嵌入式以太网串口服务器

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1、嵌入式以太网串口服务器 嵌入式以太网串口服务器摘要：本文提出了一种以高性能微处理器Cortex-M3芯片STM32F103C8T6和以太网控制芯片ENC28J60为核心的转换系统，实现串口（RS232）和网口（RJ45）的数据通过以太网互发，提高了传输数据的抗干扰性，节省了更新换代的成本，达到了远程控制、远程通信的目的。1、 引言随着Internet快速发展与普及，将一些设备联入网络已经成为越来越多人的共识。利用基于TCP/IP的串口数据流传输的实现来控制管理的设备硬件，无需投资大量的人力、物力来进行管理、更换或者升级，而串口服务器是为RS-232/485/422到TCP/IP之间完成数据转换

2、的通讯接口转换器。2、嵌入式以太网串口服务器的硬件设计本系统主要有三大模块组成，分别是由微处理器芯片STM32F103C8T6构成的MCU模块，由网络控制芯片ENC28J60与含RJ45和网络变压器的HR91105A构成的网口模块，由串口控制芯片MAX-232与RS232接口构成的串口模块。设备发送过来的信息通过串口模块之后，送入MCU进行处理，然后通过网络模块发送至以太网进行显示。如图一所示为服务器的系统设计框图。图1 系统设计框图2.1、MCU模块本系统设计引用了嵌入式应用方面性价比高的CortexM3 STM32F103C8T6作为处理器，CortexM3类型的STM32F103C8T6

3、处理器采用表面贴片的48管脚LQFP封装，最高工作频率为72MHZ,工作温度为-40 +85。其具有提供丰富的外围接口，包括（CAN、I2C、SPI、UART、USB等）低功耗、门数少、中断延迟小、调试容易，支持TCP/IP 协议栈中的IP/ICMP/TCP/UDP/DHCP 等协议，动态获取IP，支持标准socket 编程等优点。2.2、串口模块几乎所有的微控制器、PC 都提供串行接口，使用电子工业协会（EIA） 推荐的RS-232-C 标准。由于RS-232-C 标准所定义的高、低电平信号与STM32F103 系统的LVTTL 电路所定义的高、低电平信号完全不同，所以，两者间要进行通信必须

4、经过信号电平的转换。目前我们用USB-232电平转换芯片PL2303HX，实现USB转串口的功能。本系统采用PH2303HX芯片和USB接口设计了一个实现USB转串口接口模块。PL2303单独使用12MHZ晶振，这是USB必须使用的频率，其采用模块化电路，RXD接单片机TXD,TXD接单片机的RXD。其连接电路如图2所示：图2 USB转串口电路模块2.3、网口模块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。它可以作为任何配备有SPI的控制器的以太网接口。ENC28J60符合IEEE 802.3的全部规范，采用一

5、系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。还提供了一个内部的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。两个专用的引脚用于连接LED,进行网络活动状态指示。ENC28J60总共只有28引脚，提供QFN/TF。ENC28J60典型应用电路如图3所示： 图3 ENC28J60典型应用电路以太网串口服务器网络模块采用ENC28J60作为主芯片，单芯片即可实现以太网接入，利用该模块，基本上只要是个单片机，就可以实现以太网的连接，网络模块原理图如图4所示： 图4 网络模块原理图 3、嵌入式以太网串口服务器的软件初始化3

6、.1、uip简介uIP 由瑞典计算机科学学院(网络嵌入式系统小组)的Adam Dunkels 开发。其源代码由C 语言编写，并完全公开。uIP 协议栈去掉了完整的TCP/IP 中不常用的功能，简化了通讯流程，但保留了网络通信必须使用的协议，设计重点放在了IP/TCP/ICMP/UDP/ARP 这些网络层和传输层协议上，保证了其代码的通用性和结构的稳定性。由于uIP 协议栈专门为嵌入式系统而设计，因此还具有如下优越功能：1） 代码非常少，其协议栈代码不到6K，很方便阅读和移植。2） 占用的内存数非常少，RAM 占用仅几百字节。3） 其硬件处理层、协议栈层和应用层共用一个全局缓存区，不存在数据的拷

7、贝，且发送和接收都是依靠这个缓存区，极大的节省空间和时间。4） 支持多个主动连接和被动连接并发。5） 其源代码中提供一套实例程序：web 服务器，web 客户端，电子邮件发送程序(SMTP 客户端)，Telnet 服务器， DNS 主机名解析程序等。通用性强，移植起来基本不用修改就可以通过。6） 对数据的处理采用轮循机制，不需要操作系统的支持。由于uIP 对资源的需求少和移植容易，大部分的8 位微控制器都使用过uIP协议栈, 而且很多的著名的嵌入式产品和项目(如卫星，Cisco 路由器，无线传感器网络)中都在使用uIP 协议栈。uIP相当于一个代码库，通过一系列的函数实现与底层硬件和高层应用程

