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嵌入式以太網(wǎng)串口服務器 嵌入式以太網(wǎng)串口服務器摘要：本文提出了一種以高性能微處理器Cortex-M3芯片STM32F103C8T6和以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60為核心的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)串口（RS232）和網(wǎng)口（RJ45）的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)互發(fā)，提高了傳輸數(shù)據(jù)的抗干擾性，節(jié)省了更新?lián)Q代的成本，達到了遠程控制、遠程通信的目的。1、 引言隨著Internet快速發(fā)展與普及，將一些設(shè)備聯(lián)入網(wǎng)絡已經(jīng)成為越來越多人的共識。利用基于TCP/IP的串口數(shù)據(jù)流傳輸?shù)膶崿F(xiàn)來控制管理的設(shè)備硬件，無需投資大量的人力、物力來進行管理、更換或者升級，而串口服務器是為RS-232/485/422到TCP/IP之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通訊接口轉(zhuǎn)換器。2、嵌入式以太網(wǎng)串口服務器的硬件設(shè)計本系統(tǒng)主要有三大模塊組成，分別是由微處理器芯片STM32F103C8T6構(gòu)成的MCU模塊，由網(wǎng)絡控制芯片ENC28J60與含RJ45和網(wǎng)絡變壓器的HR91105A構(gòu)成的網(wǎng)口模塊，由串口控制芯片MAX-232與RS232接口構(gòu)成的串口模塊。設(shè)備發(fā)送過來的信息通過串口模塊之后，送入MCU進行處理，然后通過網(wǎng)絡模塊發(fā)送至以太網(wǎng)進行顯示。如圖一所示為服務器的系統(tǒng)設(shè)計框圖。圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖2.1、MCU模塊本系統(tǒng)設(shè)計引用了嵌入式應用方面性價比高的CortexM3 STM32F103C8T6作為處理器，CortexM3類型的STM32F103C8T6處理器采用表面貼片的48管腳LQFP封裝，最高工作頻率為72MHZ,工作溫度為-40 +85。其具有提供豐富的外圍接口，包括（CAN、I2C、SPI、UART、USB等）低功耗、門數(shù)少、中斷延遲小、調(diào)試容易，支持TCP/IP 協(xié)議棧中的IP/ICMP/TCP/UDP/DHCP 等協(xié)議，動態(tài)獲取IP，支持標準socket 編程等優(yōu)點。2.2、串口模塊幾乎所有的微控制器、PC 都提供串行接口，使用電子工業(yè)協(xié)會（EIA） 推薦的RS-232-C 標準。由于RS-232-C 標準所定義的高、低電平信號與STM32F103 系統(tǒng)的LVTTL 電路所定義的高、低電平信號完全不同，所以，兩者間要進行通信必須經(jīng)過信號電平的轉(zhuǎn)換。目前我們用USB-232電平轉(zhuǎn)換芯片PL2303HX，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的功能。本系統(tǒng)采用PH2303HX芯片和USB接口設(shè)計了一個實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口接口模塊。PL2303單獨使用12MHZ晶振，這是USB必須使用的頻率，其采用模塊化電路，RXD接單片機TXD,TXD接單片機的RXD。其連接電路如圖2所示：圖2 USB轉(zhuǎn)串口電路模塊2.3、網(wǎng)口模塊ENC28J60是帶有行業(yè)標準串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface,SPI）的獨立以太網(wǎng)控制器。它可以作為任何配備有SPI的控制器的以太網(wǎng)接口。ENC28J60符合IEEE 802.3的全部規(guī)范，采用一系列包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進行限制。還提供了一個內(nèi)部的DMA模塊，以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗和計算。與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED,進行網(wǎng)絡活動狀態(tài)指示。ENC28J60總共只有28引腳，提供QFN/TF。ENC28J60典型應用電路如圖3所示： 圖3 ENC28J60典型應用電路以太網(wǎng)串口服務器網(wǎng)絡模塊采用ENC28J60作為主芯片，單芯片即可實現(xiàn)以太網(wǎng)接入，利用該模塊，基本上只要是個單片機，就可以實現(xiàn)以太網(wǎng)的連接，網(wǎng)絡模塊原理圖如圖4所示： 圖4 網(wǎng)絡模塊原理圖 3、嵌入式以太網(wǎng)串口服務器的軟件初始化3.1、uip簡介uIP 由瑞典計算機科學學院(網(wǎng)絡嵌入式系統(tǒng)小組)的Adam Dunkels 開發(fā)。其源代碼由C 語言編寫，并完全公開。