[嵌入式]STM32+W5500网络通信

1. W5500模块实现数据通信

1. 引脚初始化，此连线方式用于三个模块功能的整体实现
   

1. PA3 -> W5500_RST
2. PA4 -> W5500_SCS
3. PA5 -> W5500_SCK
4. PA6 -> W5500_MISO
5. PA7 -> W5500_MOSI

1. 基本原理

1. 基本介绍

1. Niren_W5500模块是一款基于WIZnet W5500芯片的以太网模块，是泥人电子继 Niren_W5100模块后设计的一块性能更好、性价比更高的以太网模块。模块集成硬件化TCP/IP协议:内部32K字节存储器作TX/RX
2. 缓存:支持10/100Mbps的传输速率;支持8个独立端口同时运行;同时模块还支持3.3V或5V电源供电,5V供电时还可以输出3.3V电源,方便用户在不同的单片机系统中使用;模块与单片机系统的通讯方式是简单、方便的SPI通信。

2. 实现思路
   • W5500内部是硬件TCP/IP协议栈，对外（MCU）只是提供了操作socket的能力，内部支持8个独立的socket，每一个socket通过Socket n寄存器区控制（0≤n≤7）。
   • 所以在编写基于Socket的网络应用程序时，可以按照查询Socket状态寄存器实现一个状态机的思路来实现。

2. 程序实现

1. 修改main.c函数
   修改为根据本机ip的实际地址
   
   • 可修改以太网本地ip地址，实现网络的整体搭建链接
     实验过程中使用固定ip，后改回默认
2. SPI

void SPI_Configuration(void)
{
	GPIO_InitTypeDef 	GPIO_InitStructure;
	SPI_InitTypeDef   	SPI_InitStructure;	   

  	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1 | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);	

	/* 初始化SCK、MISO、MOSI引脚 */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);

	/* 初始化CS引脚 */
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = W5500_SCS;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_Init(W5500_SCS_PORT, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_SetBits(W5500_SCS_PORT, W5500_SCS);

	/* 初始化配置STM32 SPI1 */
	SPI_InitStructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;	//SPI设置为双线双向全双工
	SPI_InitStructure.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;							//设置为主SPI
	SPI_InitStructure.SPI_DataSize=SPI_DataSize_8b;						//SPI发送接收8位帧结构
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL=SPI_CPOL_Low;							//时钟悬空低
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA=SPI_CPHA_1Edge;							//数据捕获于第1个时钟沿
	SPI_InitStructure.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;								//NSS由外部管脚管理
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_2;	//波特率预分频值为2
	SPI_InitStructure.SPI_FirstBit=SPI_FirstBit_MSB;					//数据传输从MSB位开始
	SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial=7;								//CRC多项式为7
	SPI_Init(SPI1,&SPI_InitStructure);									//根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPI1寄存器

	SPI_Cmd(SPI1,ENABLE);	//STM32使能SPI1
}

3. 程序运行，关闭虚拟端口，同时启动调试工具
   
   修改默认ip，并连接网线，连接到设定网络，启动服务，测试tcp通信

   • 创建链接
   • 启动服务器

2. DHCP自动获取IP

1. 基本原理

1. DHCP基本定义
   DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)。是一个局域网的网络协议，使用UDP协议工作。 DHCP主要有两个用途：
   • 给内部网络或网络服务供应商自动分配IP地址
   • 给用户或者内部网络管理员作为对所有计算机作中央管理的手段。
2. 分配方式
   • 自动分配方式
     DHCP服务器为主机指定一个永久性的IP地址，一旦DHCP客户端第一次成功从DHCP服务器端租用到IP地址后，就可以永久性的使用该地址。
   • 动态分配方式
     DHCP服务器给主机指定一个具有时间限制的IP地址，时间到期或主机明确表示放弃该地址时，该地址可以被其他主机使用。手工分配方式(Manual Allocation)，客户端的IP地址是由网络管理员指定的，DHCP服务器只是将指定的IP地址告诉客户端主机。
3. ip获取
   
