基于的嵌入式网络控制器设计

陈忠 湖南城市学院

随着电子技术、计算机的不断发展，嵌人式技术已经逐渐渗透到各种电子产品。早期的嵌入式设备常作为单一的控制终端产品，以微控制器为核心，实现对外设的控制操作，大多不与外界进行连接。微控制器的主要任务是定时地检测外部输入、采集外部信息，实现简单的数据处理操作。但是，由于设备不能与互联网或局域网（进行连接，这大大限制了终端设备在工业控制、信息家电、移动设备等的实际应用。近几年来，随着网络技术日趋成熟和完善网络技术与嵌入式统的结合使终端设备具有网络传输和远程信息处理的能力这也将是嵌人式技术未来的主要发展方向。将终端设备通过网络控制器接人互联网中，可满足目前控制系统中对终端设备的数据采集、传输以及决策指令发布等，实现网络控制的要求。笔者所设计的嵌入式网络控制器旨在利用目前丰富的网络资源，实现对工业控制、智能楼宇、信息家电等设备的远程控制和信息交互。

1 网络控制器设计

本系统的硬件可分为处理模块、网络数据收发模块、电源模块、存储模块、控制模块、指示模块。其中处理模块负责控制整个系统的工作，处理和存储上位机程序发送过来的信息继电器模块显东处理模块执行相应命令后的结果；存储模块负责存储上位机对处理模块的设置；电源模块负责整个系统的供电；控制模块负责配合上位机程序对整个模块进行相应的控制。

2 硬件设计

2.1 STM32F107 嵌入式微控制器

STM32F107 是 意 法 半 导 体 公 司 生 产 的 基 于ARMCortex-M3 内核的STM 系列的32 位互连型微处理器。STM32F107 的时钟频率可达到72 MHz ,使其处理速度比同级别的基于ARM7TDMI 的产品快30% ,是同类型产品中性能最高的产品。处理器内置嵌套向量中断控制器(NVIC),并且使用尾联技术,使得背靠背中断的响应只要6 个时钟周期,从而大大提高了中断事件的处理速度。而且STM32F107 系列芯片内部集成了一个10/100 MbitVs 以太网媒体控制器( MAC) ,尽管芯片内部没有集成PHY 功能，但该MAC 控制器既支持较早的MII接口，也支持便于简化电路设计的RMII 接口,这样使设计人员可以根据需要灵活选择PHY 芯片,从而使微控制器可以实现不同通信要求的网络功能。

2.2 RMII 接口的以太网模块

本文设计的以太网PHY 芯片采用美国国家半导体公司生产的DP83848 芯片, DP83848 可实现10/100Mbits 的传输速度,提供了MII 和RMII 两种接口规范连接到媒体存储介质层( MAC)。MII 规范为每个端口提供16 根引脚,用于数据和控制应用(8 位数据线和8 位控制线)。RMII 规范将数据接口从4 位数据减少为2 位数据,将控制减少到了3 个信号,相比MII 减少了引脚数目以及其他应用中的信号布线。因此，在本设计中采用RMI 模式与微处理器连接。

2.3 存储模块

另外，系统中存储模块采用富士通半导体公司生产的FM24C04 芯片,FM24C04 是用先进的铁电技术制造的4 Kbits的非易失性的存储器。接口方式为工业标准的两线接口与串行E'PROM 的功能操作相似，不同之处在于铁电存储器比EPROM写速度快得多，无延时。系统用FM24C04 对STM32F107 芯片进行IP 地址、子网掩码、端口号等设置的存储。3 系统软件设计

系统软件设计主要由STM32F107 微控制器软件编程和上位机控制软件组成。在此只介绍STM32F107微控制器软件编程部分。

嵌人式网络控制器主要实现网络数据收发、继电器控制,并且可通过USB 接口进行继电器控制和网络参数的设置。软件部分采用μC/OS II 嵌入式实时操作系统,并移植LwIP 协议栈实现网络通信功能。主函数进行初始化操作后,根据系统设计需求建立5 个任务：网络数据处理任务、USB 数据处理任务、系统监控任务、数据存储任务、控制显示任务。各任务之间通过邮箱、信号量和消息队列进行通信。除了主要应用任务之外,还有3 个中断服务子程序：①网络数据接收中断,用于把接收到网络数据存人缓冲区；②USB 数据接收中断,用于把接收的USB 数据存人缓冲区；③定时器中断，用于为操作系统提供周期性的信号源。

3 LwIP 网络协议栈的移植

本设计主控芯片STM32F107 中的MAC 控制器和外部PHY 芯片构成了网络传输的物理层和数据链路层,系统要实现网络通信需要协议栈的支持来构成网络传输的网络层和传输层。本设计采用瑞士计算机学院(SICS)AdamDunkels 等人开发的TCP/IP 协议栈一-LwIP。

4 结束语

提出了-种基于STM32 微控制器外接网络PHY 芯片的网络控制系统的解决方案,本方案具有体积小、结构简单、功耗低的优点,软件采用实时操作系统和嵌人式网络协议栈的设计方案,设计灵活、可靠,可以满足对实时控制要求比较高的应用。该设计经过多次实际试验,网络通信稳定、可靠,具有广泛的设计参考意义和实用价值。