船用嵌入式保護(hù)裝置通信接口設(shè)計

周 鑫，張維佳

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

隨著嵌入式設(shè)備的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用廣泛。以太網(wǎng)接口以其傳輸速度快，效率高，實時性好等特點廣泛運用于各嵌入式系統(tǒng)中，是信息傳遞的重要組成部分。在船用綜合保護(hù)裝置中，多采用以太網(wǎng)MODBUS/TCP 通信，經(jīng)常出現(xiàn)一對多進(jìn)行通訊，本文采取嵌入式多個網(wǎng)口，可以很好的解決這一問題。通過以ARM 內(nèi)核的STM32F103zet6 單片機作為系統(tǒng)控制核心部分，dm9000c 作為網(wǎng)卡用于接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，通過軟件編程，實現(xiàn)下位機與上位機之間的TCP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信。

1 芯片介紹

STM32F103 采是由STM 公司生產(chǎn)的32 位FLASH 存儲器單片機，采用的是ARM Cortex-M3內(nèi)核的增強型芯片。其最高工作頻率為72MHZ，內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑和寄存器都是32 位。具有高功能、低功耗、方便開發(fā)。以太網(wǎng)接口是一個重要的外設(shè)，通過雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度最快可達(dá)到100 MBPS 或1GBPS。

DM9000C，一個10/100M 自適應(yīng)的PHY 和4K DWORD 值的SRAM 。

DM9000C 是一款完全集成的、性價比高、引腳數(shù)少、帶有通用處理器接口的單芯片快速以太網(wǎng)控制器，并且DM9000C 屬于并口網(wǎng)卡。通過采用STM32 的FSMC 接口來驅(qū)動DM9000C。該DM9000C 適用于提供支持8 位，16 位和32 位數(shù)據(jù)接口訪問內(nèi)部存儲器，以支持不同的處理器。dm9000c 的特性可以自適應(yīng)10、100M 收發(fā)器，內(nèi)置16K 字節(jié)的SRAM，支持硬件幀校驗，并且dm9000c 存在多種型號，有100 引腳，48 引腳?？梢赃m用于不同型號的單片機芯片。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體框架

本項目采取通過STM32F103zet6 單片機同時控制2 個DM9000C 網(wǎng)卡芯片，連接兩個客戶端，實現(xiàn)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

首先在main 函數(shù)中對DM9000C 進(jìn)行初始化，并設(shè)置好中斷優(yōu)先級，再將發(fā)送的數(shù)據(jù)以TCP/IP幀格式進(jìn)行封包處理，然后將數(shù)據(jù)通過FSMC 寫入SRAM 中，之后DM9000C 通過軟件編程實現(xiàn)的TCP 通信協(xié)議將數(shù)據(jù)從網(wǎng)口發(fā)送給上位機。兩個網(wǎng)口都是通過上述方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，且不會發(fā)生沖突。

STM32F103zet6 單片機通過接受中斷來接受發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。DM9000C 先將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收后，放入緩存當(dāng)中，同時給單片機發(fā)送中斷信號，單片機接到中斷信號后，就會開始執(zhí)行程序代碼從FSMC 中將DM9000C 緩沖中的數(shù)據(jù)讀取出來，進(jìn)行相應(yīng)的邏輯解析得到數(shù)據(jù)。這里要注意的是，兩個網(wǎng)口存放數(shù)據(jù)的地址是不一樣的，從DM9000C 中得到的數(shù)據(jù)要分別存放到不同緩存區(qū)，并且如果是兩個DM9000C 傳輸，會產(chǎn)生兩個接收數(shù)據(jù)中斷信號，這時要設(shè)置不同的中斷優(yōu)先級，來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)處理的先后順序，以免中斷被另一中斷打斷。

通過將DM9000C 的片選信號CS與單片機的NE2 相連，當(dāng)FSMC_NE2 發(fā)送低電平信號時，此時運行當(dāng)前DM9000C 芯片，注意的是另一個DM9000C 片選信號鏈接單片機的 NE1。DM9000C 的讀寫信號RD 與WR 分別與單片機的NEW 和NOE 相連，另一個DM9000C 的鏈接方式一樣。

CMD 信號決定單片機是收發(fā)命令還是數(shù)據(jù)，當(dāng)為1 時，就是控制DM9000C 進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作，當(dāng)為0 時，就是控制DM9000C 進(jìn)行寫命令操作。

2.2 軟件接口設(shè)計

首先在程序中將DM9000c 初始化：設(shè)置好接收中斷函數(shù)，以及中斷優(yōu)先級。

并且分別定義 DM9000c 網(wǎng)卡芯片接在FSMC 的數(shù)據(jù)地址。

#define DM9000_DATE_BASE 0x60000002

這是其中一個數(shù)據(jù)地址；#define DM9000_DATE_BASE2 0x64000002

這是另一個數(shù)據(jù)地址，然后將接收到的數(shù)據(jù)存入到不同的緩存區(qū)。

這樣數(shù)據(jù)都已經(jīng)寫入到了緩存當(dāng)中，同理另一個網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)。之后將接收的數(shù)據(jù)按相應(yīng)的邏輯處理即可。

