STM32F407 系列文章 - ETH-LWIP-CubeMX（十五）
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前言
一般对于许多嵌入式系统或单片机，在其资源受限的环境下，要想实现网络通讯，并保证资源的高效利用和稳定的网络通信，我们一般采用一种轻量级的网络协议lwIP。TI公司的STM32芯片一般都会自带一路以太网口，用于网络通讯，但因其内存资源受限，所以都用采用一种小型化、轻量级的lwIP网络协议，只需十几KB的RAM和大约40K的ROM即可运行，既可以在无操作系统环境下工作，也可以与各种操作系统配合使用，使其成为资源受限的嵌入式系统的理想选择。一般市场上所卖的板子都带这一功能的，需准备STM32F407开发板一块和网线一根。
一、软件设计
前面上一篇博文STM32之LWIP网络通讯设计介绍（十四）-CSDN博客讲述了对STM32实现LWIP网络通讯的前提性要求介绍，包含使用到的网络协议、MAC内核、PHY驱动芯片、通讯连接示意图、以及硬件电路原理设计图，为网络通讯软件开发提供了设计指导。今天将完成STM32网络通讯的软件设计，采用通过可视化工具STM32CubeMX完成对lwIP通讯的配置，一键化生成工程代码，这是博主比较推荐的一种方法，简便快捷。
二、CubeMX实现
STM32CubeMX是一个图形化配置工具，主要用于配置STM32微控制器和微处理器。它通过直观的图形用户界面，帮助用户选择STM32 MCU型号、配置引脚、设置系统时钟和外设参数，并生成相应的初始化C代码。这里对CubeMX可视化工具不做详细的介绍，改天会专门写篇文章介绍它。
1.配置前准备
在进行可视化工具CubeMX设置前，需要先了解处理器网络通讯的电路图实现，主要是了解到处理器使用到的IO引脚以及网络驱动芯片，根据上一篇文章介绍网络通讯设计-上（十四）（有提供stm32f407手册数据和YT8512C驱动芯片数据），线连接到处理器的IO引脚PC4、PC5、PG13、PG14、PG11、PC1、PA2、PA7、PD3，如下图所示。
2.CubeMX配置
打开CubeMX工具，如下所示。
1.ETH模块配置
上图，在右边Pinout View上面，根据电气原理图设置stm32相关IO引脚，如上图所示，设置完相关引脚后在上图左边ETH项，打开可以看到配置的相关引脚PC4、PC5、PG13、PG14、PG11、PC1、PA2、PA7、PD3如下所示。
在上图上，我们选择网络模式为RMII，根据YT8512C驱动芯片数据手册，MAC地址、PHY地址、PHY状态寄存器地址、PHY速度、PHY双工状态、以及PHY相关参数设置如下。
需要注意的是，在PHY使用型号上，我们也可以使用常见LAN8472芯片，选择它后，cube自动会帮你配置参数，不像自定义user PHY需要自己配置。
并使能Eth中断配置，如下。
根据电气设计图，设置处理器IO引脚PD3为ETH复位引脚，如下所示。
2.时钟模块配置
根据图纸参数，外部时钟为8MHz，处理器最高位168MHz，完成相关设置如下。
3.中断模块配置
4.RCC及SYS配置
5.LWIP模块配置
最后，别忘记使能LWIP模块，完成对其配置，打开第三方插件Middleware，勾选LWIP，里面可以看到LWIP使用的版本号，并完成LWIP的地址、掩码、TCP、BUF等参数的设置，如下所示。
下图中key Options参数在生成的lwipopts.h文件上可以看到。
提一句，CubeMX这里面用的LWIP跟外部官网上是一样，因为其开源免费的特性，CubeMX直接将其内嵌在软件里面使用。
在第三方插件Middleware界面上，还可以看到FATFS通用文件系统设置、以及freeRTOS线程设置等等，说明使用CubeMX可视化工具，很方便、功能也挺多。
3.生成代码
上面完成配置引脚、设置系统时钟、以及外设参数设置后，点击GENERATE CODE直接生成代码和工程文件，在保存的路径上面查看。
打开工程，查看代码如下。
1.main文件
这里将完成相关GPIO引脚、LWIP、定时器初始化配置，首先重置所有外围设备，初始化Flash接口和Systick，配置系统时钟，初始化所有已配置的外围设备；然后初始化用户UDP网络设置、和用户参数，并启动1毫秒定时器；最后进入主循环，处理网络上的数据，主要为MX_LWIP_Process()函数和UDP_Data_Process()函数完成，其中MX_LWIP_Process函数为CubeMX工具生成的函数，主要作用为处理网络上接收到的数据，传递给注册的接收回调函数UDP_Receive_Callback解析处理。代码示例如下。
/**
******************************************************************************
* @file : main.c
* @brief : Main program body
******************************************************************************
* @attention
*
* <h2><center>© Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
* All rights reserved.</center></h2>
*
* This software component is licensed by ST under Ultimate Liberty license
* SLA0044, the "License"; You may not use this file except in compliance with
* the License. You may obtain a copy of the License at:
* www.st.com/SLA0044
*
******************************************************************************
*/
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "lwip.h"
#include "tim.h"
#include "gpio.h"
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
#include "eth_user.h"
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_TIM6_Init();
MX_LWIP_Init();
MX_TIM7_Init();
User_UDP_Init();
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6); // 启动1ms定时器
/* Infinite loop */
while (1)
{
Delay_us(100);
MX_LWIP_Process();
UDP_Data_Process();
}
}
/**
* @brief System Clock Configuration
* @retval None
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/** Configure the main internal regulator output voltage
*/
__HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
__HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);
/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
* in the RCC_OscInitTypeDef structure.
