基于LwIP协议栈的嵌入式网络控制系统设计

张超,王志超,林岩

()北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191

摘要:阐述了一种基于LwIP协议栈和STM32系列微控制器的工业嵌入式网络控制系统的硬件电路设计和软件框架设

计方案。设计中采用D设计了一种确认重传方式,能够保证现场数据与远程监控设备之间P83848作为网络控制芯片,数据的实时可靠传输。

关键词:嵌入式系统LwIP;STM32;

中图分类号:TP33 文献标识码:A

DesinofEmbeddedNetworkControlSstemBasedonLwIPProtocolStackgy

,sin.Akindofretransmissionmechanismisdesinedensurineal-timeandreliabledatatransmissionbetweenfielddataandremotegggr

basedonLwIPprotocolstackandSTM32familicrocontrollerareintroduced.DP83848isusedasthenetworkcontrolchiinthede-ymp

:,AbstractInthepaerthehardwarecircuitdesinandsoftwareframeworkdesinofanindustrialembeddednetworkcontrolsstempggy

(,,)SchoolofAutomationBeiinniversitfAeronauticsandAstronauticsBeiin00191,ChinajgUyojg1

,,ZhanhaoWanhichaoLinYangCgZ

:KeordsLwIP;STM32;embeddedsstemyyw

monitorinevices.gd

引 言

出接口都与控制芯片连接。另外,调试模块为JTAG调试接口,用于下载程序。系统硬件框图如图1所示。

目前工业控制系统流行的现场总线控制系统仍存在

通信标准尚未统一、部分仪表设备难以兼容、传输速率无法满足某些场合下的实时性要求等不足,将以太网技术引

1]

。近年来入到工业控制系统成为解决问题的关键方式[

出现的工业以太网采用全双工通信,是一种快速交换式以太网,解决了传统以太网数据传输延滞的“不确定性”问题,大大推进了工业以太网控制系统的发展。

传统嵌入式网络控制系统未有效解决多路数据监测控制和网络通信的实时性,硬件资源有限和依靠操作系统管理接口之间的矛盾,本系统解决方案采用无操作系统移植L实现通信控制逻辑,符合工业场wIP协议栈的方式,景的低成本、实时性、可靠性要求,具有重要的实际意义和应用价值。

图1 系统硬件框图

1.1 STM32F107控制芯片

为了满足多接口、多通信方式的工业网络控制系统要

1 硬件设计

处理器为核心,一方面经过MAC接口连接到DP83848网

络控制芯片,通过R构成网络J45和网线连接到以太网中,通信通路;另一方面多组开关量输入输出接口和模拟量输

本系统以意法半导体公司的STM32F107互连型微

系统的主控制器芯片,芯片内置48KB大小的RAM和

2]

。并集成了多种高性能工业标准接口[512KB的ROM,

求,本系统选择意法半导体公司推出的STM32F107作为

1.2 网络通信模块

同时STM32F107芯片及其外围电路作为系统控制核心,

也是LwIP协议栈移植的载体。

支持DP83848芯片是一款单路物理层网络控制芯片,/提供增强型E支持10100Mbs以太网通信,SD保护,p

3 4

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,另一方面,可使用25MHzDP83848与RJ45连接器连接,

标准网线直接接入以太网。图2为网络通信模块接口连

[4-5]

。本系统选择MMII和RMII等MAC数据接口II接

口模式与主控制器芯片连接,相应地外接参考时钟频率为

设置为高于网络中断的优先级。主程序流程图如图3所示。

线图。

图2 网络通信模块接口连线图

1.3 输入输出接口

出接口和2路模拟量输出接口,以适应一般工业应用场景。开关量输出接口应用耐高压达林顿输出光耦,开关量输入接口使用T实现电LP121光电耦合器进行光电隔离,平转换和抗干扰能力。模拟量输出接口输出电压控制使用S引脚输出电压最高为TM32芯片中的DAC模块,

需经过功率放大器电路得到要求的电压值。3.3V,

系统可扩展至80路开关量输入接口、32路开关量输

图3 主程序流程图

为了实现通信过程,程序中设有确认信息等待标志和重复回复信息标志等标志位,结合图4中的两个中断程序流程实现这两个标志位的作用。其中,定时器2计时时间,为5用于网络通信过程。0ms

系统中包含多路输入输出接口,在开关量输出部分和

开关量输入部分使用CD74HC259芯片和PCA8575D芯/片实现I每O扩展。CD74HC259具有可寻址锁存功能,80路输出。PCA8575D是具有中断功能的IC总线扩展

芯片,可保证32路开关量的并行输入监测。

2

片可实现8线复用模式,利用10片CD74HC259可控制

2 软件设计

2.1 系统软件架构设计

协议栈实现网络通信功能,利用S中断等TM32的定时、功能保证网络通信和数据的获取、控制并行运行。

系统中包含网络通信中断、开关量输入外部中断、定

2时器中断等中断源,同时IC等总线时序需保证不会被其

系统软件部分采用在无操作系统的环境下移植LwIP

图4 网络中断程序和定时器2中断程序流程图

他中断打断。为了减小中断和总线时序之间的影响,首先,将可被打断的数据处理过程放在主程序中,根据标志位判断是否处理,将从接收到回复命令的过程放在网络中断,网络中断设置为仅高于看门狗定时器中断的优先级;其次,将具有总线时序的过程放在优先级最高的中断中进行,保证总线传输的正确性;最后,将定时器中断的优先级

2.2 LwIP协议栈

LwIP协议栈是瑞士计算机学院开发的一套适用于

//嵌入式系统的开源T包含TCPIP协议栈,CPIP协议族

3]

