但以太網(wǎng)存在布線困難、靈活性差等缺點(diǎn)，對(duì)于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)控制領(lǐng)域，鋪設(shè)有線以太網(wǎng)比較困難。WiFi作為一種無(wú)線局域網(wǎng)形式，能夠克服以太網(wǎng)布線困難、靈活性差的缺點(diǎn)。綜合考慮上述問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STM32F103微控制器和88W8385無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器的UART-WiFi無(wú)線模塊，完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了LwIP(lightweight IP)協(xié)議棧和WiFi驅(qū)動(dòng)的移植。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

UART-WiFi模塊在用戶(hù)側(cè)留有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，可使串口嵌入式設(shè)備便捷的接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。該UART-WiFi模塊由三部分組成：串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)模塊組成原理框圖如圖1所示。

帶有串口的嵌入式設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過(guò)UART串口傳給UART-WiFi模塊，該模塊將串口數(shù)據(jù)打包成WiFi數(shù)據(jù)包，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊傳輸WiFi數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。反之，也可遠(yuǎn)程無(wú)線控制嵌入式串口設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件框圖

系統(tǒng)硬件主要由核心微控制器、WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器模塊、RS232串口模塊、電源模塊、時(shí)鐘模塊、JTAG調(diào)試接口以及可擴(kuò)展接口等部分組成。其硬件組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中微控制器采用STM32F103RET6芯片，WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器采用Marvell的88w8385芯片。

圖2 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)框圖

2.2 STM32F103微控制器

STM32是意法半導(dǎo)體基于ARM 32位Cortex-M處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)的一系列微控制器的總稱(chēng)。該系列微控制器具有功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于嵌入式開(kāi)發(fā)。本文設(shè)計(jì)的UART-WiFi模塊選用該系列中的STM32F103RET6微控制器芯片作為核心。它是同類(lèi)產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，時(shí)鐘頻率達(dá)到了72MHz。它有豐富的外設(shè)接口，如定時(shí)器、ADC、SPI、SDIO、USB、IIC等。本模塊主要關(guān)注的部分有：

1）3 個(gè)USART接口，該模塊中只需其中的1個(gè)，外接RS232標(biāo)準(zhǔn)的串口模塊，用作與嵌入式設(shè)備的串口相連；

2）3 個(gè)通用16位定時(shí)器，用于定時(shí)；

3）片內(nèi)512K的Flash存儲(chǔ)器可用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，多達(dá)64KB的SRAM能夠以CPU的時(shí)鐘速度進(jìn)行讀寫(xiě)；

4）SDIO接口，用于外接88w8385無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器，實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

本設(shè)計(jì)方案中，STM32F103核心控制器具有控制和數(shù)據(jù)處理的作用。作為控制器，它控制接收數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。在數(shù)據(jù)處理方面，它將串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包、分組，然后將其打包成所需的數(shù)據(jù)幀格式。

2.3 88w8385 WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器

Marvell 88w8385是全球首個(gè)成功將中央處理器和大量片上存儲(chǔ)器嵌入單一芯片進(jìn)行完成主機(jī)卸載處理的片上系統(tǒng)。同時(shí)，88w8385體積小、適合小體積系統(tǒng)集成。該芯片集成了IEEE802.11a/b/g MAC/基帶/射頻WLAN，降低了使用的復(fù)雜度，節(jié)省了開(kāi)發(fā)成本。88w8385 WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器具有優(yōu)異的電源管理、靈活的系統(tǒng)配置、工作在全球通用的2.4GHz頻段等特性。含有豐富的外部接口，如CF接口、USB接口、SDIO接口、SPI接口等。本設(shè)計(jì)方案中，采用88w8385無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器的SDIO接口，將其與STM32F103控制器連接，微控制器STM32F103可直接訪問(wèn)SDIO接口的寄存器，通過(guò)SDIO接口進(jìn)行固件的下載，及數(shù)據(jù)的傳輸。

2.4 RS232接口芯片MAX3232

STM32F103芯片內(nèi)部集成了3個(gè)串口模塊USART1、USART2和USART3，本設(shè)計(jì)方案使用USART1接收RS232串口數(shù)據(jù)。嵌入式串口設(shè)備的RS232數(shù)據(jù)線通過(guò)MAXIM公司的MAX3232芯片，連接到微控制器STM32F103的USART1上。MAX3232芯片完成TTL信號(hào)和RS232信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。

2.5 電源及時(shí)鐘模塊

電源模塊是用來(lái)給STM32F103控制器供電的電路。本設(shè)計(jì)方案選用AMS1117-3.3芯片，輸入5.5V電壓，輸出3.3V穩(wěn)定電壓，用于給STM32F103供電。時(shí)鐘模塊為STM32F103輸入時(shí)鐘信號(hào)。STM32F103的電源管理模塊內(nèi)嵌8MHz的RC振蕩器，因此選用8MHz的晶振。