8、序的通讯，对于整个系统来说它内部的协议组是透明的，从而增加了协议的通用性。uIP协议栈与系统底层和高层应用之间的关系如图5所示： 图5 uip在系统中的位置从上图可以看出，uIP 协议栈主要提供2 个函数供系统底层调用：uip_input 和uip_periodic。另外和应用程序联系主要是通过UIP_APPCALL 函数。当网卡驱动收到一个输入包时，将放入全局缓冲区uip_buf 中，包的大小由全局变量uip_len约束。同时将调用uip_input()函数，这个函数将会根据包首部的协议处理这个包和需要时调用应用程序。当uip_input()返回时，一个输出包同样放在全局缓冲区uip_buf

9、 里，大小赋给uip_len。如果uip_len 是0，则说明没有包要发送。否则调用底层系统的发包函数将包发送到网络上。uIP 周期计时是用于驱动所有的uIP 内部时钟事件。当周期计时激发，每一个TCP 连接都会调用uIP 函数uip_periodic()。类似于uip_input()函数。uip_periodic()函数返回时，输出的IP 包要放到uip_buf 中，供底层系统查询uip_len 的大小发送。由于使用 TCP/IP 的应用场景很多，因此应用程序作为单独的模块由用户实现。uIP 协议栈提供一系列接口函数供用户程序调用，其中大部分函数是作为C 的宏命令实现的，主要是为了速度、代码

10、大小、效率和堆栈的使用。用户需要将应用层入口程序作为接口提供给uIP 协议栈， 并将这个函数定义为宏UIP_APPCALL()。这样，uIP 在接受到底层传来的数据包后，在需要送到上层应用程序处理的地方，调用UIP_APPCALL( )。在不用修改协议栈的情况下可以适配不同的应用程序。3.2、程序设计本系统要实现TCP/IP 通信，还要实现和串口交换数据,因此我们采用轮询的方式，第一次调用轮询函数的时候创建两个定时器，当收到包的时候（uip_len0),先区分是IP包还是ARP包，针对不同的包做不同的处理，对我们来说，主要是通过uip_input处理IP包，实现数据处理。当没有收到包的时候（u

11、ip_len=0）,通过定时器处理各个TCP/UDP连接以及ARP表处理。其轮询处理函数为：/uip事件处理函数/必须将该函数插入用户主循环,循环调用.void uip_polling(void)u8 i;static struct timer periodic_timer, arp_timer;static u8 timer_ok=0; if(timer_ok=0)/仅初始化一次timer_ok = 1;timer_set(&periodic_timer,CLOCK_SECOND/2); /创建1个0.5秒的定时器 timer_set(&arp_timer,CLOCK_SECOND*10);

12、 /创建1个10秒的定时器 uip_len=tapdev_read();/读取一个IP包,数据长度.uip_len在uip.c中定义if(uip_len0) /有数据 /处理IP数据包(只有校验通过的IP包才会被接收) if(BUF-type = htons(UIP_ETHTYPE_IP)/是否是IP包? uip_arp_ipin();/去除以太网头结构，更新ARP表uip_input(); /IP包处理/当上面的函数执行后，如果需要发送数据，则全局变量 uip_len 0/需要发送的数据在uip_buf, 长度是uip_len (这是2个全局变量) if(uip_len0)/需要回应数据ui

13、p_arp_out();/加以太网头结构，主动连接时可能要构造ARP请求tapdev_send();/发送数据到以太网else if (BUF-type=htons(UIP_ETHTYPE_ARP)/处理arp报文,是否是ARP请求包?uip_arp_arpin(); /当上面的函数执行后，如果需要发送数据，则全局变量uip_len0/需要发送的数据在uip_buf, 长度是uip_len(这是2个全局变量) if(uip_len0)tapdev_send();/需要发送数据,则通过tapdev_send发送 else if(timer_expired(&periodic_timer)/0.5

14、秒定时器超时timer_reset(&periodic_timer);/复位0.5秒定时器 /轮流处理每个TCP连接, UIP_CONNS缺省是40个 for(i=0;i0/需要发送的数据在uip_buf, 长度是uip_len (这是2个全局变量) if(uip_len0)uip_arp_out();/加以太网头结构，主动连接时可能要构造ARP请求tapdev_send();/发送数据到以太网#if UIP_UDP/UIP_UDP /轮流处理每个UDP连接, UIP_UDP_CONNS缺省是10个for(i=0;i0/需要发送的数据在uip_buf, 长度是uip_len (这是2个全局变量)if(uip_len 0)uip_arp_out();/加以太网头结构，主动连接时可能要构造ARP请求tapdev_send();/发送数据到以太网#endif /