uIP 協(xié)議棧去掉了完整的TCP/IP 中不常用的功能，簡化了通訊流程，但保留了網(wǎng)絡通信必須使用的協(xié)議，設(shè)計重點放在了IP/TCP/ICMP/UDP/ARP 這些網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議上，保證了其代碼的通用性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于uIP 協(xié)議棧專門為嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計，因此還具有如下優(yōu)越功能：1） 代碼非常少，其協(xié)議棧代碼不到6K，很方便閱讀和移植。2） 占用的內(nèi)存數(shù)非常少，RAM 占用僅幾百字節(jié)。3） 其硬件處理層、協(xié)議棧層和應用層共用一個全局緩存區(qū)，不存在數(shù)據(jù)的拷貝，且發(fā)送和接收都是依靠這個緩存區(qū)，極大的節(jié)省空間和時間。4） 支持多個主動連接和被動連接并發(fā)。5） 其源代碼中提供一套實例程序：web 服務器，web 客戶端，電子郵件發(fā)送程序(SMTP 客戶端)，Telnet 服務器， DNS 主機名解析程序等。通用性強，移植起來基本不用修改就可以通過。6） 對數(shù)據(jù)的處理采用輪循機制，不需要操作系統(tǒng)的支持。由于uIP 對資源的需求少和移植容易，大部分的8 位微控制器都使用過uIP協(xié)議棧, 而且很多的著名的嵌入式產(chǎn)品和項目(如衛(wèi)星，Cisco 路由器，無線傳感器網(wǎng)絡)中都在使用uIP 協(xié)議棧。uIP相當于一個代碼庫，通過一系列的函數(shù)實現(xiàn)與底層硬件和高層應用程序的通訊，對于整個系統(tǒng)來說它內(nèi)部的協(xié)議組是透明的，從而增加了協(xié)議的通用性。uIP協(xié)議棧與系統(tǒng)底層和高層應用之間的關(guān)系如圖5所示： 圖5 uip在系統(tǒng)中的位置從上圖可以看出，uIP 協(xié)議棧主要提供2 個函數(shù)供系統(tǒng)底層調(diào)用：uip_input 和uip_periodic。另外和應用程序聯(lián)系主要是通過UIP_APPCALL 函數(shù)。當網(wǎng)卡驅(qū)動收到一個輸入包時，將放入全局緩沖區(qū)uip_buf 中，包的大小由全局變量uip_len約束。同時將調(diào)用uip_input()函數(shù)，這個函數(shù)將會根據(jù)包首部的協(xié)議處理這個包和需要時調(diào)用應用程序。當uip_input()返回時，一個輸出包同樣放在全局緩沖區(qū)uip_buf 里，大小賦給uip_len。如果uip_len 是0，則說明沒有包要發(fā)送。否則調(diào)用底層系統(tǒng)的發(fā)包函數(shù)將包發(fā)送到網(wǎng)絡上。uIP 周期計時是用于驅(qū)動所有的uIP 內(nèi)部時鐘事件。當周期計時激發(fā)，每一個TCP 連接都會調(diào)用uIP 函數(shù)uip_periodic()。類似于uip_input()函數(shù)。uip_periodic()函數(shù)返回時，輸出的IP 包要放到uip_buf 中，供底層系統(tǒng)查詢uip_len 的大小發(fā)送。由于使用 TCP/IP 的應用場景很多，因此應用程序作為單獨的模塊由用戶實現(xiàn)。uIP 協(xié)議棧提供一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用，其中大部分函數(shù)是作為C 的宏命令實現(xiàn)的，主要是為了速度、代碼大小、效率和堆棧的使用。用戶需要將應用層入口程序作為接口提供給uIP 協(xié)議棧， 并將這個函數(shù)定義為宏UIP_APPCALL()。這樣，uIP 在接受到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，在需要送到上層應用程序處理的地方，調(diào)用UIP_APPCALL( )。在不用修改協(xié)議棧的情況下可以適配不同的應用程序。3.2、程序設(shè)計本系統(tǒng)要實現(xiàn)TCP/IP 通信，還要實現(xiàn)和串口交換數(shù)據(jù),因此我們采用輪詢的方式，第一次調(diào)用輪詢函數(shù)的時候創(chuàng)建兩個定時器，當收到包的時候（uip_len0),先區(qū)分是IP包還是ARP包，針對不同的包做不同的處理，對我們來說，主要是通過uip_input處理IP包，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。當沒有收到包的時候（uip_len=0）,通過定時器處理各個TCP/UDP連接以及ARP表處理。其輪詢處理函數(shù)為：/uip事件處理函數(shù)/必須將該函數(shù)插入用戶主循環(huán),循環(huán)調(diào)用.void uip_polling(void)u8 i;static struct timer periodic_timer, arp_timer;static u8 timer_ok=0; if(timer_ok=0)/僅初始化一次timer_ok = 1;timer_set(&periodic_timer,CLOCK_SECOND/2); /創(chuàng)建1個0.5秒的定時器 timer_set(&arp_timer,CLOCK_SECOND*10); /創(chuàng)建1個10秒的定時器 uip_len=tapdev_read();/讀取一個IP包,數(shù)據(jù)長度.uip_len在uip.c中定義if(uip_len0) /有數(shù)據(jù) /處理IP數(shù)據(jù)包(只有校驗通過的IP包才會被接收) if(BUF-type = htons(UIP_ETHTYPE_IP)/是否是IP包? uip_arp_ipin();/去除以太網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)，更新ARP表uip_input(); /IP包處理/當上面的函數(shù)執(zhí)行后，如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則全局變量 uip_len 0/需要發(fā)送的數(shù)據(jù)在uip_buf, 長度是uip_len (這是2個全局變量) if(uip_len0)/需要回應數(shù)據(jù)uip_arp_out();/加以太網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)，主動連接時可能要構(gòu)造ARP請求tapdev_send();/發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)else if (BUF-type=htons(UIP_ETHTYPE_ARP)/處理arp報文,是否是ARP請求包?uip_arp_arpin(); /當上面的函數(shù)執(zhí)行后，如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則全局變量uip_len0/需要發(fā)送的數(shù)據(jù)在uip_buf, 長度是uip_len(這是2個全局變量) if(uip_len0)tapdev_send();/需要發(fā)送數(shù)據(jù),則通過tapdev_send發(fā)送 else if(timer_expired(&periodic_timer)/0.5秒定時器超時timer_reset(&periodic_timer);/復位0.5秒定時器 /輪流處理每個TCP連接, UIP_CONNS缺省是40個 for(i=0;i0/需要發(fā)送的數(shù)據(jù)在uip_buf, 長度是uip_len (這是2個全局變量) if(uip_len0)uip_arp_out();/加以太網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)，主動連接時可能要構(gòu)造ARP請求tapdev_send();/發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)#if UIP_UDP/UIP_UDP /輪流處理每個UDP連接, UIP_UDP_CONNS缺省是10個for(i=0;i0/需要發(fā)送的數(shù)據(jù)在uip_buf, 長度是uip_len (這是2個全局變量)if(uip_len 0)uip_arp_out();/加以太網(wǎng)頭結(jié)構(gòu)，主動連接時可能要構(gòu)造ARP請求tapdev_send();/發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)#endif /每隔10秒調(diào)用1次ARP定時器函數(shù) 用于定期ARP處理,ARP表10秒更新一次，舊的條目會被拋棄if(timer_expired(&arp_timer)timer_reset(&arp_timer);uip_arp_timer();TCP應用接口函數(shù)：/TCP應用接口函數(shù)(UIP_APPCALL)/完成TCP服務(包括server和client)和HTTP服務void tcp_demo_appcall(void) switch(uip_conn-lport)/本地監(jiān)聽端口80和1200 case HTONS(80):httpd_appcall(); break;case HTONS(1200): tcp_server_demo_appcall(); break;default: break; switch(uip_conn-rport)/遠程連接1400端口 case HTONS(1400):tcp_client_demo_appcall(); break; default: break; 除此之外，我們需要對串口進行初始化，并建立相應的串口程序文件，便于其它函數(shù)的調(diào)用，實現(xiàn)串口上數(shù)據(jù)的交換。串口函數(shù)初始化：void uart_init(u32 bound) /GPIO端口設(shè)置 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);/使能USART1，GPIOA時鐘以及復用功能時鐘 /USART1_TX PA.9 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; /PA.9 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;/復用推挽輸出 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /USART1_RX PA.10 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;/浮空輸入 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); /Usart1 NVIC 配置 