此外，外接JTAG接口用于調(diào)試和下載；利用可擴(kuò)展接口外接指示燈用于指示UART-WiFi模塊的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括三部分：系統(tǒng)的初始化、LwIP協(xié)議棧和WiFi驅(qū)動(dòng)的移植、數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程的設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括STM32F103RET6微控制器的初始化、串口的初始化、SDIO的初始化、88w8385芯片的初始化及LwIP協(xié)議棧的初始化。系統(tǒng)初始化過(guò)程如圖3所示。

圖3 初始化過(guò)程

STM32F103RET6微控制器的初始化包括時(shí)鐘的初始化、中斷向量的初始化、端口引腳的初始化等。初始化過(guò)程主要包括：調(diào)用RCC_Configuration()來(lái)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘；調(diào)用GPIO_Configuration()來(lái)初始化各端口引腳；調(diào)用NVIC_Configuration()來(lái)映射中斷處理函數(shù)。

串口初始化由函數(shù)USART_Configuration(USART1)完成，通過(guò)初始化完成配置串口1到控制臺(tái)的工作。方案中，串口主要用于連接外部嵌入式設(shè)備。同時(shí)，將串口設(shè)置為全雙工異步串行傳輸模式，并使用定時(shí)器產(chǎn)生的波特率時(shí)鐘。

WiFi網(wǎng)絡(luò)控制器的初始化主要包括兩部分：SDIO設(shè)備枚舉、加載設(shè)備固件，由函數(shù)init_marvell_driver()完成。其中stm32_probe()函數(shù)完成SDIO設(shè)備的枚舉，if_sdio_prog_firmware()函數(shù)通過(guò)SDIO口完成固件的下載。

LwIP協(xié)議棧的初始化由Init_lwIP()完成，包括初始化內(nèi)存堆函數(shù)mem_init()，初始化內(nèi)存池函數(shù)memp_init()，數(shù)據(jù)包管理初始化函數(shù)pbuf_init()，網(wǎng)絡(luò)接口管理初始化函數(shù)netif_init()等。

3.2 LwIP協(xié)議棧和WiFi驅(qū)動(dòng)移植

LwIP協(xié)議棧及WiFi驅(qū)動(dòng)層次結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 LwIP協(xié)議棧及WiFi結(jié)構(gòu)層次圖

3.2.1 LwIP協(xié)議棧的移植

LwIP是用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)源裁剪版TCP/IP協(xié)議棧，可運(yùn)行在無(wú)操作系統(tǒng)的平臺(tái)上，整個(gè)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了基本的IP、ICMP、UDP、TCP協(xié)議。它只需要十幾KB的RAM和40K的ROM就可運(yùn)行，尤其適用于內(nèi)存資源有限的嵌入式系統(tǒng)。在初始化LwIP協(xié)議棧之前，需要將各協(xié)議移植到開(kāi)發(fā)板上，使其支持TCP和UDP兩種方式。

LwIP源碼主要包括以下子目錄：存放應(yīng)用程序接口文件的api子目錄、提供核心代碼文件的core子目錄、提供整個(gè)協(xié)議棧使用頭文件的include子目錄、提供網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序基本框架的netif子目錄及移植過(guò)程中自定義的arch目錄。arch包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)、移植需要修改的文件。移植LwIP協(xié)議棧，需完成lwipopts.h、perf.h和cc.h三個(gè)頭文件的定義：

1）cc.h：根據(jù)所選編譯器和處理器特性完成協(xié)議棧內(nèi)部使用數(shù)據(jù)類(lèi)型的定義；

2）lwipopts.h：完成協(xié)議棧內(nèi)核的參數(shù)配置，若對(duì)某個(gè)參數(shù)未配置，則使用opt.h文件中的默認(rèn)值；

3）per.h：定義與系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)和測(cè)量的宏，該宏與平臺(tái)處理器密切相關(guān)，本設(shè)計(jì)方案不需要使用任何統(tǒng)計(jì)和測(cè)量功能，因此文件中的兩個(gè)宏直接定義為空。

協(xié)議棧移植完成后，由于服務(wù)器在每次收發(fā)數(shù)據(jù)中都要調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)，因此該部分代碼需要有良好的健壯性和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)方案將發(fā)送流程與接收流程分開(kāi)實(shí)現(xiàn)，發(fā)送與接收流程如圖5所示。