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 8;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 320;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_5) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
HAL_RCC_MCOConfig(RCC_MCO1, RCC_MCO1SOURCE_PLLCLK, RCC_MCODIV_4);
}2.用户层源文件
这里将完成网络用户层设置，主要为网络IP初始化设置、以及网络收发数控制，代码示例如下。
#include "eth_user.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "lwip.h"
#include "lwip/igmp.h"
#define UDP_PORT 8888 // 网络端口
static struct udp_pcb *upcb; // UDP通讯的控制块对象
static DeviceStatus SendUDPSt; // UDP通道的通讯状态
UDP_Message RecvUDPMes;
UDP_Message AckUDPMes;
UDP_Message SendUDPMes;
/******************************************************************************
* 描述 : 初始化UDP所用的相关数据对象
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void UDP_Data_Init(void)
{
memset(&RecvUDPMes, 0, sizeof(UDP_Message));
memset(&AckUDPMes, 0, sizeof(UDP_Message));
memset(&SendUDPMes, 0, sizeof(UDP_Message));
memset(&SendUDPSt, 0, sizeof(DeviceStatus));
SendUDPSt.ID = 0x10;
}
/******************************************************************************
* 描述 : 接收回调函数编写
* 参数 : upcb UDP协议控制块
* p 收到的数据包缓冲区
* addr 接收数据包的远程IP地址
* port 接收数据包的远程端口
* 返回 : 无
******************************************************************************/
static void UDP_Receive_Callback(void *arg, struct udp_pcb *upcb,
struct pbuf *p, const ip_addr_t *addr, u16_t port)
{
uint8_t udprecvbuf[MAX_UDP_FRAME_LEN] = {0};
struct pbuf *ptmp = p;
uint32_t data_len = 0;
if(upcb != NULL && p != NULL)
{
ip_addr_t remote_source_ip;
IP4_ADDR(&remote_source_ip, 192,168,1,113);
if((port == UDP_PORT) && ((addr->addr) == remote_source_ip.addr)) //判断地址和端口从哪里来的
{
for (ptmp = p; ptmp != NULL; ptmp = ptmp->next) //遍历完整个buf链表
{
//判断要拷贝到buf中的数据是否大于UDP_DEMO_RX_BUFSIZE的剩余空间，
//如果大于的话就只拷贝剩余长度的数据，否则的话就拷贝所有的数据
if (ptmp->len <= (MAX_UDP_FRAME_LEN - data_len)){
memcpy(udprecvbuf + data_len, ptmp->payload, ptmp->len);
data_len += ptmp->len;
}
else{
memcpy(udprecvbuf + data_len, ptmp->payload, (MAX_UDP_FRAME_LEN - data_len)); //拷贝数据
data_len = MAX_UDP_FRAME_LEN;
}
//超出UDP最大数据包,则跳出循环
if (data_len > MAX_UDP_FRAME_LEN){
break;
}
}
// 初步处理
memcpy(&AckUDPMes, udprecvbuf, data_len);
SendUDPSt.LastRecvTime = g_1msTick;
SendUDPSt.ComSt = COM_ST_PENDING;
if(*((uint32_t*)udprecvbuf) != UDP_FRAME_HEAD) { // 同步头校验
AckUDPMes.AnsResult = ACK_HEAD_ERROR;
}
else if(AckUDPMes.Len != (data_len-4)) { // 帧长度校验
AckUDPMes.AnsResult = ACK_LEN_ERROR;
}
else if(RecvUDPMes.CRC16 != CRC16_Calculate((uint8_t*)&RecvUDPMes.SN, RecvUDPMes.Len-4)) { // CRC校验
AckUDPMes.AnsResult = ACK_CRC_ERROR;
}
else
SendUDPSt.ComSt = COM_ST_INIT;
}
}
pbuf_free(p); // 释放内存
}
/******************************************************************************
