基于STM32车联网网络电路搭建及分析*

罗洋坤

0 引言

车联网网络电路的搭建决定了车联网控制终端网络通信性能。国内外在远车联网控制方面的研究涉及多种无线电技术和互联网技术[1]。在国外，远程控制技术已经广泛应用于汽车领域[2]。随着嵌入式与网络通信等技术的发展，国内外提出了多种远程车联网方案[3]。而基于STM32芯片进行车联网网络电路方案的电路设计还不够成熟。例如，代成刚等基于STM32设计了远程数据采集器[4]。但是网络通信质量难以达到车联网要求。4G网络具有传输速度高、实时性好的优点[5]。如何基于STM32设计较好的网络电路与4G网络设备连接实现组网是研究重点。车联网网络电路搭建是基于以太网接口进行网络控制电路的设计，提出了基于嵌入式控制芯片和网络模块搭建网络电路进行车联网电路设计的方法。

1 网络电路搭建方案

控制中心主要负责发送车联网终端设备控制指令和接收车联网终端设备信息，控制终端主要负责接收控制命令和发送数据信息。从PC机到车联网终端设备的数据传输过程：PC机通过控制界面发出控制指令到服务器，服务器更新控制指令，车联网设备通过4G无线路由器主动连接服务器，定时获取最新控制指令。从车联网终端设备到PC机的数据传输过程：车联网终端设备通过4G无线路由器定时传输信息到服务器，服务器更新信息并反馈给PC机。第四代移动通信技术可在不同的无线平台和网络中提供服务[6]。采用4G无线方式进行通信，只有身份验证通过才能建立连接[7]。谢相博等基于4G设计的无人机远程巡航系统可以实现远程飞行控制[8]。根据车联网控制的实际需要，在进行网络通信时需要选择稳定性能更好的通信协议，在选择传输层的协议时，主要分为TCP和UDP。UDP是一种面向无连接的协议，TCP面向连接。UDP通信协议不使用“连接套接字”，可多播通信，但不能保证传输数据可靠性，而TCP通信协议可保证数据通信可靠性。使用TCP/IP协议当数据传输出现错误，数据会重发直至正确。TCP通过Socket发送和接收，通过传输连接请求区分。对可靠性要求较高的车联网系统一般采用TCP协议。

网络电路搭建方案可以分成两种。第一种通过软件协议栈的设计思路。比如通过STM32、LAN8720的网络电路搭建方法，但是这种方法导致软件编程复杂，会使得车联网其它程序开发难度较大。因此，采用硬件嵌入式协议栈的设计方法，通过STM32、W5200的网络电路搭建方法。具体设计思路如下。

嵌入式处理器种类很多，包括8位、16位、32位单片机。STM32F407是性价比较高的一款32单片机。STM32F407芯片基于ARM Cortex-M3架构。基于STM32F407芯片设计网络通信控制电路。基于STM32F407控制芯片设计车联网网络电路可以充分发挥STM32F407在中断、频率、功耗模式方面的特性。STM32F407拥有完善的时钟启动机制，在启动时选择系统时钟，复位时内部8 MHz晶振作为CPU时钟，可使用多个预比较器用于配置AHB频率，包括高速APB2和低速APB1，高速APB2最高频率为72 MHz，低速APB1最高频率为36 MHz，这种时钟模式和启动机制完全满足车联网网络电路的设计要求，其时钟频率较高，保证了整个网络通信速度。STM32F407有自动电源管理电路，通过上电复位确保从2 V正常启动，当电压异常车联网网络电路会自动复位，提高了网络电路的稳定性。STM32F407支持3种低功耗模式，在休眠模式下，只有CPU停止工作，通过中断/事件唤醒；在停止模式下，以最小的功耗保持SRAM和寄存器的内容，通过外部中断线从停止模式唤醒；在待机模式下，SRAM和寄存器的内容会清除，当外部复位时退出待机模式。停止模式或待机模式情况下相关时钟源继续运行，这三种模式可使网络电路在低功耗、较短启动时间、可用唤醒源三者之间找到平衡点。