將已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)，通過前面定義好的地址發(fā)送出去

由于定義的地址不同，所以兩個網(wǎng)口的數(shù)據(jù)并不會互相沖突。

2.2 驅(qū)動DM9000C 讀寫寄存器

圖2 DM9000c 讀時序

圖3 DM9000c 寫時序

想要實現(xiàn)讀寫寄存器，就必須先控制好CMD引腳。

先分別定義好兩個dm9000c 芯片的基地址，這里舉其中一個來說明。

需要注意的是讀dm9000 里面的數(shù)據(jù)時，需要判斷數(shù)據(jù)的長度和dm9000 讀取數(shù)據(jù)時的狀態(tài)是否正常，這里可以根據(jù)需要做相應(yīng)邏輯上的異常處理。

在dm9000c 中，還有一些PHY 寄存器，PHY寄存器的地址空間為5 位。對這些寄存器的操作會影響網(wǎng)卡芯片的初始化和網(wǎng)絡(luò)連接。一般不對它進(jìn)行操作，一般PHY 寄存器采用分頁技術(shù)，基本上所有的PHY 芯片擴展都采用這種類似方案

至此，我們已經(jīng)寫好了兩個最基本的函數(shù): int dm9000_tx()和structpbuf *dm9000_rx()。

3 網(wǎng)絡(luò)模塊軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)包的發(fā)送

dm9000c 將SRAM 作為緩存區(qū)用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其中發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存區(qū)大小為3KB。數(shù)據(jù)包以結(jié)構(gòu)體的形式發(fā)送到輸出數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)。我們可以將這個結(jié)構(gòu)體理解成為一個鏈表，這樣傳輸數(shù)據(jù)的效率將會更高。

我們將playload 作為一個指針指向這個結(jié)構(gòu)體起始的位置。用len 表示數(shù)據(jù)的長度。

Stm32 在發(fā)送數(shù)據(jù)之前通常會關(guān)閉dm9000網(wǎng)卡中斷，然后將數(shù)據(jù)寫到SRAM 中，每次只寫一個字的數(shù)據(jù)，并判斷其長度。隨后設(shè)置好發(fā)送寄存器，然后將SRAM 里的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。這時如果緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)沒有了，則表示已經(jīng)發(fā)送完成。之后再次將指針指向起始的位置。如果發(fā)送不成功則直接返回結(jié)束，并清除中斷標(biāo)記。詳細(xì)的流程圖如下：

由于是多個以太網(wǎng)口，需要注意的是發(fā)送數(shù)據(jù)的地址是不一樣的。

3.2 數(shù)據(jù)包的接收

dm9000 接收數(shù)據(jù)的方式是通過中斷的形式接收的。接收數(shù)據(jù)之前會將中斷標(biāo)志清零并產(chǎn)生一個互斥變量鎖住dm9000c，避免這時處理其他信息導(dǎo)致處理信息紊亂。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)通過crc16 校驗后，會產(chǎn)生一個中斷信號，這個時候stm32 就可以在接收中斷發(fā)生時，接收數(shù)據(jù)包并讀取數(shù)據(jù)包的長度，隨后按照TCP 協(xié)議將其進(jìn)行解析，具體的流程圖如下：

圖4 數(shù)據(jù)包發(fā)送流程圖

圖5 數(shù)據(jù)包接收流程圖

要注意的是，接收數(shù)據(jù)時擴開內(nèi)存空間時，要選用2 個不同的內(nèi)存空間，以免照成2 個網(wǎng)口接收數(shù)據(jù)紊亂，數(shù)據(jù)被互相覆蓋。并且判斷數(shù)據(jù)長度時如果小于64 或者大于設(shè)定的數(shù)據(jù)最大長度時，要將數(shù)據(jù)丟除。

4 TCP 通信實驗

通過STM32 對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封包和解析后。再通過dm9000c 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用tcp 通信進(jìn)行實驗驗證：

將STM32 作為服務(wù)器，將PC 端作為客戶端，將PC 端地址設(shè)為192.168.1.102，將服務(wù)器的2個網(wǎng)口芯片的IP 地址分別設(shè)為192.168.1.100；192.168.1.101。分別在PC 端ping 這兩個IP 地址，發(fā)現(xiàn)丟包率為0。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的以太網(wǎng)接口的可靠性高，傳輸速度快，丟包率低。為嵌入式設(shè)備通訊提供了有效的方案。

5 結(jié)束語

本文章介紹了，dm9000c 與stm32 單片機的硬件接口方案以及軟件接口方案和數(shù)據(jù)收發(fā)的原理以及軟件實現(xiàn)的流程。并通過TCP 網(wǎng)絡(luò)通信實驗驗證了該設(shè)計的可行性。