* 描述 : 创建udp客户端
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void User_UDP_Init(void)
{
ip_addr_t local_ip;
ip_addr_t remote_ip;
err_t err;
/* 初始化UDP数据消息 */
UDP_Data_Init();
// 组播配置
//IP4_ADDR(&local_ip, 224,1,1,201); //配置本地接收组播的地址
//IP4_ADDR(&remote_ip, 224,1,1,113);
//独播
IP4_ADDR(&local_ip, 192,168,1,201);
IP4_ADDR(&remote_ip, 192,168,1,113);
upcb = udp_new(); // 创建udp控制块
if (upcb!=NULL)
{
upcb->local_port = UDP_PORT; // 配置本地端口
upcb->local_ip.addr = local_ip.addr; // 配置本地地址
upcb->remote_port = UDP_PORT; // 绑定远程端口
upcb->remote_ip.addr = remote_ip.addr; // 绑定远程地址
//加入组播
//err= igmp_joingroup(IP_ADDR_ANY,&local_ip); //只需要将接收地址放入igmp组，发送的不需要
//连接远程服务器IP和端口
err= udp_connect(upcb, &remote_ip, UDP_PORT);
if(err == ERR_OK)
{
err = udp_bind(upcb,&local_ip,UDP_PORT); //只能收到绑定的本地接收ip地址和端口的数据
//err = udp_bind(upcb,IP_ADDR_ANY,UDP_LOCAL_PORT); //可以收到固定端口上任意ip地址的数
// 注册接收回调函数，只要接收到数据，这个回调函数会被lwip内核调用
udp_recv(upcb, UDP_Receive_Callback, NULL); // 函数初始化时注册-接收回调函数
}
else
{
//离开组播地址
//igmp_leavegroup(IP_ADDR_ANY,&local_ip);
// 断开UDP连接
udp_remove(upcb);
}
}
}
/******************************************************************************
* 描述 : 发送数据
* 参数 : (in)pData 发送数据的指针
* 返回 : 无
******************************************************************************/
int8_t UDP_Send_Data(struct udp_pcb *upcb, uint8_t *pData, uint16_t len)
{
struct pbuf *p;
int8_t ret = ERR_BUF;
if (upcb != NULL && pData != NULL && len > 0)
{
/* 分配缓冲区空间 */
p = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, len, PBUF_POOL);
if(p != NULL)
{
/* 填充缓冲区数据 */
ret = pbuf_take(p, pData, len);
if(ret == ERR_OK)
{
/* 发送udp数据 */
ret = udp_send(upcb, p);
}
/* 释放缓冲区空间 */
pbuf_free(p);
}
}
return ret;
}
// 处理单项控制命令
CMD_Ack UDP_Single_Ctrl(UDP_Message msg)
{
CMD_Ack ret = ACK_OK;
if((uint8_t*)&msg != NULL)
{
switch(msg.Param2)
{
case 0:
break;
case 1:
break;
case 2:
break;
default:
break;
}
}
else
{
ret = ACK_ERROR;
}
return ret;
}
/******************************************************************************
* 描述 : 将接收到的UDP数据包解析处理
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void UDP_Msgs_Process(void)
{
if(SendUDPSt.ComSt == COM_ST_INIT) {
AckUDPMes.AnsResult = UDP_Single_Ctrl(RecvUDPMes);
SendUDPSt.ComSt = COM_ST_TRANS;
}
}
/******************************************************************************
* 描述 : 向以太网上发送UDP数据包
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void UDP_Send_Msgs(void)
{
static uint32_t lastime = 0;
/* deal ack data */
if(SendUDPSt.ComSt != COM_ST_STOP) {
AckUDPMes.Head = UDP_FRAME_HEAD;
AckUDPMes.Len = UDP_MSG_LEN;
AckUDPMes.CRC16 = CRC16_Calculate((uint8_t*)&AckUDPMes.SN, AckUDPMes.Len-4);
UDP_Send_Data(upcb, (uint8_t*)&AckUDPMes, UDP_FULL_FRAM_LEN(AckUDPMes.Len));