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;/搶占優(yōu)先級3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;/子優(yōu)先級3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;/IRQ通道使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);/根據(jù)指定的參數(shù)初始化VIC寄存器 /USART 初始化設(shè)置USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;/一般設(shè)置為9600;USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;/字長為8位數(shù)據(jù)格式USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;/一個停止位USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;/無奇偶校驗位USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;/無硬件數(shù)據(jù)流控制USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;/收發(fā)模式 USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); /初始化串口 USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);/開啟中斷 USART_Cmd(USART1, ENABLE); /使能串口 主函數(shù)的實現(xiàn)是對整個嵌入式以太網(wǎng)串口服務器的統(tǒng)籌管理，實現(xiàn)系統(tǒng)的有序整合和運行。其主函數(shù)為：int main(void) delay_init(); /延時函數(shù)初始化 NVIC_Configuration(); /NVIC中斷分組2:2位搶占優(yōu)先級，2位響應優(yōu)先級uart_init(9600); /串口初始化為9600RTC_Init();/初始化RTC while(tapdev_init()/初始化ENC28J60 如果初始化失敗，就會死在這里 delay_ms(200)；;uip_init();/uIP初始化 uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,105);/設(shè)置本地設(shè)置IP地址 uip_sethostaddr(ipaddr); uip_ipaddr(ipaddr, 192,168,1,1); /網(wǎng)關(guān)IP地址(其實就是你路由器的IP地址)uip_setdraddr(ipaddr); uip_ipaddr(ipaddr, 255,255,255,0);/設(shè)置網(wǎng)絡掩碼uip_setnetmask(ipaddr);uip_listen(HTONS(80);/監(jiān)聽80端口,用于Web Serveruip_listen(HTONS(1200);/監(jiān)聽1200端口,用于TCP Server tcp_client_connect(); /嘗試連接到TCP Server端,用于TCP Client udp_server_connect();/嘗試連接到UDP Client端,用于UDP Server 端口1600 udp_client_connect();/嘗試連接到UDP Server端,用于UDP Client 端口1500 while (1)uip_polling();/處理uip事件，必須插入到用戶程序的循環(huán)體中 if(uip_test_mode=0)/TCP測試if(tcp_server_tsta!=tcp_server_sta)/TCP Server狀態(tài)改變 if(tcp_server_sta&(16)/收到新數(shù)據(jù)printf(TCP Server RX:%srn,tcp_server_databuf);/打印tcp_server_sta&=(16);/標記數(shù)據(jù)已經(jīng)被處理tcp_server_tsta=tcp_server_sta;if(tcp_client_tsta!=tcp_client_sta)/TCP Client狀態(tài)改變 if(tcp_client_sta&(16)/收到新數(shù)據(jù)printf(TCP Client RX:%srn,tcp_client_databuf);/打印tcp_client_sta&=(16);/標記數(shù)據(jù)已經(jīng)被處理tcp_client_tsta=tcp_client_sta;else/UDP測試if(udp_server_sta&(16)/收到新數(shù)據(jù)printf(TCP Server RX:%srn,udp_server_databuf);/打印數(shù)據(jù)udp_server_sta&=(16);/標記數(shù)據(jù)已經(jīng)被處理if(udp_client_sta&(16)/收到新數(shù)據(jù)printf(UDP Client RX:%srn,udp_client_databuf);/打印數(shù)據(jù)udp_client_sta&=(16);/標記數(shù)據(jù)已經(jīng)被處理if(FLAG1)/TCP/UDP模式切換if(uip_test_mode=0)tcp_server_tsta=0XFF;tcp