嵌入式以太网串口服务器.docx
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嵌入式以太网串口服务器
嵌入式以太网串口服务器
摘要：
本文提出了一种以高性能微处理器Cortex-M3芯片STM32F103C8T6和以太网控制芯片ENC28J60为核心的转换系统，实现串口（RS232）和网口（RJ45）的数据通过以太网互发，提高了传输数据的抗干扰性，节省了更新换代的成本，达到了远程控制、远程通信的目的。
1、引言
随着Internet快速发展与普及，将一些设备联入网络已经成为越来越多人的共识。
利用基于TCP/IP的串口数据流传输的实现来控制管理的设备硬件，无需投资大量的人力、物力来进行管理、更换或者升级，而串口服务器是为RS-232/485/422到TCP/IP 之间完成数据转换的通讯接口转换器。
2、嵌入式以太网串口服务器的硬件设计
本系统主要有三大模块组成，分别是由微处理器芯片STM32F103C8T6构成的MCU模块，由网络控制芯片ENC28J60与含RJ45和网络变压器的HR91105A构成的网口模块，由串口控制芯片MAX-232与RS232接口构成的串口模块。
设备发送过来的信息通过串口模块之后，送入MCU进行处理，然后通过网络模块发送至以太网进行显示。
如图一所示为服务器的系统设计框图。
图1系统设计框图
2.1、MCU模块
本系统设计引用了嵌入式应用方面性价比高的Cortex—M3STM32F103C8T6作为处理器，Cortex—M3类型的STM32F103C8T6处理器采用表面贴片的48管脚LQFP封装，最高工作频率为72MHZ,工作温度为-40℃～+85℃。
其具有提供丰富的外围接口，包括（CAN、I2C、SPI、UART、USB等）低功耗、门数少、中断延迟小、调试容易，支持TCP/IP协议栈中的IP/ICMP/TCP/UDP/DHCP等协议，动态获取IP，，支持标准socket编程等优点。
2.2、串口模块
几乎所有的微控制器、PC都提供串行接口，使用电子工业协会（EIA）推荐的RS-232-C标准。
由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与STM32F103系统的LVTTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，所以，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。
目前我们用USB-232电平转换芯片PL2303HX，实现USB转串口的功能。
本系统采用PH2303HX芯片和USB接口设计了一个实现USB转串口接口模块。
PL2303单独使用12MHZ晶振，这是USB必须使用的频率，其采用模块化电路，RXD接单片机TXD,TXD接单片机的RXD。
其连接电路如图2所示：
图2USB转串口电路模块
2.3、网口模块
ENC28J60是带有行业标准串行外设接口（SerialPeripheralInterface,SPI）的独立以太网控制器。
它可以作为任何配备有SPI的控制器的以太网接口。
ENC28J60符合IEEE802.3的全部规范，采用一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。
还提供了一个内部的DMA模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算。
与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI实现，数据传输速率高达10mb/s。
两个专用的引脚用于连接LED,进行网络活动状态指示。
ENC28J60总共只有28引脚，提供QFN/TF。
ENC28J60典型应用电路如图3所示：
图3ENC28J60典型应用电路
以太网串口服务器网络模块采用ENC28J60作为主芯片，单芯片即可实现以太网接入，利用该模块，基本上只要是个单片机，就可以实现以太网的连接，网络模块原理图如图4所示：
图4网络模块原理图
3、嵌入式以太网串口服务器的软件初始化
3.1、uip简介
uIP由瑞典计算机科学学院（网络嵌入式系统小组）的AdamDunkels开发。
其源代码由C语言编写，并完全公开。