SendUDPSt.ComSt = COM_ST_STOP;
memset(&AckUDPMes, 0, sizeof(UDP_Message));
}
/*d eal heartbeat data */
if(g_1msTick - lastime > 1000) {
lastime = g_1msTick;
SendUDPMes.Head = UDP_FRAME_HEAD;
SendUDPMes.Len = UDP_MSG_LEN + 2;
SendUDPMes.SN += 1;
SendUDPMes.Param1 = SUB_CMD_KEEPALIVE;
SendUDPMes.Param2 = RUN_IDLE;
SendUDPMes.AnsResult = ACK_PENDING;
SendUDPMes.Data[0] = 0xff;
SendUDPMes.Data[1] = 0xff;
SendUDPMes.CRC16 = CRC16_Calculate((uint8_t*)&SendUDPMes.SN, SendUDPMes.Len-4);
UDP_Send_Data(upcb, (uint8_t*)&SendUDPMes, UDP_FULL_FRAM_LEN(SendUDPMes.Len));
}
}
/******************************************************************************
* 描述 : UDP处理流程(处理现有消息，调度发送队列)
* 参数 : 无
* 返回 : 无
******************************************************************************/
void UDP_Data_Process(void)
{
UDP_Msgs_Process();
UDP_Send_Msgs();
}
3.用户层头文件
#ifndef __UDP_USER_H
#define __UDP_USER_H
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#include "stdint.h"
#include "string.h"
#include "crc.h"
#include "udp.h"
#include "timer.h"
#define MAX_UDP_BUF_SIZE 1000
typedef struct
{
uint32_t Head; // 同步头
uint16_t Len; // 整帧长度(UDP_MSG_LEN+Data长度)
uint16_t CRC16; // CRC校验结果(UDP_MSG_LEN-4+Data长度的数据)
uint16_t SN; // 帧序号
uint32_t Param1; // 参数1
uint32_t Param2; // 参数2
uint32_t AnsResult; // 应答结果
uint8_t Data[MAX_UDP_BUF_SIZE]; // 数据内容（不能超过1024字节）
}__attribute__((packed)) UDP_Message;
#define UDP_FRAME_HEAD 0xC3A53C5A // 帧头
#define UDP_MSG_LEN 22 // 帧头长度
#define UDP_FULL_FRAM_LEN(msgLen) ((msgLen)+4) // 帧头+整帧长度
#define MAX_UDP_FRAME_LEN (4+UDP_MSG_LEN+MAX_UDP_BUF_SIZE)//sizeof(UDP_Message) UDP最大帧长度
typedef enum
{
ACK_PENDING = 0, // 等待反馈
ACK_OK = 0x10, // 命令执行结束，且结果正常
ACK_ERROR = 0x11, // 命令执行过程发生异常
ACK_WARNING = 0x12, // 命令执行结束，但结果异常
ACK_HEAD_ERROR = 0x20, // Head校验错误
ACK_CRC_ERROR = 0x21, // CRC校验错误
ACK_LEN_ERROR = 0x22, // 长度校验错误
ACK_CMD_INVALID = 0x23, // 命令参数错误，无法执行
ACK_RUNNING = 0x22, // 有其他命令正在执行
}CMD_Ack; // 回应类型
}Sub_CMD_Type;
typedef enum
{
RUN_IDLE = 0x01, // 空闲
RUN_TEST_CTRL = 0x02, // 测试
RUN_BURN_IN = 0x03, // 老炼
RUN_UPGRADE = 0x04 // 在线升级
}RunningStType; // 软件运行状态类型
typedef enum
{
COM_ST_UNKNOWN = 0x00, // 未知
COM_ST_PENDING = 0x01, // 等待回应
COM_ST_INIT = 0x02, // 初步OK
COM_ST_TRANS = 0x03, // 可传输
COM_ST_STOP = 0x04 // 已停止
}DeviceComStatus; // 设备通讯状态标识
void User_UDP_Init(void);
int8_t UDP_Send_Data(struct udp_pcb *upcb, uint8_t *pData, uint16_t len);
void UDP_Msgs_Process(void);
void UDP_Send_Msgs(void);
void UDP_Data_Process(void);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif4.效果演示
编写完用户代码后，进行编译运行，连接仿真器在线调式、或者直接烧写到板子中，打开网络监控助手，效果如下。
总结
下面提供的代码，基于STM32F407ZGT芯片编写，可直接在原子开发板上运行，也可运行在各工程项目上，但需要注意各接口以及相应的引脚应和原子开发板上保持一致。
相应的代码链接：单片机STM32F407-Case程序代码例程-CSDN文库