基于STM32与Lwip协议栈的高效通信技术

文/李晨 蒋林 刘思平

1 引言

在工业通信控制领域，随着科学技术的发展，对数据传输的时实性、时间响应的要求越来越高。相比较于传统的RS-485或RS-232通信方式，工业以太网RJ45具有通信速率高、传输距离长、方便布线等优点，本系统用了STM32F107微控制芯片移植LWIP轻协议栈，通过STM32F107的网络中断接收到触发方式，降低了单片机资源与通信延迟，提高了处理效率，提高了通信稳定可靠性。

2 系统软件设计

本系统软件部分采用了UCOS操作系统下移植了LWIP协议栈，利用STM32F107自带的DMA+ETH中断实现快速高效传输，同时采用UDP服务器模式进行通信，从而实现工业上的高效通信，系统的Lwip通信程序流程图如1所示。

在软件流程图中可以清晰的看到，先初始化系统，进行UCOS初始化并创建Lwip任务，在任务中先进行DP8348硬件初始化，在进行Lwip初始化，然后建立UDP服务器，Lwip任务就可以挂起任务了；同时在网络中断中进行数据包接收读取，读取到数据包后进行命令解析、数据处理，最后在回发给客户端，完成一轮的数据通信。由于使用了DMA进行对网络数据进行控制，并且数据都是在中断接收回调函数中处理回发，如果没有接收到数据，是不会占用CPU资源，进一步降低了CPU的负担，减少了通信延迟，提高了处理效率，提高了通信稳定可靠性。

图1：Lwip程序数据流程图

2.1 LWIP协议栈移植路

LWIP是一个轻量级的开源免费的TCP/IP协议栈，移植Lwip协议栈可以从Lwip官网下载源码，也可在STM32官网上下载带Lwip协议栈的源码。本系统在UCOS操作系统下移植了LWIP协议栈，但是实际上使用软件为ETH中断+DMA接收触发，已经和是否使用嵌入式系统没太大关系了，本系统使用UCOS系统为了优化程序本身，进一步提高单片机效率。在移植LWIP协议栈中，将宏NO_SYS设置为1，同时本系统使用了RAW的UDP接口方式，在头文件中对应需要把LWIP_NETCONN与LWIP_SOCKET设置为0，LWIP_UDP设置为1，从而启动UDP协议。工业设备终端作为UDP服务器，一般需要固定IP地址，因此在将LWIP_DHCP设置为0，关闭自动获取IP地址，最后配置MEM_SIZE、PBUF_POOL_SIZE、PBUF_POOL_BUFSIZE等设置POOL与HEAP的内存大小。

在Lwip的初始化过程中在对设备MAC地址进行设置时，为了防止出现设备MAC地址冲突而无法正常工作，可读取STM32内部的唯一ID为MAC地址。Lwip的初始化代码如下：

Lwip初始化完成后，系统采用了DMA+ETH中断方式进行数据接收，还需编写对应ETH中断函数，网络中断对应代码如下：

先用STM固件库中的ETH_GetRxPktSize()检测是否收到数据包，再调用Lwip协议栈的LwIP_Pkt_Handle()接收处理函数，从以太网缓冲区读取接收到的数据包，最后清除DMA对应的中断标志位。

2.2 创建UDP服务端

如今网络数据通信，一般采用TCP协议或UDP协议，相比较于TCP协议，UDP协议是一种无连接，不可靠，传输速度快，相对安全性高、可实现一对一，多对一的传输层的协议。在工业应用场合中，UDP协议更高的效率，更快的传输实时性，资源占用率更低，反而更加适合。随着网络控制芯片与技术的发展，使得UDP协议的丢包率已经很低了，应用层的协议优化，也大大增加了数据传输的可靠性。UDP服务端的代码初始化如下：

UDP服务端初始化后，Lwip的子任务就可直接挂起，等待网络中断接收到数据包后，进入回调函数。在回调函数中，在此进行数据处理解析后，把数据发送回客户端，发送完后在释放远程客户端的连接与内存即可。

3 测试结果

将系统硬件设备用网线接入路由器中，与计现代信息科技 ，2018，2(G软件对系统设备进行测试，结果主机每100ms对设备ping 32字节数据，一共不间断连续发送56万包数据，最短时间0ms，最大时间3ms，平均时间0.11ms，丢包率为0%。同时为了测试通信的稳定性，每间隔100ms发送数据，总共发送515946个包，15个小时,接收515946个包，丢包率为0%，在实际应用中，如果出现错误、丢包的情况，通过应用层协议，重复向设备终端发送命令进行查询通信，以此进一步提高数据通信的可靠性与稳定性。

UDP协议是一个非连接的协议，通信数据的客户端和服务端不建立连接，当它发送数据时，只是可能快地把它丢到到网络上，一对多传送也可兼容，并且在做断网重连测试的时候，也不需要像TCP协议一样，还得专门定时查询处理，只要设备重新连接上网络后，就可恢复正常通信。

4 结论

本文提供了一种基于基于STM32与Lwip协议栈的高效通信技术，利用STM32F107的ETH中断+DMA方式，通过移植Lwip协议栈，使用UDP服务端模式通信，从而实现工业上的高效通信技术。经过测试，在多对一下以100ms间隔的通信，经过长达15多个小时的测试，以极低的丢包率与错误率证明，该技术方案有效的优化单片机资源与通信延迟，并提高了通信稳定可靠性，在嵌入式工业应用上具备了相当的实用价值。