电子信息工程毕业论文基于stm32无线数据基站的设计和实现

本科毕业设计 （ 20 届） 题 目 基于 线数据基站的设计和实现 学 院 电子信息学院 专 业 电子信息工程 姓 名 陈洁 班 级 09091813 学 号 09918307 指导教师 周磊 完成日期 20 年 3 月 诚 信 承 诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于 线数据基站的设计和实现均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日 摘 要 随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活中各种数据接收的速度和准确度的要求就显得尤为重要，无线数据收发控制就是一个典型的例子，因此无线数据基站就是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统。 本设计通过 制无线收发模块从无线网络节点接收数据，进行相关处理后 通过以太网把数据发送至应用服务器。系统的用户统用户通过 络访问应用服务器，其中本设计起到网桥和防火墙的作用。其中本设计中采用的以太网控制器为 片。 本设计软件部分的主要工作是在硬件平台的基础上实现 P 协议栈，由于P 协议栈较复杂，功能实现比较困难，一般选择成熟的 P 协议栈进行移植，此次选择开源并且较成熟的 太网协议栈。 关键词： 以太网 P 协议栈 of s is is a is a to to a of in of is in on IP IP is to IP P 目 录 1 引言 . 1 2 概述 . 2 课题研究的背景 . 2 国内外 制以太网技术发展现状及趋势 . 3 研发方向和技术关键 . 4 主要技术指标 . 4 3 总体设计 . 5 系统方案选择与论证 . 5 系统软件总体结构 . 6 本章小结 . 7 4 硬件设计 . 9 主控芯片 . 9 口通讯 . 12 法介绍 . 16 本章小结 . 20 5 以太网协议 . 21 P 协议 . 21 嵌入式 P 协议栈 . 22 6 软件设计 . 26 主程序设计 . 26 系统初始化子程序 . 27 讯子程序 . 28 网 口通讯子程序 . 28 本章小结 . 29 7 结论 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 32 附录 . 33 - 1 - 1 引言 随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活中各种数据接收的速度和准确度的要求就显得尤为重要，无线数据收发控制就是一个典型的例子，因此无线数据基站就是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统。 目前，无线网络标准按照通讯距离的不同分为 较主流的无线技术有蓝牙、 3G、 其中 用最为广泛，其运用主要在 域。 无线网络推动了数据通信进入了新的里程碑，让办公、工作、学习不再受 “ 线 ”制。方便实现了移动办公，组建临时工作组，召开紧急会议等不在需要复杂的布线拆线，无线覆盖区域直接可以通过无线进行通信。校园环境等，可以让师生在任何环境，可以在广场、在草坪、在体育场地等任意位置连接上 着无线网络在各个领域的成功案例及人们对它的关注程度，无线网络定是未来通信的发展方向，也定能在各领域中得到很好的应用 。 本设计通过 制无线收发模块从无线 网络节点接收数据，进行相关处理后 通过以太网把数据发送至应用服务器。系统的用户统用户通过 络访问应用服务器，其中本设计起到网桥和防火墙的作用。其中本设计中采用的以太网控制器为 片。 - 2 - 2 概述 课题研究的背景 近几年来，随着科学技术日新月异的发展，计算机科技的快速发展，特别是互联网的快速普及，互联网在人类活动中也越来越紧密联系，尤其是对于工业控制和信息电器领域中同样有着越来越重要的应用。