   • 寻找DHCP服务器
   • 分配IP地址
   • 接受IP地址
   • IP地址分配确认
   • 获取到IP后广播ARP

2. 程序实现

1. device.c函数配置地址

void set_network(void)
{
  uint8 ip[4];
  setSHAR(ConfigMsg.mac);/*配置Mac地址*/
  setSUBR(ConfigMsg.sub);/*配置子网掩码*/
  setGAR(ConfigMsg.gw);/*配置默认网关*/
  setSIPR(ConfigMsg.lip);/*配置Ip地址*/

  //Init. TX & RX Memory size of w5500
  sysinit(txsize, rxsize); /*初始化8个socket*/
  
  setRTR(2000);/*设置溢出时间值*/
  setRCR(3);/*设置最大重新发送次数*/
  

  getSIPR (ip);

  printf("IP : %d.%d.%d.%d\r\n", ip[0],ip[1],ip[2],ip[3]);

  getSUBR(ip);

  printf("SN : %d.%d.%d.%d\r\n", ip[0],ip[1],ip[2],ip[3]);

  getGAR(ip);

  printf("GW : %d.%d.%d.%d\r\n", ip[0],ip[1],ip[2],ip[3]);
 
}

默认ip地址

1. lip：本机地址
2. sub： 子网掩码
3. gw： 默认网关

2. 程序运行
   • 构建生成hex文件，烧录
   • 断电，boot0置0后，启动串口调试程序，使串口函数可以正常使用

3. modbus协议

1. 基本原理

1. 定义
   Modbus是Modicon（施耐德）公司于1979年开发的串行通信协议。它最初设计用于公司的可编程逻辑控制器（PLC）。 Modbus是一种开放式协议

• 公开发表并且无著作权要求；
• 易于部署和维护；
• 对供应商来说，修改移动本地的比特或字节没有很多限制；

2. 版本

   • Modbus RTU（Remote Terminal Unit 远程终端单元）：这种方式常采用RS-485做为物理层，一般利用芯片的串口实现数据报文的收发，报文数据采用二进制数据进行通信。

   • Modbus ASCII ：报文使用 ASCII 字符。ASCII 格式使用纵向冗余校验和。Modbus ASCII 报文由冒号 (":")开始 和换行符 (CR/LF) 结尾构成。

   • Modbus TCP/IP 或 Modbus TCP ：这是一种 Modbus 变体版本，使用 TCP/IP 网络进行通信，通过 502 端口进行连接。报文不需要校验和计算，因为以太网底层已经实现了CRC32 数据完整性校验。

   • Modbus over TCP/IP 或 Modbus over TCP 或 Modbus RTU/IP :这也是一种 Modbus 变体，与 Modbus TCP 的不同之处在于，与 Modbus RTU 一样，校验和包含在报文中。

   • Modbus UDP：也有在UDP上传输Modbus报文的，不过需要做错误重传机制，这么干的应该不多。

3. 传输方式
   • 控制器能设置为两种传输模式（ASCII或RTU）中的任何一种在标准的Modbus网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数（波特率、校验方式等），在配置每个控制器的时候，在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。
     ASCII模式
     
   • RTU模式
     
4. modbus表
   
   

2. 实现过程

1. 思路
   • 实现TCP服务器，这个服务器用于在系统中轮询处理，从W5500获取数据和发送数据给W5500都需要通过这部分来实现。
   • TCP服务器得到数据后，我们需要解析数据，并根据解析的上位数据决定进一步的动作，还需要生成返回信息。这部分对应功能就是Modbus TCP服务器的实现。
   • 根据Modbus TCP服务器解析出的Modbus消息，需要决定下一步的动作，这个具体动作根据功能码的不同可能有不同需求，所以我们需要根据具体的要求实现不同功能码的动作。
2. 程序实现
   main函数

int main(void)
{
	unsigned char i;

	/* Initialize STM32F103 */
	System_Initialization();//系统配置
	SysTick_Init();//启动系统滴答定时器 SysTick

	/* Config W5500 */
	W5500_Configuration();//W5500配置
	Delay_ms(200);//延时等待

	/* Modbus-TCP Init */
    eMBTCPInit(MB_TCP_PORT_USE_DEFAULT); //端口依赖事件模块初始化
	Delay_ms(200); //延时等待
	
