基于STM32的校园能耗监控系统的以太网接口设计*

王晓丽 姜 川 于 跃

(吉林建筑大学电气与电子信息学院，长春 130118)

以太网(Ethernet)是互联网技术的一种．以太网是指遵守IEEE 802．3标准组成的局域网，由IEEE802．3标准规定的主要是位于参考模型的物理层(PHY)和数据链路层中的媒体介入控制子层(MAC)［1］．以太网渗透到工业控制、环境监测、智能家居的嵌入式设备产生了接入互联网的需求，利用以太网技术，嵌入式设备可以非常容易地接入到现有计算机网络中．高校是能源消耗较大的社区，对信息的准确性、实时性的要求也较严格．笔者设计使用高性能微处理器STM32F103VET6作为主控芯片，采用STM32外接常用的嵌入式以太网控制器ENC28J60接入网络，并选择移植LwIP协议栈的方式．以太网接口代替传统串行接口，加快了数据传输速率，同时可以实行远程控制，具有抗干扰能力强、实时性高及数据处理能力强等优势，并且移植协议栈方便了不同系统、不同设备之间的通信．

1 芯片介绍

1．1 STM32F103VET6 芯片

STM32F103VET6是基于ARM Cortex-M3核的32位处理器芯片，该芯片具有体积小、耗能低以及性能高等优势．其最高工作频率为72MHz;内置高速存储器(512KB Flash，64KB RAM);2个基本定时器;4个通用定时器;2个高级定时器;3个SPI;2个IIC;5个串口;1个USB;1个CAN;3个12位ADC;1个12位DAC;1个SDIO接口;1个FSMC接口以及80个通用IO口．

1．2 ENC28J60 芯片

ENC28J60是带有行业标准串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的独立以太网控制器，它可作为任何配备有SPI的控制器的以太网接口．ENC28J60符合IEEE 802．3的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制，提供了一个内部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．图1为使用ENC28J60的典型应用电路．要将单片机连接到速率为10Mbps的以太网，只需ENC28J60，2个脉冲变压器和一些无源元件即可．

图1 ENC28J60典型应用电路

2 硬件电路设计

ENC28J60的主要功能模块SPI接口充当主控器与ENC28J60之间的通信信道．STM32F103VET6具有3个SPI接口，可以直接地与ENC28J60连接．图2为10M以太网ENC28J60的硬件原理图．

图2 10M以太网ENC28J60的硬件原理

本次设计中，STM32单片机的PA4-SPI1-NSS引脚与ENC28J60-CS连接，完成片选．当多个SPI设备与MCU相连时，每个设备的这个片选信号线是与MCU单独的引脚相连的;当SS信号线为低电平时，片选有效，开始SPI通信．STM32单片机的PA5-SPI1-SCK与ENC28J60-SCK引脚连接，时钟信号由主通信设备产生，不同的设备支持的时钟频率不一样，STM32的SPI时钟频率最大为fPCLK/2;STM32单片机的PA6-SPI1-MISO，PA7-SPI1-MISI分别与ENC28J60-SO，ENC28J60-SI引脚连接，完成数据的传输与接收．由于ENC28J60内部稳压器无法驱动外部负载，所以电源引脚必须与同一个3．3V电源相连，并且在每个电源引脚与地之间都应连接一个0．1μF的电容．

在ENC28J60芯片的OSC2和OSC1引脚之间连接25MHz晶振以及2个20pF的接地电容，能够为ENC28J60提供较精确的时钟信号，同时也可节省PHY的晶振．以太网变压器在实现以太网接口操作时是不可缺少的，本设计中，在差分发送引脚(TPOUT+/TPOUT-)上，需要外接一个带有中心抽头的1∶1脉冲变压器［2］．本设计中采用的是集成以太网隔离变压器RJ45插座HR91105A．

3 软件设计

本接口设计选用开发环境MDK，在MDK环境下可以使用C/C++方便地开发Cortex-M3的应用程序．与其他开发程序相比，MDK具有入门容易、使用方便，并在调试程序、软件仿真方面也有很强大的功能．