同时计算机，通讯，消费电子三合一的快速发展，数字化时代已经到来。而 嵌入式接入设备是数字化时代的一大主流标志，形态各异的计算机，通讯，消费电子三合一产品也将是网络接入设备的一大主流。因为 且成本费用较高，可靠性和期望值也有一定的距离，所以这种方案并没有被广泛的接受和使用。由于嵌入式设备具有低成本高性能的特点，而现今对嵌入式系统的开发研究和嵌入式技术也都进入到了一个成熟的阶段，将嵌入式系统和网络相结合来实现非网络系统的网络控制，那么世界可能就是另一番景象。 因特网技术的成熟，使得网上提供的信息 更加丰富，应用项目也更加多样，人们对网络的需求也越来越广泛，利用 传统的电器，电冰箱，微波炉，电视，空调等，这类电子设备的功能也不在单一，电器结构也更为复杂，也逐步开始应用嵌入式网络接入，使用户可以通过网络就能实现远程控制，信息通讯。同样，互联网在全球范围内的连通性，那些能够连接因特网的设备也成为人们选择产品中考虑的一大问题，通过 一些小型轻便的设备，比如一些医学仪器 上的身体上使用的传感器，体积小而且便宜，内存小，运算能力有限，因此必须在资源受限的情况下实现 底层到最高层分别是物理层和数据链路层，网络层，传输层，和最高层的应用层。物理层和数据链路层是 求提供给上层一个访问接口，以便传递 络层是第二层，也是整个 功能是把分组发往目标网络或主机，源主机与目的主机可以在同一个网上，也可以在不同的网上。其中定义了分组格式和协议，即 来对分组进行排序。 连接的数据报发传送服务的协议，提供的只是一种尽力而为的服务。传输层是第三层，负责在应用进程中的端到端之间的通信。传输层定义了两种服务质量不同的协议， 许将源主机的字节数据流无差别的传送到目的主机。 - 3 - 同时能够完成流量的控制功能，协调收发主机之间的发送和接受速度，从而控制正确的传输。应用层是最高层，其中也包括了很多协议：文件传送协议，简单邮件传送协议，简单网络管理协议，超文本传送协议等。 无操作系统都可以运行，其实现的重点是在保持 般只需要几百字节的 0使得 供专门的内部回调接口 样可以提高应用程序性能。 像 使用的操作系统通常不能在内核与应用层进程之间维持一个严格的保护屏障。 这里允许使用一种比较宽松的通许机制，通过共享内存的方式实现应用层与底层协议族之间的通讯。应用层可以知道底层协议使用的缓冲处理机制，这使得应用层可以有效的重复使用缓冲区。同样，应用层与网络代码使用的是相同的内存区，那么应用层就可以直接读写内部缓冲区。 国内外 制以太网技术发展现状及趋势 中国的嵌入式系统开发走过了二十多年的历程，有超过数十万名从事开发应用的工程师，但大多数以上是几个人的小组以孤军奋战的封闭方式开发几乎不可重用的软件。今天面对的是嵌入式系统工业化的潮流，如果不能认识到嵌入式 软件必须以工业化的方式生产开发，不理解在短时间内装配集成“数百人 /年”的嵌入式产品，那么将失去更多的上游产品的市场机遇。 嵌入式软件方面逐渐形成了系统软件、应用软件的架构。国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有 40 种左右。其中，国外涌现了一些著名的嵌入式操作系统，如 :中 目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统：一种 32 位的多任务操作系统，可以移植，能够开发多 种企业和客户类设备，是微软公司的“维纳斯计划”的核心： 3司的 场上占有很大的市场份额，它有开放的操作系统应用程序接口 (开发商可以根据需要自行开发所需要的应用程序。 国内外有大量嵌入式应用软件已广泛用于各类嵌入式系统中。大有国内紧跟国外趋势的形势。但是对于嵌入式 务器方面的研究国内现状不容乐观，目前国外的相关研究相对多些。