引言

眾所周知，WiFi與其他短距離無(wú)線通信相比，具有通信速率高、穩(wěn)定、安全、支持設(shè)備多等優(yōu)點(diǎn)。尤其是近幾年智能手機(jī)迅速發(fā)展，使WiFi快速普及，這就給傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)無(wú)線通信帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。就通信角度而言，數(shù)以?xún)|計(jì)的智能手機(jī)其實(shí)就是一個(gè)個(gè)潛在的手持遙控器或數(shù)據(jù)終端，如果能在嵌入式系統(tǒng)中支持WiFi網(wǎng)絡(luò)，將極大地拓展與外部的通信方式。但是，由于WiFi對(duì)系統(tǒng)資源要求比較高，所以嵌入式系統(tǒng)采用WiFi的發(fā)展相對(duì)滯后，常見(jiàn)的方案是，在原有的嵌入式系統(tǒng)中外接一個(gè)WiFi通信轉(zhuǎn)接模塊，將Wi Fi信號(hào)轉(zhuǎn)換為UART、SPI等常見(jiàn)的通信方式。這種方式實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)也非常明顯，額外增加了成本，這也是阻礙嵌入式系統(tǒng)WiFi發(fā)展的一個(gè)主要因素。本文介紹了直接將WiFi網(wǎng)卡集成到嵌入式系統(tǒng)的解決方案，系統(tǒng)MCU直接驅(qū)動(dòng)USB接口的WiFi網(wǎng)卡，從而省去了WiFi轉(zhuǎn)UART等橋接模塊，明顯降低了系統(tǒng)成本，而且同時(shí)理論上解決了采用橋接模塊潛在的通信速率瓶頸問(wèn)題。

1 系統(tǒng)方案

本文設(shè)計(jì)的嵌入式WiFi方案是智能手機(jī)以WiFi方式遙控智能小車(chē)的系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。手機(jī)端就是一個(gè)運(yùn)行在手機(jī)上的Android應(yīng)用程序，小車(chē)端的核心控制板采用STM32F105RB芯片，WiFi網(wǎng)卡采用基于RT5370的嵌入式模塊。RT5370是一款USB接口的WiFi芯片，基于其實(shí)現(xiàn)的USB無(wú)線網(wǎng)卡非常常見(jiàn)，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯。STM32F105RB是ST公司STM32系列芯片的一款，72 MHz主頻，具有128 KB Flash、48 KB RAM和豐富的I/O資源，同時(shí)價(jià)格比較低，在中小嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用，同時(shí)其支持USB OTG，可以驅(qū)動(dòng)RT5370。

該系統(tǒng)的核心就是在基于STM32F105RB的小車(chē)控制板上實(shí)現(xiàn)對(duì)RT5370 WiFi模塊的支持，使該控制板工作在AP模式，手機(jī)通過(guò)WiFi從控制板獲得IP，然后運(yùn)行相應(yīng)的Android應(yīng)用程序控制小車(chē)。

2 硬件設(shè)計(jì)

小車(chē)控制板包括WiFi接口和功率輸出驅(qū)動(dòng)兩大部分。因?yàn)楸疚牡闹攸c(diǎn)是嵌入式WiFi實(shí)現(xiàn)，所以只給出該部分的硬件實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。圖中STM32F105RB的USB工作在主機(jī)模式，與WiFi模塊通過(guò)6引腳2.0 mm的單排針連接。由于STM32F105RB USB模塊內(nèi)部有下拉電阻，所以電路連接非常簡(jiǎn)單。

3 軟件流程及移植

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)由USB驅(qū)動(dòng)、WiFi協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、應(yīng)用程序4個(gè)主要部分組成。

USB部分實(shí)現(xiàn)WiFi網(wǎng)卡和系統(tǒng)MCU之間的通信，WiFi網(wǎng)卡收發(fā)的數(shù)據(jù)通過(guò)USB與MCU進(jìn)行交互，STM32F105RB作為USB主機(jī)，WiFi網(wǎng)卡作為USB客戶(hù)端。

WiFi協(xié)議棧負(fù)責(zé)802.11協(xié)議的解析和封裝，向下和USB驅(qū)動(dòng)交互，向上和TCP/IP協(xié)議棧交互：發(fā)送端，從TCP/IP協(xié)議棧接收數(shù)據(jù)，封裝成WiFi封包，通過(guò)調(diào)用USB驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物理發(fā)送;接收端，從USB驅(qū)動(dòng)接收數(shù)據(jù)，解析802.11協(xié)議，傳送給TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)向應(yīng)用層的傳遞。

TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)IP、ICMP、UDP、TCP等協(xié)議，包括實(shí)現(xiàn)協(xié)議封裝、解析以及基本的路由。當(dāng)前有很多優(yōu)秀的開(kāi)源TCP/IP協(xié)議棧，本項(xiàng)目中選用LWIP，因?yàn)樵搮f(xié)議比較成熟，適合資源有限的嵌入式系統(tǒng)。LWIP支持DHCP客戶(hù)端，但是在該系統(tǒng)中作為AP來(lái)用，需要DHCP服務(wù)器，這里自己設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的DHCP服務(wù)器。