uIP协议栈去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，简化了通讯流程，但保留了网络通信必须使用的协议，设计重点放在了IP/TCP/ICMP/UDP/ARP这些网络层和传输层协议上，保证了其代码的通用性和结构的稳定性。
由于uIP协议栈专门为嵌入式系统而设计，因此还具有如下优越功能：
1）代码非常少，其协议栈代码不到6K，很方便阅读和移植。
2）占用的内存数非常少，RAM占用仅几百字节。
3）其硬件处理层、协议栈层和应用层共用一个全局缓存区，不存在数据的拷贝，且发送和接收都是依靠这个缓存区，极大的节省空间和时间。
4）支持多个主动连接和被动连接并发。
5）其源代码中提供一套实例程序：
web服务器，web客户端，电子邮件发送程序（SMTP客户端），Telnet服务器，DNS主机名解析程序等。
通用性强，移植起来基本不用修改就可以通过。
6）对数据的处理采用轮循机制，不需要操作系统的支持。
由于uIP对资源的需求少和移植容易，大部分的8位微控制器都使用过uIP协议栈,而且很多的著名的嵌入式产品和项目（如卫星，Cisco路由器，无线传感器网络）中都在使用uIP协议栈。
uIP相当于一个代码库，通过一系列的函数实现与底层硬件和高层应用程序的通讯，对于整个系统来说它内部的协议组是透明的，从而增加了协议的通用性。
uIP协议栈与系统底层和高层应用之间的关系如图5所示：
图5uip在系统中的位置
从上图可以看出，uIP协议栈主要提供2个函数供系统底层调用：
uip_input和uip_periodic。
另外和应用程序联系主要是通过UIP_APPCALL函数。
当网卡驱动收到一个输入包时，将放入全局缓冲区uip_buf中，包的大小由全局变量uip_len约束。
同时将调用uip_input（）函数，这个函数将会根据包首部的协议处理这个包和需要时调用应用程序。
当uip_input（）返回时，一个输出包同样放在全局缓冲区uip_buf里，大小赋给uip_len。
如果uip_len是0，则说明没有包要发送。
否则调用底层系统的发包函数将包发送到网络上。
uIP周期计时是用于驱动所有的uIP内部时钟事件。
当周期计时激发，每一个TCP连接都会调用uIP函数uip_periodic（）。
类似于uip_input（）函数。
uip_periodic（）函数返回时，输出的IP包要放到uip_buf中，供底层系统查询uip_len的大小发送。
由于使用TCP/IP的应用场景很多，因此应用程序作为单独的模块由用户实现。
uIP协议栈提供一系列接口函数供用户程序调用，其中大部分函数是作为C的宏命令实现的，主要是为了速度、代码大小、效率和堆栈的使用。
用户需要将应用层入口程序作为接口提供给uIP协议栈，并将这个函数定义为宏UIP_APPCALL（）。
这样，uIP在接受到底层传来的数据包后，在需要送到上层应用程序处理的地方，调用UIP_APPCALL（）。
在不用修改协议栈的情况下可以适配不同的应用程序。
3.2、程序设计
本系统要实现TCP/IP通信，还要实现和串口交换数据,因此我们采用轮询的方式，第一次调用轮询函数的时候创建两个定时器，当收到包的时候（uip_len>0）,先区分是IP包还是ARP包，针对不同的包做不同的处理，对我们来说，主要是通过uip_input处理IP包，实现数据处理。
当没有收到包的时候（uip_len=0）,通过定时器处理各个TCP/UDP连接以及ARP表处理。
其轮询处理函数为：
//uip事件处理函数
//必须将该函数插入用户主循环,循环调用.
voiduip_polling（void）
{
u8i;
staticstructtimerperiodic_timer,arp_timer;
staticu8timer_ok=0;
if（timer_ok==0）//仅初始化一次
{
timer_ok=1;
timer_set（&periodic_timer,CLOCK_SECOND/2）;//创建1个0.5秒的定时器
timer_set（&arp_timer,CLOCK_SECOND*10）;//创建1个10秒的定时器
}
uip_len=tapdev_read（）;//读取一个IP包,数据长度.uip_len在uip.c中定义
if（uip_len>0）//有数据
{
//处理IP数据包（只有校验通过的IP包才会被接收）
if（BUF->type==htons（UIP_ETHTYPE_IP））//是否是IP包?