如林 C/究项目，它是一个为微控制器和嵌入式系统而设计的小型 P 协议栈：又如 司的 P，它是为 8位或 16 位微处理器而设计的，支持大部分的标准协议，连接方式有以太网连接、拨号连接和直接连接方式。而国内也相应提出了 议标准，但是相对滞后， - 4 - 缺少具体的工程实现方面的研究和具体产品的开发。 美国 司开发的 统开发最早，技术也较成熟，应用也很广泛，但由于 作系统只能在 司的 列和 列服务器上运行， 应用受到很大限制。 司开发的高可用性集群系统 供了分布式集群系统的解决方案，通过将物理上分离的多个集群连接在一起使多 个同构或异构的计算机能够通过局域网或广域网共享计算资源，并能够为用户提供对资源的透明访问。 国内也有不少公司进行了集群系统的研究和开发工作。 联想公司在 1999 年 9 月推出了用于分布式高性能计算的 性能集群服务，该系统是一个四节点的系统，主要基于联想万全 45008 服务器，以总体成本相对较低的设备组合，足以替代传统班 型机和中型机的工作，而价格仅为市场上同等性能小型机的 1/20。 朗 讯 公 司 也 推 出 了 类 似 于 高 可 用 性 集 群 系 统 从国内外的研究现状看，目前集群系统的应用大都致力于高可用性问题的解决，真正基于负载均衡的集群系统还比较少，而且在大部分负载均衡集群中采用的都是轮转调度、加权轮转调度等静态调度算法。 研发方向和技术关键 （ 1）合理设计硬件电路，使各模块功能协调； （ 2） 控制； （ 3） 串口模块的控制 ； （ 4） P 协议栈的开发 ； 主要技术指标 （ 1）合理设计硬件电路，使各模块功能协调 （ 2） 以实现对数据的处理和传输。 （ 3）对 控制的数据的传输 - 5 - 3 总体设计 统方案选择与论证 总体设计思路，分为三部分，无线数据采集部分，网络控制部分，控制部分。并利用 用 以处理和传递下系统相关参数。 设计模块图如图 示。 图 整体模块图 制部分 方案 在本次设计中，单片机是系统的控制核心，所以单片机的性能关系到整个系统的好坏。因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。单片机种类 很多， 列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 核。按性能分成两个不同的系列：强型 ”系列和 本型 ”系列。增强型系列时钟频率达到72同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为 36 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能，是 16 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪 存，不同的是 最大容量和外设接口的组合。时钟频率 72，从闪存执行代码， 耗 36 32 位市场上功耗最低的产品，相当于 因此，在本次设计中选用了 片机作为主控芯片。 线 数据采集部分方案 本设计有单片机控制无线模块，接收从无线网络的数据，并经过单片机进行处理，通过网络控制部分传送给 收。 通过 线网络把数据上传至主通信节点，主通信节点对数据进行进一步处理，通过以太网把数据发送至应用服务器。 无线网络数据信号 络控制 服务器 - 6 - 络控制部分 方 案 方案一： 采用基于 现以太网通讯。 由台湾 司生产的 100装 10太网控制器， 符 和 I 与 准 ，其应用成熟广泛，但是由于 方案需要在主控制器内部编写以太网通讯协议、程序繁琐、耗费时间，不利于系统的快速开发和稳定运行。且由于其封装引脚太多，也不方便系统的硬件设计。 方案二： 采用基于 网络控制器的以太网通讯系统设计。 一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太采用较小工艺 10/100M 自适应的以太网收发器。 