基于STM32嵌入式系统的智能控制网络终端设计
北京工业大学电子信息与控制工程学院 王铁流，秦璐璐，李宗方，高嵩
摘要：智能网络终端是实现智能化管理的嵌入式终端设备。通常具有安全门禁系统和自动化控制的基本功能。本文重点介绍基于STM32的智能嵌入式终端的网络控制功能的设计和实现。
Abstract：
Key words :
stebin"> 智能网络终端是实现智能化管理的嵌入式终端设备。通常具有安全门禁系统和自动化控制的基本功能。本文重点介绍基于
STM32的智能嵌入式终端的网络控制功能的设计和实现。
1智能网络通信实现方案
将
嵌入式系统与Internet连接起来实现远距离信息获取和控制功能的本质是
嵌入式系统本身能够实现TCP／IP网络通信协议。该协议的解决方案总体上可分为两大类。第一类是直接在嵌入式设备上实现TCP／IP，使之直接连上Internet。这实质上是由MCU及内部固化TCP／IP协议的芯片组成应用系统的核心，MCU可以直接拨号上网，这种方法的硬件电路相对简单，也不需要中间环节的支持。但是由于使用了TCP／IP协议芯片，因此需要大容量的程序存储器，而且要求MCU有较高的运行速度。同时，应用程序设计师还必须熟悉TCP／IP协议，且软件设计复杂，工作量大。目前，此方案的典型代表有SX-stack、Sciko公司的S7600A芯片；第二类是使嵌入式设备经过通信转换后，再通过公用的TCP／IP转接口(网关Gateway)与Intemet相连。目前有以下几种方式：
(1)通过使用独立于微控制器MCU的专用的网络接口芯片来完成单片机与网关间的协议转换，并以此作为链接到Internet的桥梁。例如韩国WIZnet公司的W5100芯片；
(2)用单片机控制以太网网卡进行数据传输，此时必须加载TCP／IP协议到单片机中；
(3)用代理协议来完成与网关间的协议转换。
本设计采用独立于微控制器MCU的专用网络接口芯片来实现TCP／IP协议，微处理器选择
STM32F103VB，网络芯片选择W5100。二者通过SH接口进行连接，其连接示意图如图1所示。
2硬件平台的设计
2.1 总体设计
本系统的硬件可分为采集模块、处理模块、键盘和显示模块、传输模块、控制模块和供电模块等。其中采集模块负责采集信息；处理模块负责控制整个系统的工作，处理和存储采集到的信息，控制模块则可以进行相应的控制；键盘和显示模块负责显示相关信息以提示现场人员操作；网络传输模块负责信息与数据服务器进行信息交互；供电模块负责为整个系统供电。图2所示是系统的结构框图。通过这种结构可以自主开发出一套高性价比、低成本、低功耗、开发周期短、运行速度快、可靠性高、功能齐全、扩展性强的网络控制终端。
2.2 硬件实现
本系统的处理器模块选用ST公司刚刚推出不久的、基于ARM Cortex
TM-M3内核的新一代嵌入式
STM32芯片。这是一款专为嵌入式应用而开发的内核。它带有把中断之间延迟降到6个CPU周期的嵌套向量中断控制器，允许在每一个写操作中修改单个数据位的独立位操作，可进行分支指令预测、单周期乘法、硬件除法且有高效的Thumb 2指令集。这些改良技术使
Cortex-M3内核具有优异的代码密度、实时性和低功耗性能。所有这些新功能都同时具有目前最优的功耗水平，非常适合应用于长时间工作的终端控制系统。
本系统由+12 V电源输入，同时经过LM2575和78L09稳压后分别得到5 V和9 V电压，5 V再经过SPX1117M3-3.3电压稳压转换后得到3.3 V，这样3.3 V、5 V和9V电压即能够很好地满足内核、外设和外部电路的供电。系统时钟源可采用外部晶振，内部PLL电路可以调整系统时钟，使系统运行速度更快。为了提供性能优越的电源监控性能，这里选取了专门的MAX811系统监视复位芯片，该芯片可以通过手动控制系统的复位，同时还可以实时监控系统电源，一旦系统电源低于系统复位阀值，电路中的MAX811将产生一个140ms的复位脉冲信号来对系统进行复位。
系统网络模块选用的W5100芯片是一款多功能的单片网络接口芯片。它内部集成有10／100Mbps以太网控制器，可支持自动应答(全双工／半双工模式)，主要用于高集成、高稳定、高性能和低成本的
嵌入式系统。使用W5100可以实现没有操作系统的Internet连接。W5100与IEEE802.310BASE-T和802.3u 100BASE-TX兼容。此外，W5100内部集成有全硬件的、经过多年市场验证的TCP／IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)。其硬件TCP／IP协议可支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP、PPPoE和IGMP。同时可支持4个独立的端口(Socket)通信，其内部16 K字节的发送，接收缓冲区可快速进行数据交换，其最大通信速率可达25 Mbps。利用W5100提供的多种总线(并行总线和SPI总线)接口方式可以很方便地与各种MCU连接。可以说，W5100器件的推出，大大简化了硬件电路设计，并可使微控制器系统在没有操作系统的支持下实现单芯片接人Internet的理想。一般情况下，只需设置寄存器和存储器，就可以通过W5100芯片进行Internet奎接。
在设计中，
STM32F103与W5100可通过SPI接口进行连接。
STM32F103作为SPI主设备，W5100作为SPI从设备，并由STM32F103为W5100提供通信时钟，二者的接口连接图如图3所示。