网络模块使用W5200，STM32F407控制芯片通过串行外设接口连接W5200模块进行通信，SPI接口间通信实际速度可以达到50 MHz。STM32肯定会与多个SPI设备相连，需要分清楚哪个SPI设备有效，SPI总线中有一根片选信号线可以选择W5200设备。而SCK、MOSI、MISO三个信号线则是被SPI设备共用。SCK是时钟信号线，STM32芯片性能决定了时钟频率有多快。STM32方面用SPI来支持W5200网络芯片的读写操作，这样是为了使用DMA功能来提高网络通信的实时性能。W5200使用了网络唤醒模式，收到数据包时被唤醒，这样可降低网络电路的功耗。W5200支持的协议包括TCP、UDP等。W5200有32 kB数据缓存空间，通过socket可以实现网络通信，与其他以太网控制器相比具有开发成本低的优势，降低了通信编程难度和复杂度。W5200有8个端口，正常工作电压为3.3 V，最大承受电压是5 V。W5200由通用寄存器、Socket寄存器、TX内存和RX内存组成，引脚信号包括微控制器接口信号、电源信号、时钟信号、物理层信号、综合信号。通过物理层的SPD引脚来选择100M/10M速度模式。W5200的硬件源地址寄存器的硬件源地址使用以太网MAC层唯一MAC地址。W5200与STM32F407通信采用SPI接口，与以太网PHY通信采用MII接口。步进电机控制器的STM32F407芯片与W5200进行数据通信时使用了SCLK、SCS、MOSI、MISO四个引脚。设计的W5200接口电路如图1所示。

为实现网络电路重启后车联网信息不丢失，使用AT24C02芯片来实时更新和保存车联网设备的运行参数，通过该存储模块进行保存，防止断电或系统重启导致的信息丢失，存储电路如图2所示。STM32F407处理器通过控制SCL和SDA两条信号线实现对AT24C02芯片的读写操作，通过3.3V电源电路为其供电。

图1 W5200接口电路

图2 存储电路

2 网络电路搭建方案分析

经过测试，基于W5200设计的网络电路存在过热导致死机和网络通信性能下降的情况，因此通过电源开关控制的方法可以提高网络通信性能。设定网络电路定时工作时间为5分钟，5分钟之后网络电路暂停工作，1分钟后继续工作。这样可以提高网络通信性能，可以防止网络电路过热造成的死机情况。但是，由此造成了在网络电路暂停工作区间无法进行网络通信，这将造成车联网实时性能和稳定性的下降。为此，改进了网络单一网络模块通信电路模式，选择两个W5200交替工作，通过设计有自动定时功能的继电器电路作为两个W5200交替工作的选择信号，在通过STM32接收继电器开关信号后选择启动某个W5200模块工作，这样可以避免一个W5200模块工作造成长时间工作导致的严重发热问题和死机问题，大大提高了网络通信电路的稳定性和通信质量。设计的定时器继电器连接电路如图3所示。

此外，为了改善网络电路性能，通过大量电路性能试验，得出以下经验。设计的PCB电路板大小要能够合理布置所有的电子元器件，并尽可能占用较小的尺寸面积，最终确定PCB电路板大小为10 cm×10 cm。电子元器件根据实际使用情况进行选型和布置，选择常用的元器件封装类型，为减小占用面积选择贴片式的电阻和电容。USB供电电路布置在电路板边缘附近，方便供电和程序的下载。其他元器件整齐、有一定间隔的进行布置，布置完毕后先进行自动布线，再通过手动布线调整走线，在完成布线后仔细检查是否有错误，确定没有布线错误后，最后对PCB电路板进行正面和背面的覆铜。

图3 定时器继电器连接电路

3 结束语

在设计完成的网络接口电路和存储电路的基础上，今后还需要增加设计复位电路、USB供电电路。此外，还需要设计电源隔离保护电路，进一步保护步进电机控制器的核心电路。

参考文献：

［1］ Oksanen T，Linkolehto R，Seilonen I.Adapting an in⁃dustrial automation protocol to remote monitoring of mo⁃bile agricultural machinery：a combine harvester with IoT ［J］.IFAC-PapersOnLine， 2016， 49 （16）：127-131.

［2］Duan Y E，Niu X J..Research on Farmland Information Acquisition System Based on IoT ［J］.Advanced Materi⁃als Research，2012，532-533：1085-1089.

［3］李雪刚，黄梦醒，朱东海.基于物联网技术的远程农田监控系统设计［J］.计算机工程，2012，38（17）：20-23.

［4］代成刚，任德均，蒋涛，等.基于STM32的远程多数据采集器的设计［J］.机电工程技术，2013（05）：31-34.

［5］王德麾，冯军帅，宋海亮，等.基于无线传感器网络和3G/4G的远程环境监测系统研究［J］.物联网技术，2015（03）：17-18.

［6］周薇薇.4G移动通信技术及其发展趋势分析［J］.信息通信，2013（08）：246-246.

［7］罗建，周丽兰.基于嵌入式技术的异步电机远程监控系统实现［J］.工业控制计算机，2011，24（10）：15-16.

［8］谢相博，徐光辉，范凯鑫，等.基于4G的无人机远程巡航系统［J］.通信技术，2015（11）：1305-1309.