准数字接口连接到 ，支持 是目前常见的一款物理层收发器，由于全球的 成度不断提高，由 衍生到现在的 以太网部分的成本，逐渐降低。 方案三： 采用基于 网络控制器的设计。 带有行业标准串行外设 口的独立以太网控制器，具有28装，符合 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。他还提供了一个内部 块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的 验和计算。与主控制器的通信通过两个中断引脚和 现，传输数据速率高达 10Mb/s。两个专用的引脚用于连接 行网络活动状态指示。虽然样也没有像 样集成了了内部硬件协议栈，但是由于其具有28装，大大便于硬件设计和制版，符合我们这次系统设计的基本要求。 综上所述所述，方案二和方案三都适合作为本次设计 的网络控制部分，由于条件所限我们选择方案二。 系统软件总体结构 系统软件总体结构如图 3示，整个程序是围绕 片机设计的，软件程序采用模块化设计，更容易理解和调试。整个程序除主程序之外还有 5 个部分：系统初始化子程序、 讯子程序、网口通讯子程序、 I/O 数据采集子程序和 讯子程序。 - 7 - 主 程 序系统初始化子程序R S 23 2通讯子程序网口通讯子程序R S 48 5通讯子程序I / 0口数据采集子程序图 3件结构图 主程序流程图如图 3示。系统运行后进入主程序，首先对系统硬件进行初始化，而后再对网络进 行初始化，然后检查网络连接是否正常，连接正常则进行周期运行显示，不正常则重新进行连接。 系 统 硬 件 初 始 化开 始系 统 网 络 初 始 化周 期 运 行 显 示 更 新检 查 网络 连 接是 否 正常程序流程图 章小结 本章主要讲述了 本设计 的工作原理和本设计系统的工作流程。在说明工作原 - 8 - 理的过程中，突出了电路的组成单元以及这些单元如何实现 数据 采集和 数据处理控制功能。在说明系统流程时，结合本设计的内容指出了参数设置的方法和意义 。 - 9 - 4 硬件设计 主控芯片 32 位 构， 72行 频率， 件除法和单周期乘法，并可快速可嵌套中断， 612 个时钟周期，有 64K256 及高达 64 外在网络通信功能上，具有一个 络接口，支持 10M/100M 自适应网络，还有一个 线网络通讯接口，一个 本开发板上，添加了一些人机交互接口，一个大屏幕320*240,262144 色 持 口式 /总线接口，四个 光管，一个电源 示灯，另外一个标准 机 接口，一个五方向的输入摇杆， 3个 键， 1 个 键，以及音频级处理芯片， 能能，支持外接鼠标和键盘。串行通信功能上，有两个 接插座，其中一个 硬件流控制引脚，一个 座，两个 接口。其中与以太网最重要的硬件是 质访问控制）及其专用的 用的 制器允许专用 描述符之间高速传输，其中一些地址过滤模式，对物理和组发送地址，以及 32 位状态编码，用于每个传送和接受帧。内部的 于缓存传输和接受帧，传输 接受 是 2共 4物图如图 示： 图 物图图 括以下特性： 1. 支持 10 和 100s 两种速率 2. 专用 制器允许专用 描述符之间高速传输。 3. 标记的 支持，支持 拟局域网 ) 4. 半双工和全双工两种操作模式，半双工下采用 D（ 带有检测冲突的载波侦听多路存取 ） - 10 - 5. 支持 制子层，用于控制帧。 6. 32 位 生和清除。 7. 一些地址过滤模式，对物理和组播地址。 8. 32 位状态编码，用于每个传 送和接受帧。 9. 内部 于缓存传输和接收帧。传输 接收 是 2计 4 10. 支持硬件 确时间协议 )，时间戳比较器连接到 发输入端。 当系统时间比预定目标时间大时，触发中断。 以太网功能描述 持两种工业标准的物理层接口，默认的介质无关接口 精简的介质无关接口 以太网的外设由 一个专用的 制器，支持默认的 口或者精简 口。 