應(yīng)用程序部分，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)編程接口和手機(jī)進(jìn)行通信，將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)小車(chē)輸出的PWM信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)。

3.1 USB驅(qū)動(dòng)

ST公司的固件庫(kù)提供了對(duì)于USB的支持。本系統(tǒng)就基于該USB庫(kù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了USB WiFi模塊需要的特定功能。

STM32的USB庫(kù)架構(gòu)如圖4所示，其給用戶(hù)提供的接口非常清晰，包括USB主機(jī)的初始化，以及對(duì)應(yīng)狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 USB主機(jī)初始化

USB主機(jī)的初始化通過(guò)USBH_Init函數(shù)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)函數(shù)有5個(gè)結(jié)構(gòu)類(lèi)型的參數(shù)，在調(diào)用這個(gè)函數(shù)前，需要先設(shè)置好這5個(gè)參數(shù)的內(nèi)容。該函數(shù)原形如下：

參數(shù)pdev，phost分別代表STM32 USB的核心控制結(jié)構(gòu)和USB主機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，在STM32的USB庫(kù)中已經(jīng)定義，對(duì)應(yīng)USB_OTG_CORE和USB_HOST。USB_OTG_FS_CORE_ID表示工作在USB的全速方式。參數(shù)Class_cb和usr_cb為用戶(hù)定義的USB類(lèi)控制結(jié)構(gòu)和用戶(hù)定義的初始化結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)是要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，其中，用戶(hù)定義的USB類(lèi)控制結(jié)構(gòu)，包括初始化、釋放、請(qǐng)求和狀態(tài)機(jī)4個(gè)處理函數(shù)，分別在代表用戶(hù)設(shè)計(jì)的USB類(lèi)的初始化、釋放、初始化請(qǐng)求和正常工作狀態(tài)中會(huì)用到。

用戶(hù)根據(jù)要求分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，對(duì)應(yīng)本項(xiàng)目的WiFi模塊，具體的移植實(shí)現(xiàn)如下：

其中，USBH_CDC_InterfaceInit實(shí)現(xiàn)WiFi模塊的初始化，對(duì)應(yīng)Linux版本驅(qū)動(dòng)中的芯片寄存器配置、通信緩沖區(qū)配置、加載固件的掛鉤函數(shù)等處理，以及在MainVirtualIF_open中實(shí)現(xiàn)打開(kāi)WiFi等操作。USBH_CDC_Handle則實(shí)現(xiàn)USB的狀態(tài)機(jī)功能。

用戶(hù)定義的初始化函數(shù)是給用戶(hù)提供一個(gè)實(shí)現(xiàn)自己特定初始化操作的接口，這里沒(méi)有用到。

這些參數(shù)都設(shè)置好后，直接調(diào)用USBH_Init即可實(shí)現(xiàn)對(duì)USB硬件和架構(gòu)的初始化。

3.1.2 USB狀態(tài)機(jī)

USB初始化完成后，其核心處理都是由USB狀態(tài)機(jī)USBH_Process來(lái)實(shí)現(xiàn)從枚舉、功能處理到異常恢復(fù)等的管理，其中會(huì)通過(guò)函數(shù)掛鉤的方式調(diào)用在初始化過(guò)程中設(shè)置的對(duì)應(yīng)函數(shù)。

具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖5所示。首先主機(jī)檢測(cè)是否有USB模塊插入，如果有，則轉(zhuǎn)入枚舉過(guò)程。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，WiFi模塊直接安裝在控制板上，上電后就會(huì)檢測(cè)到有插入并轉(zhuǎn)入枚舉過(guò)程;枚舉結(jié)束后，STM32F105RB的USB庫(kù)會(huì)給用戶(hù)提供一個(gè)用戶(hù)輸入和特定類(lèi)初始化的操作，對(duì)于該WiFi模塊，歸屬于通信類(lèi)，在類(lèi)初始化操作中會(huì)作WiFi模塊相應(yīng)地初始化，包括讀取模塊的配置信息、MAC地址等;在這些初始化過(guò)程完成后，會(huì)進(jìn)入模塊狀態(tài)機(jī)處理過(guò)程，對(duì)于該WiFi模塊來(lái)說(shuō)，就是循環(huán)處理接收數(shù)據(jù)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中如果發(fā)生異常，則進(jìn)入異常處理后重新從空閑狀態(tài)開(kāi)始狀態(tài)切換。標(biāo)準(zhǔn)的STM32F105RBUSB模塊還有USB模塊拔除的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，由于該項(xiàng)目中WiFi模塊直接裝在母板上，所以不會(huì)進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)。