{
uip_arp_ipin（）;//去除以太网头结构，更新ARP表
uip_input（）;//IP包处理
//当上面的函数执行后，如果需要发送数据，则全局变量uip_len>0
//需要发送的数据在uip_buf,长度是uip_len（这是2个全局变量）
if（uip_len>0）//需要回应数据
{
uip_arp_out（）;//加以太网头结构，主动连接时可能要构造ARP请求
tapdev_send（）;//发送数据到以太网
}
}
elseif（BUF->type==htons（UIP_ETHTYPE_ARP））//处理arp报文,是否是ARP请求包?
{
uip_arp_arpin（）;
//当上面的函数执行后，如果需要发送数据，则全局变量uip_len>0
//需要发送的数据在uip_buf,长度是uip_len（这是2个全局变量）
if（uip_len>0）tapdev_send（）;//需要发送数据,则通过tapdev_send发送
}
}elseif（timer_expired（&periodic_timer））//0.5秒定时器超时
{
timer_reset（&periodic_timer）;//复位0.5秒定时器
//轮流处理每个TCP连接,UIP_CONNS缺省是40个
for（i=0;i{
uip_periodic（i）;//处理TCP通信事件
//当上面的函数执行后，如果需要发送数据，则全局变量uip_len>0
//需要发送的数据在uip_buf,长度是uip_len（这是2个全局变量）
if（uip_len>0）
{
uip_arp_out（）;//加以太网头结构，主动连接时可能要构造ARP请求
tapdev_send（）;//发送数据到以太网
}
}
#ifUIP_UDP//UIP_UDP
//轮流处理每个UDP连接,UIP_UDP_CONNS缺省是10个
for（i=0;i{
uip_udp_periodic（i）;//处理UDP通信事件
//当上面的函数执行后，如果需要发送数据，则全局变量uip_len>0
//需要发送的数据在uip_buf,长度是uip_len（这是2个全局变量）
if（uip_len>0）
{
uip_arp_out（）;//加以太网头结构，主动连接时可能要构造ARP请求
tapdev_send（）;//发送数据到以太网
}
}
#endif
//每隔10秒调用1次ARP定时器函数用于定期ARP处理,ARP表10秒更新一次，旧的条目会被抛弃
if（timer_expired（&arp_timer））
{
timer_reset（&arp_timer）;
uip_arp_timer（）;
}
}
}
TCP应用接口函数：
//TCP应用接口函数（UIP_APPCALL）
//完成TCP服务（包括server和client）和HTTP服务
voidtcp_demo_appcall（void）
{
switch（uip_conn->lport）//本地监听端口80和1200
{
caseHTONS（80）:
httpd_appcall（）;
break;
caseHTONS（1200）:
tcp_server_demo_appcall（）;
break;
default:
break;
}
switch（uip_conn->rport）//远程连接1400端口
{
caseHTONS（1400）:
tcp_client_demo_appcall（）;
break;
default:
break;
}
}
除此之外，我们需要对串口进行初始化，并建立相应的串口程序文件，便于其它函数的调用，实现串口上数据的交换。
串口函数初始化：
voiduart_init（u32bound）{
//GPIO端口设置
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDefUSART_InitStructure;
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE）;//使能USART1，GPIOA时钟以及复用功能时钟
//USART1_TXPA.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;//复用推挽输出
GPIO_Init（GPIOA,&GPIO_InitStructure）;
//USART1_RXPA.10
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
GPIO_Init（GPIOA,&GPIO_InitStructure）;
//Usart1NVIC配置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;//抢占优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=3;//子优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;//IRQ通道使能
NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）;//根据指定的参数初始化VIC寄存器
//USART初始化设置
USART_InitStructure.USART_BaudRate=bound;//一般设置为9600;
USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1;//一个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No;//无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx;//收发模式
USART_Init（USART1,&USART_InitStructure）;//初始化串口
USART_ITConfig（USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE）;//开启中断
USART_Cmd（USART1,ENABLE）;//使能串口
}
主函数的实现是对整个嵌入式以太网串口服务器的统筹管理，实现系统的有序整合和运行。
其主函数为：
intmain（void）
{
delay_init（）;//延时函数初始化
NVIC_Configuration（）;//NVIC中断分组2:
2位抢占优先级，2位响应优先级
uart_init（9600）;//串口初始化为9600
RTC_Init（）;//初始化RTC
while（tapdev_init（））//初始化ENC28J60如果初始化失败，就会死在这里
{
delay_ms（200）；
};
uip_init（）;//uIP初始化
uip_ipaddr（ipaddr,192,168,1,105）;//设置本地设置IP地址uip_sethostaddr（ipaddr）;
uip_ipaddr（ipaddr,192,168,1,1）;//网关IP地址（其实就是你路由器的IP地址）
uip_setdraddr（ipaddr）;
uip_ipaddr（ipaddr,255,255,255,0）;//设置网络掩码
uip_setnetmask（ipaddr）;
uip_listen（HTONS（80））;//监听80端口,用于WebServer
uip_listen（HTONS（1200））;//监听1200端口,用于TCPServer
tcp_client_connect（）;//尝试连接到TCPServer端,用于TCPClient
udp_server_connect（）;//尝试连接到UDPClient端,用于UDPServer端口1600udp_client_connect（）;//尝试连接到UDPServer端,用于UDPClient端口1500
while
（1）
{
uip_polling（）;//处理uip事件，必须插入到用户程序的循环体中
if（uip_test_mode==0）{//TCP测试
if（tcp_server_tsta!
