STM32 的 TCP/IP 通信协议

最新推荐文章于 2025-05-06 12:37:25 发布

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文章标签： stm32 tcp/ip 嵌入式硬件

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一、引言

在现代嵌入式系统中，网络通信变得越来越重要。STM32 作为一款广泛应用的微控制器，具备强大的处理能力和丰富的外设资源，能够实现 TCP/IP 通信协议，从而使设备可以连接到网络，与其他设备进行数据交互。本文将详细介绍 STM32 实现 TCP/IP 通信协议的相关知识，包括 TCP/IP 协议概述、STM32 网络硬件连接、软件实现以及代码示例。

二、TCP/IP 协议概述

2.1 协议层次结构

TCP/IP 协议是一个协议族，采用分层结构，主要分为四层：

网络接口层：负责将数据帧发送到物理网络，并从物理网络接收数据帧。它与硬件设备密切相关，如以太网控制器、Wi-Fi 模块等。
网络层：主要功能是进行数据包的路由和转发，其中最重要的协议是 IP（Internet Protocol）协议，它为每个网络设备分配唯一的 IP 地址。
传输层：提供端到端的通信服务，主要有 TCP（Transmission Control Protocol）和 UDP（User Datagram Protocol）两种协议。TCP 是面向连接的、可靠的传输协议，UDP 是无连接的、不可靠的传输协议。
应用层：为用户提供各种应用程序接口，如 HTTP、FTP、SMTP 等。

2.2 TCP 与 UDP 的区别

连接性：TCP 是面向连接的，在通信之前需要建立连接，通信结束后需要断开连接；UDP 是无连接的，不需要建立和断开连接。
可靠性：TCP 提供可靠的数据传输，通过确认机制、重传机制等保证数据的完整性；UDP 不保证数据的可靠传输，可能会出现数据丢失的情况。
传输效率：由于 TCP 需要建立连接和进行可靠性处理，其传输效率相对较低；UDP 无需这些处理，传输效率较高。

三、STM32 网络硬件连接

要实现 STM32 的 TCP/IP 通信，通常需要外接网络接口芯片，如 ENC28J60、W5500 等。这里以 W5500 为例，介绍硬件连接方法。

3.1 W5500 简介

W5500 是一款全硬件 TCP/IP 嵌入式以太网控制器，内部集成了 TCP/IP 协议栈，支持多种网络协议，如 TCP、UDP、ICMP 等。

3.2 硬件连接

STM32 引脚	W5500 引脚	说明
SPI_MOSI	MOSI	主输出从输入引脚，用于数据传输
SPI_MISO	MISO	主输入从输出引脚，用于数据接收
SPI_SCLK	SCK	时钟引脚，提供时钟信号
任意 GPIO	CS	片选引脚，低电平有效
任意 GPIO	RST	复位引脚，低电平复位
任意 GPIO	INT	中断引脚，用于通知 STM32 有事件发生

四、软件实现

4.1 初始化 SPI 和 W5500

首先需要对 STM32 的 SPI 接口进行初始化，然后对 W5500 进行初始化配置，包括设置 IP 地址、子网掩码、网关等。

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "w5500.h"

SPI_HandleTypeDef hspi1;

void MX_SPI1_Init(void)
{
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_32;
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 7;
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

void W5500_Init(void)
{
  // 复位 W5500
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(100);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(100);

  // 设置 W5500 的 IP 地址、子网掩码、网关等
  uint8_t ip[4] = {192, 168, 1, 100};
  uint8_t subnet[4] = {255, 255, 255, 0};
  uint8_t gateway[4] = {192, 168, 1, 1};
  setSHAR(myMac);
  setSIPR(ip);
  setSUBR(subnet);
  setGAR(gateway);
}

4.2 TCP 服务器实现

以下是一个简单的 TCP 服务器示例代码，用于监听指定端口并接收客户端发送的数据：

#define PORT 8080

void TCP_Server(void)
{
  uint8_t socket_num = 0;
  uint8_t buf[1024];
  uint16_t len;

  // 打开套接字
  socket(socket_num, Sn_MR_TCP, PORT, 0);

  // 监听端口
  listen(socket_num);

  while (1)
  {
    if (getSn_SR(socket_num) == SOCK_ESTABLISHED)
    {
      // 接收数据
      len = recv(socket_num, buf, sizeof(buf));
      if (len > 0)
      {
        // 处理接收到的数据
        // 这里可以添加具体的处理逻辑
        // 例如将数据原样返回给客户端
        send(socket_num, buf, len);
      }
    }
    else if (getSn_SR(socket_num) == SOCK_CLOSED)
    {
      // 重新监听端口
      listen(socket_num);
    }
  }
}

4.3 UDP 客户端实现

以下是一个简单的 UDP 客户端示例代码，用于向指定的服务器发送数据：

#define SERVER_IP {192, 168, 1, 200}
#define SERVER_PORT 8080
#define CLIENT_PORT 8081

void UDP_Client(void)
{
  uint8_t socket_num = 1;
  uint8_t buf[] = "Hello, UDP Server!";
  uint8_t server_ip[4] = SERVER_IP;

  // 打开套接字
  socket(socket_num, Sn_MR_UDP, CLIENT_PORT, 0);

  // 发送数据
  sendto(socket_num, buf, sizeof(buf), server_ip, SERVER_PORT);

  // 关闭套接字
  close(socket_num);
}

4.4 主函数

在主函数中，进行系统初始化，然后调用相应的 TCP 服务器或 UDP 客户端函数。

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_SPI1_Init();

  W5500_Init();

  // 选择使用 TCP 服务器还是 UDP 客户端
  // TCP_Server();
  UDP_Client();

  while (1)
  {
    // 主循环
  }
}