以太网收发数据程序流程如图3所示．主程序通过查询的方式发送数据，采取通过判断函数返回值方式是否接收到数据，若接收到数据，通过指针把数据包传递给上层的LwIP协议栈进行处理，完成数据包的收取．收发数据主程序主要包括系统及外设的初始化、以太网控制器的初始化、发送数据、接收数据和应用处理等部分．

图3 以太网收发数据程序流程

3．1 STM32 库

STM32库是由ST公司针对STM32提供的函数接口，即API(Application Program Interface)，开发者可以调用这些库函数接口来配置STM32的寄存器，使开发人员得以脱离最底层的寄存器操作，有开发速度快、易于阅读、维护成本低等优点．实际上，库是架设在寄存器与用户驱动层之间的代码，向下处理与寄存器直接相关配置，向上为用户提供平配置寄存器的接口［3］．本设计采用最新的STM32的3．5版库文件，相对于以往版本的库文件兼容性更好．

3．2 LwIP 协议栈

要实现TCP/IP协议栈，代码可以自行编写，但一般都会移植更加稳定优良的代码．LwIP是Light Weight Internet Protocol的缩写，是由瑞士计算机科学院Adam Dunkels等开发的适用于嵌入式领域的轻量级TCP/IP协议栈，它可以移植到含有操作系统的平台中，也可以在无操作系统的平台下运行．由于其开源，占用的RAM和ROM比较少，支持较为完整的TCP/IP协议，且十分便于剪裁、调试，被广泛地应用于中、低端的32位操作平台［4］．该协议栈提供了一组API函数应用程序调用，编程方便［5］．

LwIP通过pbuf建立了与底层硬件收发数据包的数据结构，可以实现数据的管理;netif结构体则保存了网卡地址、IP地址、网关等设置的这些信息．下面例举部分LwIP_Init()函数，其主要功能是初始化LwIP协议栈，主要是把ENC28J60与LwIP连接起来，包括IP，MAC地址，接口函数．代码如下:

4 仿真与应用

MDK仿真工具强大，本设计软件调试部分利用MDK软件针对STM32进行仿真，执行工程中的代码．仿真结果如下图4所示．

图4 仿真逻辑仪结果

图5 Web服务器运行结果

构成网络应用的软件有不同的结构，有B/S结构(浏览器/服务器)和C/S(客户端/服务器)．本网络接口设计中HTTP服务器其是基于B/S结构的，用户运行应用程序时通过访问Web调用服务器的应用程序，并通过浏览器把结果显示给用户．该以太网接口应用于校园能耗监控系统中，所以设计出一款可以远程控制LED灯亮灭的简单应用，其运行结果如图5所示．

5 结语

以STM32作为主控芯片结合以太网控制器设计的10M以太网接口，具有电路连接简单、通信距离远、可实现网络传输功能等优点．在校园能耗监控系统中，将传感器采集的数据编写成MAC数据包格式通过该接口发送给上位机，现场控制器也可通过该接口接收上位机发送的命令，进而实现了监控系统的管理控制一体化，而且使用该以太网接口既保证了数据传输的可靠性，又能最大程度的减少对现有建筑物的改造和破坏，所以，在当今社会节约能源的强烈需求下，该设计具有更广阔的应用前景．

［1］王延尧．以太网技术与应用［M］．北京:人民邮电出版社，2005:2-3．

［2］陈 磊．以太网在工业应用中的实时特性研究［J］．浙江大学学报(工学版)，2004，38(6):29-31．

［3］李 宁．基于MDK的STM32处理器开发应用［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2008:5-7．

［4］孔 栋．嵌入式TCPIP协议栈LWIP在ARM平台上的移植与应用［J］．通信技术，2008，41(6):38-40．

［5］王桂云．基于ARM7的以太网接口的设计与实现［J］．微计算机信息，2009，25(2):124-125．