文档介绍：基于STM32单片机的串口转网络设计
摘要
本毕业设计主要研究串口转网络技术，继而实现串口与网络之间的数据传输。本串口转网络模块将串口接收的串行数据通过LwIP轻型协议栈构造的TCP服务器向外部TCP/IP网络传输网络数据转网络系统概述 2
本设计方案思路 2
研发方向和技术关键 2
主要技术指标 3
3 总体设计 4
协议栈部分 4
服务器部分 5
其他说明 5
4 硬件设计 6
总体硬件设计 6
电源电路与电源接口电路 6
微处理器外围电路设计 7
以太网控制器外围电路设计 11
5 软件设计 17
总体方案 17
LwIP协议栈的移植 17
串口通信软件设计 21
TCP服务器设计 23
6 制作与调试 25
硬件电路的布线与焊接 25
调试 26
7 结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录 33
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1 引言
随着嵌入式系统与网络的联系逐日密切，以及TCP/IP网络的快速普及，使得TCP/IP网络在工业领域的一些工业现场具有很好的应用前景。与以往在工业领域应用较为广泛的串口传输相对比，TCP/IP网络具有更好的带宽、更快的传输速度、更远的传输距离以及更加广泛的通信业务等特点。并且，基于多样化环境所设计的TCP/IP网络由于具有强大的自动修正错误能力，其传输的数据基本不会发生错误，外部环境也很难干扰到它的通信。串口通信由于传输方式为共地传输，容易发生共模干扰，所以其抗干扰能力差，传输容易出现错误。而且串口传输数据的速率即波特率大小与传输的长度、内部时钟频率有关，提升的空间并不大。在实际应用中，在不超过最大传输长度的条件下，串口传输的最大速率为每秒115200比特。
如今的工业领域普遍存在大量的数据采集、控制与监视任务。伴随着数据量的快速增加，传统的单级结构数据采集系统也面临越来越严厉的考验。尤其遇到多个串口设备需要共享一台主机的情况时，要求采集大量数据的同时，又要求较高的通信速率，如果此时需要处理的数据较为复杂，那么系统整体的质量和性能便会急剧地下降。因为PC作为一个桌面系统，避免不了串口I/O适应能力差的短板，而同时使用多个串口进行数据传输会耗费很大的一部分系统资源，从而使系统的整体性能受到严重影响。
为了规避串口传输使用中传输距离受限、抗干能力差、传输速率低等的局限性，使用功能强大的TCP/IP网络来替代串口进行数据传输便成为了首选。现在一些常见的工业微控制器芯片也都集成了相应的以太网控制器，方便系统设计时选用更加灵活的数据传输方式。但是，在大量的工业现场依然存在着对外只能进行串口通信的设备,这类系统普遍的缺点是无法周密、系统、精准而实时地对数据进行监控。很显然，将这些设备都进行替换，从而实现TCP/IP网络通信是不实际，也是不利于成本的控制的。在这种情况下，通过嵌入式串口转网络模块，来将串口的串行数据转换成网络数据包以实现入网便是一种很好的选择。
本设计主要研究在不改变原有设备结构的前提下，为只具备串口通信能力的现有嵌入式应用设备提供入网的能力，为已存在的系统提供一种低成本的升级方案与技术。通过向意法半导体的32位嵌入式微处理器STM32F107VCT6上移植精简协议栈LwIP，并在LwIP轻型协议栈的基础上搭建简易的TCP服务器，从而实现嵌入式系统与网络互相连接的目的。
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2 概述
串口转网络系统概述
串口转网络系统的工作原理是采用TCP服务器来进行串口接收数据的变换和发送。该系统一般包括串口数据处理部分、处理器转换数据部分、以太网控制芯片传输数据部分。如图2-1所示，当串口接收到外界发送给串口转网络系统的串行数据时，串口数据处理部分就从处理器串口接收缓冲区读取数据，并将读得的数据发送给处理器转换数据部分。处理器转换数据部分实际上是搭建在LwIP上的一个微型TCP服务器，TCP服务器将数据发送至以太网控制芯片传输数据部分，由专用的以太网控制芯片将数据传输至TCP/IP网络上。
串口数据处理
以太网芯片传输数据
处理器转换数据
图2-1 串口转网络系统原理图
串口转网络系统采用移植轻型协议栈来实现入网的方式，是如今低速串口设备接入网络的一种常见形式。随着TCP/IP网络技术的发展与普及，在传统的安全防护、机房监控、工业监测、医疗器械、智能家居等领域当中，大量的传感器、可编程逻辑控制器、MCU、监控器、读卡设备等依赖串口传输与计算机进行