	/* Enable Modbus-TCP Stack */    
    eMBEnable();//激活协议栈	
    

    printf("\r\nModbus-TCP Start!\r\n");
    printf("IP:192.168.1.190\r\n");


	while(1)
	{
		
		i=Read_SOCK_1_Byte(0,Sn_SR);  //读W5500状态
		if(i==0)	  
		{
			do
			{
				Delay_ms(100);//延时等待
			
			}while(Socket_Listen(0)==FALSE);//设置“Socket n”为“TCP服务器模式”
		}
		else if(i==SOCK_ESTABLISHED)		 //建立TCP连接
		{
		eMBPoll();//启动modbus侦听
		BSP_LED();//线圈控制LED灯
		}
				
	}
}

w5500参数配置

/* W5500 configuration */
void W5500_Configuration()
{
	unsigned char array[6];

	GPIO_SetBits(GPIO_W5500_RST_PORT, GPIO_W5500_RST_Pin);//上拉
	Delay_ms(100);    /*delay 100ms 使用systick 1ms时基的延时*/
    //等待以太网链路
	while((Read_1_Byte(PHYCFGR)&LINK)==0); 		/* Waiting for Ethernet Link */

	Write_1_Byte(MR, RST);//写入W5500普通寄存器一个字节
	Delay_ms(20);		/*delay 20ms */

	/* Set Gateway IP as: 192.168.1.1 */
	array[0]=192;
	array[1]=168;
	array[2]=1;
	array[3]=1;
	Write_Bytes(GAR, array, 4);//设置网关IP

	/* Set Subnet Mask as: 255.255.255.0 */
	array[0]=255;
	array[1]=255;
	array[2]=255;
	array[3]=0;
	Write_Bytes(SUBR, array, 4);//设置子网掩码

	/* Set MAC Address as: 0x48,0x53,0x00,0x57,0x55,0x00 */
	array[0]=0x48;
	array[1]=0x53;
	array[2]=0x00;
	array[3]=0x57;
	array[4]=0x55;
	array[5]=0x00;
	Write_Bytes(SHAR, array, 6);//设置MAC地址

	/* Set W5500 IP as: 192.168.1.128 */
	array[0]=192;
	array[1]=168;
	array[2]=1;
	array[3]=190;
	Write_Bytes(SIPR, array, 4);//设置W5500的IP地址
}

4. STM32+W5500实现web服务

1. 基本原理

1. 实现概述
   • STM32 W5500配置入网后，通过DHCP动态获取IP地址，在电脑浏览器地址栏输入这个IP地址，可以获取到一个简单form表单的页面，在表单中输入数据，提交到W5500web服务
     
2. http请求过程
   

2. 程序实现

1. W5500模块内部自己实现了TCP/IP协议，在外部只需要通过他提供的接口把相关的参数传递进去就行了，物理地址，本机IP，本机端口，目标端口，目标IP
   STM32F103C8芯片SPI初始化

void SPI1_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_SPI1 |    RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);  

    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;       
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;  
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;    
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;        //
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;           
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;//
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;  
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;    
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); 

    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //ê1?üSPIíaéè

}   
void SPI1_SetSpeed(u8 SPI_BaudRatePrescaler)
{
    assert_param(IS_SPI_BAUDRATE_PRESCALER(SPI_BaudRatePrescaler));
    SPI1->CR1&=0XFFC7;
    SPI1->CR1|=SPI_BaudRatePrescaler;   
    SPI_Cmd(SPI1,ENABLE); 