特別地，USB WiFi狀態(tài)機(jī)處理函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)WiFi數(shù)據(jù)的傳輸，具體的傳輸通過(guò)USB的批處理傳輸方式進(jìn)行。對(duì)于數(shù)據(jù)接收，系統(tǒng)會(huì)一直輪詢(xún)WiFi模塊，判斷是否有數(shù)據(jù)可用。如果有，則將數(shù)據(jù)讀入接收緩沖區(qū)中，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志通知上層軟件。對(duì)于數(shù)據(jù)發(fā)送，上層直接發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，調(diào)用USB發(fā)送函數(shù)，進(jìn)行發(fā)送。

3.2 802.1 1協(xié)議驅(qū)動(dòng)

WiFi協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于Mediatek官方提供的Linux源碼驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)移植到該項(xiàng)目的STM32F105RB系統(tǒng)中。圖6分析了RT5370 Linux的驅(qū)動(dòng)流程和需要完成的對(duì)應(yīng)移植工作。

從左邊的驅(qū)動(dòng)流程可以看出，首先是設(shè)置Linux驅(qū)動(dòng)架構(gòu)下面的probe、open等函數(shù)，在本系統(tǒng)中這塊并不需要，直接從硬件初始化開(kāi)始，由于驅(qū)動(dòng)本身就是可移植性比較好的C語(yǔ)言代碼，所以這塊代碼基本可以直接移植過(guò)來(lái);然后是驅(qū)動(dòng)所需的通信緩沖區(qū)的資源初始化，這部分和操作系統(tǒng)相關(guān)，根據(jù)本系統(tǒng)的情況，直接預(yù)留相應(yīng)的內(nèi)存作為通信緩沖區(qū);WiFi對(duì)應(yīng)的配置信息在Linux下是一個(gè)配置文件，在存在根文件的系統(tǒng)中，對(duì)于沒(méi)有文件系統(tǒng)的情況，直接將對(duì)應(yīng)的配置值以默認(rèn)值的方式保存，但是這也導(dǎo)致了一個(gè)問(wèn)題，相應(yīng)的WiFi配置(如SSID等)不可以更改，需要在后續(xù)實(shí)現(xiàn)中完善;這些設(shè)置工作都準(zhǔn)備好后，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的定時(shí)器和2個(gè)任務(wù)分別處理WiFi的廣播Beacon連接信息和實(shí)際用戶(hù)數(shù)據(jù)，并用相應(yīng)的定時(shí)器和模塊實(shí)現(xiàn)。

3.3 TCP/IP協(xié)議棧LWIP

完成了WiFi驅(qū)動(dòng)從Linux到STM32F105RB系統(tǒng)的移植后，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了OSI模型中網(wǎng)絡(luò)層的移植，后續(xù)就是相應(yīng)協(xié)議棧的移植。本項(xiàng)目中協(xié)議棧選用LWIP，版本是v1.3.2。需要指出的是，由于該項(xiàng)目的USB WiFi工作于AP模式，需要實(shí)現(xiàn)DHCP服務(wù)器的功能。而在LWIP中只有DHCP客戶(hù)端功能，服務(wù)器需要自己實(shí)現(xiàn)，在本項(xiàng)目中根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的DHCP服務(wù)器。

3.4 應(yīng)用程序

在實(shí)現(xiàn)了WiFi驅(qū)動(dòng)、協(xié)議棧以及DHCP服務(wù)器后，基于STM32的WiFi已經(jīng)可以工作，分別用手機(jī)和計(jì)算機(jī)與控制板連接，成功獲得IP，在計(jì)算機(jī)端運(yùn)行ping命令，可以成功ping通。在此基礎(chǔ)上，編寫(xiě)基于LWIP的套接子程序，以及相應(yīng)的小車(chē)驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)可以流暢地控制小車(chē)。

結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的WiFi除具有成本方面的優(yōu)勢(shì)外，還具有系統(tǒng)啟動(dòng)快、通信響應(yīng)快的特點(diǎn)，通常系統(tǒng)2 s即可以啟動(dòng)，手機(jī)3 s即可以獲得IP，比常用路由器的響應(yīng)快了很多;ICMP響應(yīng)通常小于2 ms，響應(yīng)速度的優(yōu)勢(shì)也非常明顯。用手機(jī)通過(guò)WiFi控制智能小車(chē)，可以做到流暢控制。理論和實(shí)踐證明，在基于Cortex—M3的低成本嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)WiFi是完全可行的。

當(dāng)然，由于時(shí)間限制，該項(xiàng)目WiFi系統(tǒng)的加密功能，以及通常的WiFi系統(tǒng)需要的基于web界面方式的配置功能尚未實(shí)現(xiàn)?？紤]到當(dāng)前STM32F105RB的資源使用情況，我們使用了80 KB空間，系統(tǒng)還留有48 KB空間，后續(xù)完整實(shí)現(xiàn)加密和Web界面配置在理論上是可行的，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。