STM32F207和DM9161A的以太网实现方案

摘要：电力抄表系统常通过网络采集和传输电网中的谐波等信息。本文提出了一种适合电力系统的网络设计方案。在STM32F207和DM9161A为核心的硬件平台上，完成了LwIP协议栈的移植，实现了远程终端和上位机通信。使电力系统更具实时性与交互性，并保证了通信的可靠性。
关键词：电力系统；LwIP协议；以太网

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产重。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。
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。

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。HR911105A是电路的网络接口。

网络控制部分的电路板如图2所示。

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。
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40 KB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(transp ort 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。