。从的全部核心协议,支持操作系统和无操作系统环境[

软件实现角度来说,LwIP协议栈提供RAW、SOCKET和

敬请登录网站在线投稿 2019年第2期

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NETCONN三种接口方式。其中,RAW接口以回调函数的方式调用协议栈,是唯一一种可以在无操作系统环境下实现的接口方式。

[6]

率方面的表现不如TCP协议。现今网络控制芯片和网

络传输技术的加强使得U在应用层DP协议丢包率很低,

中增加优化措施可几乎完全确保传输的可靠性。实现一

_(){voidUDP_clientinitvoid

2.3 移植LwIP协议栈

一个方LwIP协议栈的移植过程主要包括两个方面:

面是软件相关的接口配置及初始化过程;另一个方面是创建UDP客户端。

个遵循UDP协议的客户端初始化代码如下:

……

_n并绑定本地 /*使用udew方法创建UDP协议控制块,p和远端的IP和端口号*/

LwIP协议栈内核相关的参数配置在对应的头文件中以宏定义的形式表现,需要注意以下参数配置:使用R因此要关闭其他两种编程接口,对AW接口方式,

本系统在没有使用操作系统的环境下移植L并wIP,

()配置及初始化L1wIP协议栈

_p_n); udcb=udew(pp

_b(_p,; udindudcb&LOCAL_IP,LOCAL_PORT)pp

;PORT)

,&R udonnect(udcbEMOTE_IP,REMOTE_p_cp_p /*将UDP协议控制块与回调函数建立连接*/_(_p,UD,NU; udrecvudcbP_ReceiveLL)pp

应地将NO_SYS配置为1,LWIP_NETCONN和LWIP_

_U将LW启用栈中的SOCKET配置为0;IPDP设置为1,PBUF_POOL_BUFSIZE等设置POOL和HEAP两种内

7]

。存大小[

_DHC将LW不使用自动获取IUDP协议;IPP设置为0,P

地址的功能;配置MEM_SIZE、PBUF_POOL_SIZE、

}

3 网络通信过程设计

现为本系统规定查询数据包、控制数据包、系统状态包和确认信息包4种数据包,可实现基本的查询和控制输出的功能,系统在收到查询、控制命令或输入发生变化时,都会对外发出系统状态包,并确认是否收到确认信息包。图5所示为在收到网络命令后的网络通信过程流程图。

LwIP初始化过程完成了内存分配、IP地址配置、

初始化网络接口结构体并设置和使能网MAC地址配置、络控制器等,以下是初始化函数中的核心代码:

(){voidLwIP_Initvoid ……

/*根据MEM_SIZE和PBUF_POOL_SIZE等参数设置动态内存堆和内存池*/(); mem_init ……

_(); meminitp

子网掩码和网关*/ /*分别设置IP地址、_A,); IP4DDR(&iaddr192,168,1,100p_A); IP4DDR(&w,192,168,1,1g_MA(); SetC_Addressmacaddress_A,); IP4DDR(&netmask255,255,255,0/*设置6位MAC地址*/

/*初始化网络接口结构体,其包含I子网掩码、网关、预P地址、、留信息(一般为NU初始化函数、输入函数等*/LL)_,_);ðernetifinitðernetinutp__d(); netifsetefault&netif

,&,&,& netif_add(&netifiaddrnetmaskw,NULL,pg

图5 网络通信过程流程图

/*将已添加的结构体设置为默认网络接口*/}

__u(); netifset&netif /*启动网络接口*/p

在设计系统中断处理逻辑时,将网络通信中断放在较低的优先级,这会导致在一些特殊情况下,网络通信无法触发网络中断。在实际测试中,除网络中断过程外,其他中断处理程序在1系统对外0ms之内完全可以处理完成,

相较于目前流行的T本系统选择的UCP协议,DP协

议工作效率更高,更适合工业场景中高速传输和实时性要求;资源占用更低,更适合嵌入式系统;但在可靠性和丢包

()创建U2DP客户端

网络通信频率为2不响应现象出现概率很低,不0Hz时,

影响通信过程。在系统未回复的情况下,规定重复控制查询过程可进一步完善通信过程。

40

3 6

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[],,,3JobJoshuaMottAlexVlimantetal.Solvinisdetec-gaHgg

,王栋(讲师)主要研究方向为道路交通安全及车辆系统动力学。

()责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-11-09

tionotimizationproblemwithquantumannealinorma-pgf[],():chinelearninJ.Nature2017,5507676375379.g

结 语

36

[]3AdamDunkels.DesinandImlementationoftheLwIP[M].gp

,Stockholm:SwedishInstituteofComuterScience2001.p

制器芯片的嵌入式控制系统设计方案,描述了系统的硬件和软件框架设计思路。系统通过在无操作系统环境下移植L并对UwIP协议栈实现网络通信,DP协议通信的

可靠性提高提供了一种解决方法,设计各模块协作运行逻辑,实现多路数据的检测和控制,可满足工业场景下的应用要求。

参考文献

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、:张超(硕士)王志超(博士)主要研究方向为控制理论与控制工程。,林岩(教授)主要研究方向为自适应控制、鲁棒控制理论及应用。

()责任编辑:薛士然 收稿日期:2018-11-09

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Semtech的LoRa技术实现智能化工业应用管理

,决方案的印度初创公司E已经将S应用于其工业和智能车asReachSolutionsemtech的LoRa器件和无线射频技术(LoRa技术)y

高性能模拟与混合信号半导体产品及先进算法领先供应商S专注于为工业应用提供智能物联网解emtechCororation宣布:p

辆监控产品中。

“”经过验证的、灵活的传感器则帮助我们完成定制化的需求解决方案。LoRa为我们提供了更智能的工业资源管理方法,

“”Semtech的LoRa技术帮助我们以从未设想过的方式去远程监控设备和车辆,EasReach创始人兼董事AmolVedak说道,y

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