} 

2. w5500模块主要参数

#ifdef __DEF_IINCHIP_PPP__
   #include "md5.h"
#endif

static uint8 I_STATUS[MAX_SOCK_NUM];
static uint16 SSIZE[MAX_SOCK_NUM]; /**< Max Tx buffer size by each channel */
static uint16 RSIZE[MAX_SOCK_NUM]; /**< Max Rx buffer size by each channel */

uint8 getISR(uint8 s)
{
  return I_STATUS[s];
}
void putISR(uint8 s, uint8 val)
{
   I_STATUS[s] = val;
}

uint16 getIINCHIP_RxMAX(uint8 s)
{
   return RSIZE[s];
}
uint16 getIINCHIP_TxMAX(uint8 s)
{
   return SSIZE[s];
}
void IINCHIP_CSoff(void)
{
  WIZ_CS(LOW);
}
void IINCHIP_CSon(void)
{
   WIZ_CS(HIGH);
}
u8  IINCHIP_SpiSendData(uint8 dat)
{
   return(SPI2_SendByte(dat));
}

void IINCHIP_WRITE( uint32 addrbsb,  uint8 data)
{
   IINCHIP_ISR_DISABLE();                        // Interrupt Service Routine Disable
   IINCHIP_CSoff();                              // CS=0, SPI start
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x00FF0000)>>16);// Address byte 1
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x0000FF00)>> 8);// Address byte 2
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x000000F8) + 4);    // Data write command and Write data length 1
   IINCHIP_SpiSendData(data);                    // Data write (write 1byte data)
   IINCHIP_CSon();                               // CS=1,  SPI end
   IINCHIP_ISR_ENABLE();                         // Interrupt Service Routine Enable
}

uint8 IINCHIP_READ(uint32 addrbsb)
{
   uint8 data = 0;
   IINCHIP_ISR_DISABLE();                        // Interrupt Service Routine Disable
   IINCHIP_CSoff();                              // CS=0, SPI start
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x00FF0000)>>16);// Address byte 1
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x0000FF00)>> 8);// Address byte 2
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x000000F8))    ;// Data read command and Read data length 1
   data = IINCHIP_SpiSendData(0x00);             // Data read (read 1byte data)
   IINCHIP_CSon();                               // CS=1,  SPI end
   IINCHIP_ISR_ENABLE();                         // Interrupt Service Routine Enable
   return data;    
}

uint16 wiz_write_buf(uint32 addrbsb,uint8* buf,uint16 len)
{
   uint16 idx = 0;
   if(len == 0) printf("Unexpected2 length 0\r\n");

   IINCHIP_ISR_DISABLE();
   IINCHIP_CSoff();                              // CS=0, SPI start
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x00FF0000)>>16);// Address byte 1
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x0000FF00)>> 8);// Address byte 2
   IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x000000F8) + 4);    // Data write command and Write data length 1
   for(idx = 0; idx < len; idx++)                // Write data in loop
   {
     IINCHIP_SpiSendData(buf[idx]);
   }
   IINCHIP_CSon();                               // CS=1, SPI end
   IINCHIP_ISR_ENABLE();                         // Interrupt Service Routine Enable    

   return len;  
}

uint16 wiz_read_buf(uint32 addrbsb, uint8* buf,uint16 len)
{
  uint16 idx = 0;
  if(len == 0)
  {
    printf("Unexpected2 length 0\r\n");
  }

  IINCHIP_ISR_DISABLE();
  //SPI MODE I/F
  IINCHIP_CSoff();                                  // CS=0, SPI start
  IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x00FF0000)>>16);// Address byte 1
  IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x0000FF00)>> 8);// Address byte 2
  IINCHIP_SpiSendData( (addrbsb & 0x000000F8));    // Data write command and Write data length 1
  for(idx = 0; idx < len; idx++)                    // Write data in loop
  {
    buf[idx] = IINCHIP_SpiSendData(0x00);
  }
  IINCHIP_CSon();                                   // CS=1, SPI end
  IINCHIP_ISR_ENABLE();                             // Interrupt Service Routine Enable
  
  return len;
}

3. http请求

void do_http(void)
{
  uint8 ch=SOCK_HTTP;
  uint16 len;