制器接口通过 从接口连接核和内存， 接口控制数据传输当 接口访问控制盒状态寄存器空间。在 传输前，传输 系统内存中读取数据，类似的，接受的 列从线上储存以太网帧从而知道它们被 送到了系统内存中。 以太网的外设还包括一个 于和外部的 信。配置寄存器允许用户为 制器选择想要的模式和特性。 图 太网原理框图 管理接口 管理接口）允许应用程序通过一根时钟数据线来读取配置中任意一个物理寄存器，接口最多支持访问是 32 个 用 - 11 - 程序可以在 允许下选择 32 个 的其中一个，再在 32 个寄存器中的任意一个来发送控制数据或者接受状态信息。但是在给定的时间里，只能访问一个 的寄存器。 如图 示，图中微控制器执行使 钟线和 据线来为交替的功能 I/O 扣。 一个用于给数据传输提供时间参考的周期性时钟，最大的频率为 小的 高低时间是每次 160小 的周期是 400得注意的是，在不工作的情况下， 理接口驱动 钟信号为低，即为 0。而 数据输入和输出数据是要用 钟信号来同步传输状态信号给物理设备，或者从物理设备那得到状态信号。 图 理接口框图 操作 当应用程序设置介质无关接口 和忙位时， 过传输 地址，的寄存器地址以及写数据来启动一个写操作到 存器上。当然，在传输过程中应用程序不能改变 地址寄存 器中的内存或者是 据寄存器。在这个写操作的时间里，任何对 址寄存器和 据寄存器的写操作都会被忽略（忙时位为高，即为 1），保证传输过程无差错完成。这个写操作完成之后，通过复位忙位，使得可以重新接受新的写操作。 图 操作 读操作 用户设置以太网 地址寄存器中的 ， 零， 通过传输 址和 的寄存器的地址，然后在 存器中就启动一个读操作。同样的，在传输过程中应用 程序不能改变 址寄存器- 12 - 中的内容或者 据寄存器中的内容。同时在读操作过程中，对 址寄存器和 据寄存器的写操作也会被忽略（ 高，即为 1），保证传输过程不差错，能够正确完成。读操作完成后， 位 后用从 读到的数据来更新 据寄存器。 图 操作 口通讯 串口是相当丰富的，功能也很强劲。最多可提供 5 路串口（ 用的是 有 3 个串口），有分数波特率发 生器、支持单线光通信和半双工单线通讯、支持 能卡协议和 串口 3 支持）、具有 。 图 85 电路 串口最基本的设置，就是波特率的设置。 串口使用起来还是蛮简单的，只要你开启了串口时钟，并设置相应 的模式，然后配置一下波特率，数据位长度，奇偶校验位等信息，就可以使用了。下面，我们就简单介绍下这几个 - 13 - 与串口基本配置直接相关的寄存器。 1，串口时钟使能。串口作为 一个外设，其时钟由外设时钟使能寄存器控制，这里 我们使用的串口 1 是在 存器的第 14 位。 里不再介绍。只是说明一点，就是除了串口 1 的时钟使能在 存器，其他串口的时钟使能位都在 2，串口复位。当外设出现异常的时候可以通过复位寄存器里面的对应位设置，实现该外设的复位，然后重新配置这个外设达到让其重新工作的目的。一般在系统刚开始配置外设的时候，都会先执行复位该外设的操作。串口 1 的复位是通过配置 存器的第 14 位来实现的。 存器的各位描述如下： 图 存器 位描述 从上图可知串口 1 的复位设置位在 第 14 位。通过向该位写 1复位串口 1，写 0 结束复位。其他串口的复位位在 面。 3 ，串口波特率设置。每个串口都有一个自己独立的波特率寄存器过设置该寄存器达到配置不同波特率的目的。该寄存器的各位描述如下： 、 图 存器 位描述 - 14 - 前面提到 分数波特率概念，其实就是在这个寄存器里面体现的。最低 4 位用来存放小数部分 15:4这 12 位用来存放整数部分 16 位未使用。 这里波特率的计算通过如下公式计算 。 这里的 x=1、 2）是给外设的时钟（ 于串口 2、 3、 4、 5， 于串口 1）， 一个无符号的定点数，它的值可以有串口的 存器值得到。而我们更关心的是如何从 值得到 值，因为一般我们知道的是波特率，和时 钟，要求的就是 值。 