但是，STM32F103在与W5100以SPI方式连接时，应注意以下几点：
(1)W5100的SEN引脚必须通过一个10 kΩ的电阻接到高电平，以选W5100的SPI接口方式；
(2)W5100的D0～D7、A0～A14及CS、WR、RD可以悬空，只使用SCLK、SCS、MOSI和MISO四根信号线；
(3)W5100的INT引脚是中断输出，MCU需要根据该信号来判断W5100的中断状态；
(4)LINKLED是W5100输出的以太网物理层信号，MCU需要根据该信号判断以太网的联接是否正常。该信号一般需要上拉输入到MCU；
(5)W5100的SPDLED、FDXLED、COLLED可以根据选择是否需要输入到MCU。
另外，系统中的存储器模块可以选用ST公司的64 MB的串行代码存储闪存M25P64。该器件的数据传输时钟频率为50 MHz，数据读取吞吐量为50 MB／s，其简单的SPI串行外设接口可简化系统的设计。本硬件平台使用两片M25P64级联，可存储128 MB的信息，图4所示是其存储电路，它完全可以满足平台信息采集存储的需求。为方便人员察看，系统中的LCD屏可选用(114.0 mm×64.0 mm)。
3 W5100的驱动程序设计
W5100的驱动程序主要完成初始化和端口的数据通信等功能。
通过SPI接口来配置W5100的寄存器一般具有固定的命令格式。根据SPI协议，SPI设备之间只有两条数据线。因此需要定义操作码(OP_Code)。W5100使用两种操作码：读操作码和写操作码。除了这两种代码，它将忽略和不响应其它的操作码。在SPI模式下，W5100只对“完整的32位数据流”进行操作。这个32位的数据流包括1个字节的操作码、2个字节的地址码和1个字节的数据。其操作码、地址和数据字节的传输都是高位(MSB)在前、低位(LSB)在后。也就是说，SPI数据的第一位是操作码域的MSB，最后一位是数据域的LSB。W5100的SPI数据格式如表1所列。
初始化W5100主要是设置W5100的公共寄存器，包括MR、IMR、RTR、RCR、GAR、SUBR、SHAR、SIPR、RMSR和TMSR。一般在使用W5100之前，都要对W5100进行初始化。
3.1数据通信的建立
TCP是面向连接的通信方式，它首先必须建立连接．然后才能利用IP地址和端口号进行数据通信。TCP有两种建立连接的方式，一是通过服务器模式(被动打开)等待连接请求；二是通过客户模式(主动打开)发送连接请求给服务器。本例采用TCP客户模式。在建立TCP连接之前，一般都需要初始化端口，包括设置端口号、设置W5100为TCP模式和写入OPEN命令。端口初始化主要配置端口0的相关寄存器，包括：S0_PORT、S0_MR和S0_CR。
图5是W5100在TCP客户模式的处理流程。
3.2中断处理
在处理W5100的中断时，首先应访问W5100的中断寄存器(IR)，可用MCU通过访问IR获得产生中断的来源。任何中断源都可以被中断寄存器(IMR)的相应位所屏蔽，因此，若要使用某个中断源，先要置位该中断源在IMR中的相应位，这样，当IR中对应位置位时，才会产生中断。此后当中断产生时，即进入中断处理程序。对于每个中断事件，处理方式可由用户自己定义。
假如使用的是端口0中断。可在W5100的初始化程序中先将IMR中的IM_IR 0(端口0中断屏蔽位)置位。这样，当端口0中断发生时(IM_IR0=I，S0_INT=1)，系统将开始读端口0中断寄存器(S0_IR)，在W5100的端口寄存器中，主要设置有建立连接(CON)、终止连接(DIS
CON)、数据发送完成(SEND_OK)、接收数据(RECV)和超时(TIMEOUT)等中断事件。
3.3 数据接收
当端口产生接收中断时，可调用接收函数S_rx_process(SOCKET s)将端口接收到的数据缓存到Rx_buffer数组中，并返回接收的数据字节数。当读完所有的数据后，可将接收存储器读指针寄存器(S0_RX_RD)的值加上读取的数据长度，然后再写入S0_RX_RD，最后向端口0的命令寄存器(S0_CR)写入RECV命令，以等待下次接收数据。但要注意在计算实际物理偏移量rx_offset时，S_RX_SIZE必须保证和在初始化代码中定义的接收缓存区的大小一致。
3.4 数据发送
通过Socket发送数据时，首先把要发送的数据缓存在Tx_buffer中。此外，在发送数据时，还需先检查发送缓存区的剩余空间的大小，然后控制发送数据的字节数。端口发送缓存区的大小由发送存储器空间寄存器(TMSR)确定。在数据发送处理过程中，剩余空间的大小将因写入数据而减少，发送完成后又自动增加。把Tx_buffer的数据完全写入端口的发送数据缓存区后，可将端口传输写指针寄存器(Sn_TX_WR)中的值加上写入的数据长度，再写入Sn_Tx_WR，以指示发送数据的长度，最后在命令寄存器(Sn_CR)中写入SEND命令，以启动发送。
4结束语
本文对控制终端设计提出了一些新颖的设计思路，利用该思路可实现现场和网络的混合控制。该系统创新处主要包括如下几点：
(1)具有USB＼UART等输入输出端口，可用于现场测控；
(2)可通过以太网接口实现网络传输、远程网络测控和信息资源共享等功能；
(3)可通过大容量的存储器来进行大容量的数据采集，并将其存储在片上处理；
(4)具有LCD显示单元，能够实现数据和状态信息的现场显示，使用户现场操作更加简单。
(王铁流，秦璐璐，李宗方，高嵩 北京工业大学电子信息与控制工程学院)
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