圖5 底層程序框架圖

發(fā)送流程從初始化函數(shù)ethernetif_init()開(kāi)始，它完成網(wǎng)絡(luò)接口抽象netif的填充并調(diào)用鏈路層發(fā)送函數(shù)low_level_output()，再調(diào)用發(fā)送函數(shù)lbs_sendpbuf()發(fā)送數(shù)據(jù)。

接收流程除初始化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器外，需要調(diào)用鏈路層初始化函數(shù)low_level_init()。收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)函數(shù)ethernetif_input()，根據(jù)幀頭攜帶的上層協(xié)議類(lèi)型判斷交給IP協(xié)議還是ARP協(xié)議處理。

3.2.2 WiFi驅(qū)動(dòng)程序

Marvell 88w8385WiFi模塊驅(qū)動(dòng)主要包括WLAN驅(qū)動(dòng)和SDIO接口驅(qū)動(dòng)兩部分。WLAN驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過(guò)SDIO接口轉(zhuǎn)發(fā)到WiFi硬件或響應(yīng)WiFi硬件中斷，并從硬件中斷的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)的接口函數(shù)，發(fā)送到上層應(yīng)用。

WiFi Firmware是WiFi設(shè)備硬件中執(zhí)行的一段程序，由WiFi驅(qū)動(dòng)將其通過(guò)SDIO接口下載到WiFi模塊中，主要功能是實(shí)現(xiàn)WiFi硬件接口控制、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換、MAC層管理和中斷管理等。

3.3 收發(fā)過(guò)程

串口數(shù)據(jù)可連續(xù)發(fā)送，而WiFi數(shù)據(jù)則必須以數(shù)據(jù)包為單位發(fā)送。因此，本方案涉及到一個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度選取的問(wèn)題，即：將多少字節(jié)的串口數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)WiFi數(shù)據(jù)包。針對(duì)該問(wèn)題有兩種解決方案，一種是設(shè)定數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到指定長(zhǎng)度時(shí)產(chǎn)生中斷，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。但如果所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)較少，此種方式會(huì)有嚴(yán)重的延時(shí)現(xiàn)象。第二種是通過(guò)數(shù)據(jù)包間隔的方式。當(dāng)串口轉(zhuǎn)WiFi轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了T毫秒的空閑時(shí)間，則認(rèn)為收到的串口數(shù)據(jù)可以作為一個(gè)WiFi數(shù)據(jù)包發(fā)送了。

綜合考慮以上兩種方案，本方案采用硬件中斷與定時(shí)器中斷相結(jié)合的方式。串口數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)產(chǎn)生串口中斷，在串口中斷處理程序中將串口數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)器到達(dá)指定值，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。網(wǎng)口接到數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)放到另一個(gè)緩沖區(qū)中，計(jì)時(shí)器到，將數(shù)據(jù)從串口發(fā)送出去。如圖6所示。

圖6 收發(fā)流程圖

4 測(cè)試結(jié)果顯示

軟硬件設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)整個(gè)UART-WiFi網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)測(cè)試。首先，當(dāng)WiFi模塊工作在adhoc模式下，成功為筆記本分配ip地址，使用ping命令測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，能夠正確接收數(shù)據(jù)包，表明網(wǎng)絡(luò)正常。其次，使用TCP/UDP Socket調(diào)試工具，對(duì)UART-WiFi模塊外接的工作狀態(tài)指示燈進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，TCP/UDP測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 TCP/UDP測(cè)試

從圖7可以看出，WiFi模塊服務(wù)器的ip地址是192.168.10.10，分配給筆記本的ip地址是192.168.10.100。UDP的端口號(hào)均為8080，筆記本發(fā)送的LED_OPEN1可以打開(kāi)WiFi模塊上的指示燈，并回送給調(diào)試工具LED_OPEN1以表示測(cè)試成功。TCP測(cè)試與之類(lèi)似。最后，將Web服務(wù)器嵌入到系統(tǒng)中，進(jìn)行了Web服務(wù)器的測(cè)試，在網(wǎng)頁(yè)中輸入192.168.10.10對(duì)模塊進(jìn)行控制，控制結(jié)果通過(guò)串口成功顯示，從而實(shí)現(xiàn)了WiFi轉(zhuǎn)串口的功能。串口顯示測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)串口設(shè)備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸不便問(wèn)題，提出了一種將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WiFi數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)傳入無(wú)線傳入網(wǎng)絡(luò)的解決方案，完成了UART-WiFi模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本方案成本低、功耗小、性能穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果表明，該模塊能夠滿(mǎn)足工業(yè)控制領(lǐng)域中串口數(shù)據(jù)無(wú)線傳入網(wǎng)絡(luò)的需求。對(duì)于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于其無(wú)線的特性，克服布線困難的問(wèn)題。由于硬件設(shè)備成本低、模塊性能穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣泛，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8 串口顯示測(cè)試

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