下面我们来介绍如何通过 到串口 存器的值，假设我们的串口 1 要设置为 9600 的波特率，而 时钟为 72M。这样，我们根据上面的公式有： 2000000/9600*16=么得到： 6*2=0468=0样，我们就得到了 值为 0要设置串口 1 的 存器值为0 可以得到 9600 的波特率。 4，串口控制。 每个串口都有 3 个控制寄存器 ，串口的很多配置都是通过这 3 个寄存器来设置的。这里我们只要用到 可以实现我们的功能了。 图 存器 位描述 3: 串口功能； 2: 长。 0: 1 个开始位， 8 个数据位， 1 位停止位（默认）； 1: 1个开始位， 9 位数据位， 1 位停止位（默认）； *注意：停止位的长度可在 存器中设置。 1: 醒功能 0: 校检使能位，当激活奇偶校验功能时，置位该位将自动往要传输数据的高位字节处插入就校验位。 9: 0：偶校验； 1：奇校验。 8: 7: 发送缓冲区空中断使能位 6: 发送完成中断使能位 5: 接收缓冲区非空中断使能位 - 15 - 4: 3: 2: 1: 0: ， 数据发送与接收。 发送与接收是通过数据寄存器 实现的，这是一个双寄存器，包含了 向该寄存器写数据的时候，串口就会自动发送，当收到收据的时候，也是存在该寄存器内。该寄存器的各位描述如下： 图 存器 位描述 可以看出，虽然是一个 32 位寄存器，但是只用了低 9 位（ :0），其他都是保留。 :0为串口数 据，包含了发送或接收的数据。由于它是由两个寄存器组成的，一个给发送用 (一个给接收用 (该寄存器兼具读和写的功能。 存器提供了输入移位寄存器和内部总线之间的并行接口。 当使能校验位 ( 被置位 )进行发送时，写到 值 (根据数据的长度不同， 第 7 位或者第 8 位 )会被后来的校验位该取代。当使能校验位进行接收时，读到的 是接收到的校验位。 6，串口状态。串口的状态可以通过状态寄存器 取。 图 存器 位描述 - 16 - 这里我们关注一下两个位，第 5、 6 位 数据寄存器非空），当该位被置 1 的时候，就是提示已经有数据被接收到了，并且可以读出来了。这时候我们要做的就是尽快去读取 过读 以将该位清零，也可以向该位写 0，直接清除。 送完成），当该位被职位的时候，表示 的数据已经被发送完成了。如果设置了这个位的中断，则会产生中断。该位也有两种清零方式： 1）读 2）直接向该位写 0。 一款完全集成的和符合成本效益单芯片 快速以太网 采用较小工艺 10/100M 自适应的以太网收发器。 过可变电压的 准数字接口连接到 ，支持 是目前常见的一款物理层收发器，由于全球的 成度不断提高，由早先的衍生到现在的 以太网部分的成本，逐渐降低。 有如下特点 装 电电压 拟部分 接方式（推荐使用 P 硬加速 5%的厂家的 全兼容，是 荐使用的单口 注：目前 持的温度范围是 0而工业级的 支持 85。在应用过程中， 出现的错误是，晶振的连接，以及网络变压器的匹配，所以应该慎重选择。 脚图如下所示： - 17 - 图 脚图 脚说明 16脚 4：输入脚，传输错误或者是第五个 100兆模式下，此脚为高，同时 停信号代替实际的数据。在 10兆模式下这个输入脚被忽略，在旁路模式下（旁路 4脚变成 脚，第五个 20,19,18,17脚 0:3 发送数据， 4位数据输入（与 10兆或者 100兆的半字节模式，在 10兆的 7线）下， 0被用作串行数据输入脚， 1:3被忽略。输入脚即芯片发送数据给它，它接收后再发送。 21脚 输使能，高电平表示 0:3上数据是合法的在 10兆或者 100兆模式下。 在 10兆的 7线）下，高电平显示 0上数据合法。 22脚 出脚，当刚上电时是输入脚，拉低，发送时钟脚，为 250兆半字节模式， 10兆是 10兆 7是 7线好像只用单线传输）。 上电复位时是输入， 0：寄存器 ,1：寄存器 . 24脚 入脚，管理数据的时钟脚， 个时钟由管理芯片提供