STM32F207和DM9161A的以太网实现方案

王涛，范寒柏，王磊，陈邵权

（华北电力大学 电气与电子工程学院，保定071003）

引 言

随着经济的迅猛发展，用电需求量及电力负荷急剧增大，谐波作为目前电网中影响最为重要的一项指标，对电力系统的影响越来越严重。通过网络传输采集和分析谐波数据，以实现对谐波的有效监测，便于更有效地控制谐波对电子系统的危害。

本文给出了基于STM32F207及DM9161A 的以太网具体实现方案，为电力系统设备提供便捷高效的网络实现方法。

1 硬件的实现

基于STM32F207的以太网接口实质是内部的MAC单元控制PHY 的过程，两者通过MII／RMII接口传送数据。

MAC（Media Access Control）即媒体访问控制子层协议。该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。

PHY（Physical Layer）是物理接口收发器，它实现物理层的数据编码与解码，直接提供可使用的数据流到MAC层。

MII（Media Independent Interface，媒体独立接口）是指在不对MAC硬件重新设计或替换的情况下，任何类型的PHY 设备都可以正常工作；RMII（Reduced Media Independant Interface，简化媒体独立接口），是标准的以太网PHY 接口之一。

MII数据接口总共需要16个信号，由于其信号线较多，在实际中应用较繁琐。而RMII只需要7根信号线，大大减少了实际的物理连线，有效地降低了硬件的复杂度及成本。因此，此次实现采用RMII物理层接口。

意法半导体公司的STM32F207 系列处理器自带IEEE802.3的MAC，只需增加PHY 物理层芯片就可以连接到TCP／IP网络，此次实现是基于STM32F207ZGT6处理器［1］。

STM32F207以太网接口的特性如下：

◆支持10 Mb／s和100 Mb／s速率；

◆专用的DMA 控制器能够高速地传输数据；

◆支持VLAN 模式；

◆半双工／双工模式；

◆支持MAC控制层；

◆内置32位CRC校验。

STM32F207的以太网连接方式有MII和RMII两种接口，以下以 RMII 接口方式概述 DM9161A 与STM32F207处理器的硬件连接。

STM32F207提供标准的RMII硬件接口，只需要按照数据手册的标识进行对应连接即可，此次实现的连接方式如表1所列。

表1 STM32F207硬件连接表

DM9161A 的实现电路如图1所示。DM9161A 的RMII＿REF＿CLK 信号由STM32F207的内部MCO 提供，在简化了硬件设计的同时也可以减少硬件成本［2］。HR911105A 是电路的网络接口。

网络控制部分的电路板如图2所示。

图1 DM9161A硬件实现电路

图2 电力系统网络控制部分电路板

2 软件的实现

此部分的主要工作是在硬件平台的基础上实现TCP／IP协议栈，由于TCP／IP协议栈较复杂，功能实现比较困难，一般选择成熟的TCP／IP 协议栈进行移植，此次选择开源并且较成熟的LwIP以太网协议栈［3］。

LwIP（Light Weight IP）是瑞士计算机科学院开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP／IP协议栈，可移植性强，对资源要求较低，在实现TCP／IP 协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用。一般它只需要几百KB的RAM 和40KB 左右的ROM 就可以运行，这使得LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。

移植工作在ST 公司提供的STM32F207以太网接口驱动的基础上进行，针对DM9161A 芯片更改部分底层驱动代码，包括时钟配置、端口配置及PHY 地址配置等，移植工作一般需要几个小时即可完成。

LwIP提供了在TCP／IP 协议栈中比较常用的TCP及UDP两种功能。TCP是一种面向连接（连接导向）的、可靠的、基于字节流的运输层（transport layer）通信协议；UDP是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。TCP一般用于对数据可靠性要求较高，但是数据传输速度较低的情况。而UDP的传输速度较快，但是可靠性较低，需要应用层保证数据到达的有效性，而在此应用中需要传输的数据量较小，但是对可靠性要求较高，因此选择TCP通信模式。

LwIP提供了两套API：底层的基于回调（callback）的raw API和高层的顺序模型的API（类似BSD Socket）。

顺序模型的API为普通的顺序程序提供使用协议栈的API，和BSD 风格的API很相似，也是基于阻塞的open-read-write-close模式。鉴于TCP／IP 协议栈本身就基于时间，所以TCP／IP代码和应用程序的代码必须在不同的线程中，因此此种模式需要提供操作系统的支持。

而raw API可以让应用程序和TCP／IP 协议栈代码结合得更紧密。程序的执行也是基于事件的，使用回调函数的机制。这种方式TCP／IP 代码和应用代码运行在同一个线程中，因此这种模式可以在没有操作系统支持的情况下使用。

实际上，顺序模型的API也是基于raw API实现的。此次实现使用的是raw API，降低对硬件及软件资源的需求，而raw API是基于事件驱动的，在数据的响应速度上也存在一定的优势。

raw API的操作方法与顺序模型基本类似，只是程序的运行模式不一样，需要采用回调式的编程思想。基本动作包括建立连接、发送数据、接收数据、关闭连接4类，每一类根据不同的需求提供了不同的接口函数。

结 语

经过测试，在STM32F207 处理器及DM9161A 硬件平台上移植LwIP 协议栈可以实现TCP、UDP 等功能并稳定地运行，为后续基于此平台开发电力系统的通信网络提供良好的基础。

［1］STMicroelectronics.STM32F2XX advanced ARM-based 32-bit MCUs［EB／OL］.（2011-12-15）［2012-06-25］.http：／／www.st.com.

［2］DAVICOM Semiconductor Inc.DM9161A 10／100 Mbps Fast Ethernet Physical Layer Single Chip Transceiver［EB／OL］.（2009-10-16）［2012-06-25］.http：／／www.davicom.com.tw.

［3］Adam Dukels.Design and Implementation of the LwIP TCP／IP［EB／OL］.［2012-06-25］.http：／／wenku.baidu.com／view／e8b6dabbfd0a79563c1e7270.html.