引言

本文主要阐述了基于STM32F207微处理器和DM9161A网络接口芯片的以太网方案，能够实现对谐波的监测，很好地解决了谐波对电网所造成污染这一问题。

1 系统的硬件设计

1.1 系统原理及技术特点

本系统所用的核心微处理器是意法半导体公司生产的STM32F207，该芯片拥有高性能的32位精简指令集，最高工作频率为120 MHz，内置高速存储器，有丰富的I/O端口和外设资源[1]。

本系统的结构包括：CPU电源管理模块、微处理器控制电路模块、网口电路模块、RS485通信接口电路模块、MAX3232接口电路等几个部分。系统框图结构如图1所示。

图1 系统框图结构

STM32F207内部集成了MAC（Media Access Control）模块，它依照IEEE802.3数据帧格式控制PHY（物理层），对外提供MII或者RMII接口，以此实现数据传输。

MII（Medium Independent Interface）即媒体独立接口。MII总线是一种用于将不同类型的PHY与相同网络控制器（MAC）相连接的通用总线。网络控制器可以用同样的硬件接口与任何PHY 相连接。MII支持10 Mb/s和100 Mb/s的操作，但其所需信号线较多，一个端口需要14根数据线，例如一个32端口的交换机需要448根线[2]。

RMII是通过MII简化而来的一种接口方式，它也支持10 Mb/s和100 Mb/s的总线接口速度。RMII所有的数据端口公用一个时钟，所以它的一个端口只需要7根数据线。

MII和RMII综合对比如下：

① MII一个端口需要14根数据线，RMII一个端口需要7根数据线。

② MII的数据传输需要4根线，RMII的数据传输需要2根线。

③ 对于10 Mb/s线速，MII的速率是2.5 Mb/s，RMII的速率是5 Mb/s；对于100 Mb/s线速，MII的速率是25 Mb/s，RMII的速率是50 Mb/s。

综合对比，本系统中选用的是RMII接口方式。

图2给出了STM32F207的外围电路。

图2 STM32F207外围电路

1.2 网络接口芯片DM9161A

DM9161A是用于100BASETX和10BASETX以太网物理层的、低功耗、高集成度的收发芯片。DM9161A采用先进的CMOS工艺，完全符合IEEE802.3规定的100BASETX物理层协议。DM9161A还支持自协商功能[3]。

DM9161A在媒介一侧，它提供了一个直接接口，可以直接连接网络。不过考虑到对DM9161A的保护和自动识别网线，在此外接一个网络变压器HS9016。HS9016内部集成一个网络变压器，并且具有自动翻转功能。它可以自动识别收发信号并自动去适应，因而可以使用交叉网线或者直通网线连接路由、HUB或者PC。

DM9161A与网络变压器的接口电路如图3所示。

20～17引脚（TXD0～TXD3）：发送数据位。在RMMI模式下，只需要用到TXD0和TXD1。

21引脚（TXEN）：传输使能位。在RMMI模式下，高电平表示TXD上的数据合法。

29～26引脚（RXD0～RXD3）/PHYAD0～PHYAD3）：接收数据位。在RMMI模式下，只需要用到RXD0、RXD1。

32引脚（MDINTR#）：状态中断输出脚。如果原来是低电平，则中断时输出高电平；如果是高电平，则中断时输出低电平。

40引脚（RESET#）：低电平，用来初始化DM9161A。

DM9161A的物理地址是通过接收的26～29引脚，以及35引脚CRS/PHYAD4来确定的。具体来说，在上电复位时，根据这几个引脚的高电平来确定地址。本系统采用的RMMI，只接了RXD0、RXD1，其他几个引脚悬空，所以上电时只有RXD0与RXD1是高电平，因此DM9161A物理地址为3。

LED通过在上电复位后或者通过写PHY寄存器软件复位后每500 mS闪烁一次。所有LED引脚是双向引脚，可以配置成高有效或者低有效，如果这个引脚被拉高，则复位后低有效；如果这个引脚被拉低，则复位后高有效[4]。

LED的两种模式如表1、表2所列。

表1 正常的LED模式

表2 双灯LED模式

2 系统的软件设计

2.1 系统的初始化

本系统开发环境采用的是Keil μVision4，在Keil μVision4环境下，采用的是C语言编程。程序在启动网络功能之前，首先要对STM32F207和DM9161A进行初始化。初始化内容如下：

图3 DM9161A与网络变压器的接口电路

◆ 初始化STM32F207端口控制PIO；

◆ 设定以太网物理地址；

◆ 定义接收帧类型、地址端口、数据类型；

◆ 配置DM9161A的工作模式；

◆ 配置DM9161A的本地MAC地址；

◆ 根据DM9161A配置的MAC地址，初始化STM32F207 MAC的寄存器，使其工作在RMII模式、接收和发送使能[5]。

2.2 LwIP协议栈的实现及应用

LwIP是Light weight（轻型）IP协议，以分层的协议为参照来设计实现TCP/IP，从逻辑上可以分为4层：链路层、网络层、传输层和应用层。各层协议之间有交叉，因此可以更有效地重用缓冲区。其可移植性强，有无操作系统的支持都可以运行。LwIP具有以下特性：

① 支持多网络接口下的IP转发；

② 支持ICMP协议；

③ 包括实验性扩展的UDP；

④ 包括阻塞控制、RTT估算、和快速恢复和转发的TCP；

⑤ 提供专门的内部回调接口；

⑥ 可选择的Berkeley接口API；

⑦ 支持DHCP，动态分配IP地址；

⑧ 支持IPV6协议。

LwIP的初始化程序如下：

static struct netif dm9161a;//声明一个netif结构变量

struct ip_addr ipaddr, netmask, gw;//声明了三个分别用于暂存IP地址、子网掩码和网关地址的变量，它们是32位的

IP4_ADDR(&gw, 192, 168, 0, 1);

IP4_ADDR(&ipaddr, 192, 168, 0, 10);

IP4_ADDR(&netmask, 255,255, 255, 0);//对三个地址的初始化

netif_init();

netif_add(&dm9161a, &ipaddr, &netmask, &gw, NULL, ethernetif_init, tcpip_input);//调用netif_add函数初始化变量dm9161a

netif_set_default(&dm9161a);

netif_set_up(&dm9161a);

2.3 以太网数据包接收

在数据包接收过程中，需要注意的是，数据包是以查询方式接收的，即处理器不断向网卡芯片中读取数据，如果读取成功，则将数据通过网卡注册的input函数交往上层进行处理。因此，使用查询方式实现的数据包接收进程，其优先级必须低于系统中其他进程的优先级。

数据包接收程序如下：

tcpip_input(struct pbuf *p, struct netif *inp){

struct tcpip_msg *msg;

if (mbox != SYS_MBOX_NULL) {

msg = memp_malloc(MEMP_TCPIP_MSG_INPKT); //接收一个数据包

if (msg == NULL) {//如果接收包为空

return ERR_MEM;//返回到ERR_MEM函数

}

msg->type = TCPIP_MSG_INPKT;

msg->msg.inp.p = p;

msg->msg.inp.netif = inp;//取得数据包内容

if (sys_mbox_trypost(mbox, msg) != ERR_OK) {//将数据包发送到上层应用函数

memp_free(MEMP_TCPIP_MSG_INPKT, msg);

return ERR_MEM;

}

return ERR_OK;

}

return ERR_VAL;

}

结语

本文介绍的在STM32F207和DM9161A平台上设计实现的LwIP协议通信，经过测试能够稳定运行。该系统不需要任何的操作系统支持，具有更加广阔的应用前景。如今该系统已经在某些电力系统中得到应用。