=tcp_server_sta）//TCPServer状态改变
{if（tcp_server_sta&（1<<6））//收到新数据
{
printf（"TCPServerRX:
%s\r\n",tcp_server_databuf）;//打印
tcp_server_sta&=~（1<<6）;//标记数据已经被处理
}
tcp_server_tsta=tcp_server_sta;
}
if（tcp_client_tsta!
=tcp_client_sta）//TCPClient状态改变
{
if（tcp_client_sta&（1<<6））//收到新数据
{
printf（"TCPClientRX:
%s\r\n",tcp_client_databuf）;//打印
tcp_client_sta&=~（1<<6）;//标记数据已经被处理
}
tcp_client_tsta=tcp_client_sta;
}
}else{//UDP测试
if（udp_server_sta&（1<<6））//收到新数据
{
printf（"TCPServerRX:
%s\r\n",udp_server_databuf）;//打印数据
udp_server_sta&=~（1<<6）;//标记数据已经被处理
}
if（udp_client_sta&（1<<6））//收到新数据
{
printf（"UDPClientRX:
%s\r\n",udp_client_databuf）;//打印数据
udp_client_sta&=~（1<<6）;//标记数据已经被处理
}
}
if（FLAG1）{//TCP/UDP模式切换
if（uip_test_mode==0）{
tcp_server_tsta=0XFF;
tcp_client_tsta=0XFF;
}
uip_test_mode=!
uip_test_mode;
}
if（FLAG2）//TCPServer请求发送数据
{
if（uip_test_mode==0）{
if（tcp_server_sta&（1<<7））//连接还存在
{
sprintf（（char*）tcp_server_databuf,"%d\r\n",tcnt）;
tcp_server_sta|=1<<5;//标记有数据需要发送
}
}else{
sprintf（（char*）udp_server_databuf,"%d\r\n",tcnt）;
udp_server_sta|=1<<5;//标记有数据需要发送
tcnt++;
}
}
if（FLAG3）//TCPClient请求发送数据
{
if（uip_test_mode==0）{
if（tcp_client_sta&（1<<7））//连接还存在
{
sprintf（（char*）tcp_client_databuf,"%d\r\n",tcnt）;
tcp_client_sta|=1<<5;//标记有数据需要发送
}
}else{
sprintf（（char*）udp_client_databuf,"%d\r\n",tcnt）;
udp_client_sta|=1<<5;//标记有数据需要发送
tcnt++;
}
}
delay_ms
（1）;
}
}
4、结束语
随着数字化、智能化仪器的飞速发展，采用以太网进行通信的应用将会越来越广泛。
以太网串口服务器是网络技术与单片机技术的完美结合，用它可以方便的实现嵌入式的以太网联接，可以广泛的应用于智能交通、汽车电子、工业控制、信息家电、医学仪器等各种嵌入式系统应用场合，并且在成本、体积、功耗、灵活性等方面具有明显的优势，能为智能化仪表与
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