  st_http_request *http_request;
  memset(rx_buf,0x00,MAX_URI_SIZE);
  http_request = (st_http_request*)rx_buf;		// struct of http request  
  /* http service start */
  switch(getSn_SR(ch))
  {
    case SOCK_INIT:
      listen(ch);
      break;
    case SOCK_LISTEN:
      break;
    case SOCK_ESTABLISHED:
    //case SOCK_CLOSE_WAIT:
      if(getSn_IR(ch) & Sn_IR_CON)
      {
        setSn_IR(ch, Sn_IR_CON);
      }
      if ((len = getSn_RX_RSR(ch)) > 0)		
      {
        len = recv(ch, (uint8*)http_request, len); 
        *(((uint8*)http_request)+len) = 0;
        proc_http(ch, (uint8*)http_request); // request is processed
        disconnect(ch);
      }
      break;
    case SOCK_CLOSE_WAIT:   
      if ((len = getSn_RX_RSR(ch)) > 0)
      {
        //printf("close wait: %d\r\n",len);
        len = recv(ch, (uint8*)http_request, len);       
        *(((uint8*)http_request)+len) = 0;
        proc_http(ch, (uint8*)http_request); // request is processed
      }
      disconnect(ch);
      break;
    case SOCK_CLOSED:
      socket(ch, Sn_MR_TCP, 80, 0x00);    /* reinitialize the socket */
      break;
    default:
    break;
  }// end of switch
}


void JTXD_do_http(void)
{
  uint8 ch=SOCK_HTTP;
  uint16 len;

  st_http_request *http_request;
  memset(rx_buf,0x00,MAX_URI_SIZE);
  http_request = (st_http_request*)rx_buf;		// struct of http request
  
  /* http service start */
  switch(getSn_SR(ch))
  {
    case SOCK_INIT:
      listen(ch);
      break;
    case SOCK_LISTEN:

      break;
    case SOCK_ESTABLISHED:
    //case SOCK_CLOSE_WAIT:
      if(getSn_IR(ch) & Sn_IR_CON)
      {
        setSn_IR(ch, Sn_IR_CON);
      }
      if ((len = getSn_RX_RSR(ch)) > 0)		
      {
        len = recv(ch, (uint8*)http_request, len); 
        *(((uint8*)http_request)+len) = 0;
        JTXD_proc_http(ch, (uint8*)http_request); // request is processed
        disconnect(ch);
      }
      break;
    case SOCK_CLOSE_WAIT:   
      if ((len = getSn_RX_RSR(ch)) > 0)
      {
        //printf("close wait: %d\r\n",len);
        len = recv(ch, (uint8*)http_request, len);       
        *(((uint8*)http_request)+len) = 0;
        JTXD_proc_http(ch, (uint8*)http_request); // request is processed
      }
      disconnect(ch);
      break;
    case SOCK_CLOSED:                   
      socket(ch, Sn_MR_TCP, 80, 0x00);    /* reinitialize the socket */
      break;
    default:
    break;
  }// end of switch
}

5. 修改默认参数地址
   • main.c函数
     
   • 修改flash.c初始默认设置地址
     
   • 同理修改device.c文件ip地址等
6. 程序烧录运行
   • 构建生成hex文件，烧录
   • 断电，boot0置0后，启动串口调试程序，使串口函数可以正常使用
     
   • 连接测试
     ping +设定ip地址
7. 启动网页服务器
   

5. 总结

1. 本次实验中在对w5500模块操作中，存在较多的问题，在进行DHCP获取ip与web服务器搭建过程中出现问题较多
   • 在使用校园网的局域网络时，因为网络端口限制问题，对于动态获取与ping连接等存在较多问题，同时会出现拒绝访问现象
     
   • 实验中尽量避免使用端口局限性较多的网络，同时在进行网络数据发送中，需要关闭自虚拟网络端口，否则可能出现网络丢包现象
2. 在进行网络端口访问中，同时应保证网络联通与电压稳定性，在进行DHCP获取ip过程中因线路问题导致电压不稳定，获取ip只能显示部分

参考

STM32F103基于W5500实现modbus简单TCP通信
通讯接口应用笔记3：使用W5500实现Modbus TCP服务器
基于w5500实现TCP/IP协议后应用层开发
基于STM32和W5500的Modbus TCP通讯
DHCP 原理以及IP获取过程
STM32 W5500 HTTP Server 微型web服务实现
通讯接口应用笔记3：使用W5500实现Modbus TCP服务器
Modbus协议最基础概念详细介绍
图文详解Modbus-RTU协议