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gaoro-xiao aca8cd3980 添加项目技术实现文档：系统架构、任务设计、驱动层、透传方案

2026-03-23 14:53:57 +08:00

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TCP2UART 项目技术实现

一、系统架构

+-------------------+        +-------------------+
|   TCP Server      |        |   TCP Client      |
|   (监听端口)       |        |   (连接远程服务器)  |
+--------+----------+        +--------+----------+
         |                              |
         |          CH390D              |
         +------------------------------+
                     |
              +------v------+
              |   STM32     |
              |  F103R8T6   |
              +------+------+
                     |
       +-------------+-------------+
       |             |             |
   +---v---+    +---v---+    +---v---+
   | UART1 |    | UART2 |    | UART3 |
   | 配置口 |    | 透传口 |    | 透传口 |
   +-------+    +-------+    +-------+

二、外设分配

外设	功能	对应链路
SPI1	CH390D 通信接口	-
UART1	参数配置串口	配置通道
UART2	数据透传	Server 链路
UART3	数据透传	Client 链路
GPIO	CH390D INT/RST	-
TIM2	FreeRTOS Tick	-

三、FreeRTOS 任务设计

3.1 任务划分

任务名	优先级	功能	栈大小
NetServerTask	High	TCP Server 管理 + 数据收发	512 words
NetClientTask	High	TCP Client 管理 + 数据收发	512 words
Uart2Task	Normal	UART2 数据收发（Server 透传）	256 words
Uart3Task	Normal	UART3 数据收发（Client 透传）	256 words
ConfigTask	Low	UART1 配置命令解析	256 words

3.2 任务间通信

NetServerTask <--Queue1--> Uart2Task
NetClientTask <--Queue2--> Uart3Task
ConfigTask <--独立运行--> (读写参数Flash)

Queue1: Server 网络数据 <-> UART2 双向队列（128 bytes）
Queue2: Client 网络数据 <-> UART3 双向队列（128 bytes）

3.3 数据流向

Server 链路:
  TCP Client → CH390D → NetServerTask → Queue1 → Uart2Task → UART2
  UART2 → Uart2Task → Queue1 → NetServerTask → CH390D → TCP Client

Client 链路:
  远程服务器 → CH390D → NetClientTask → Queue2 → Uart3Task → UART3
  UART3 → Uart3Task → Queue2 → NetClientTask → CH390D → 远程服务器

四、CH390D 驱动层

4.1 接口设计

/* ch390d.h */
typedef struct {
    SPI_HandleTypeDef *hspi;
    GPIO_TypeDef *int_port;
    uint16_t int_pin;
    GPIO_TypeDef *rst_port;
    uint16_t rst_pin;
} CH390D_HandleTypeDef;

HAL_StatusTypeDef CH390D_Init(CH390D_HandleTypeDef *hch);
HAL_StatusTypeDef CH390D_SetMAC(CH390D_HandleTypeDef *hch, uint8_t *mac);
HAL_StatusTypeDef CH390D_SetIP(CH390D_HandleTypeDef *hch, uint8_t *ip, uint8_t *mask, uint8_t *gw);
HAL_StatusTypeDef CH390D_TCP_Listen(CH390D_HandleTypeDef *hch, uint8_t sock, uint16_t port);
HAL_StatusTypeDef CH390D_TCP_Connect(CH390D_HandleTypeDef *hch, uint8_t sock, uint8_t *ip, uint16_t port);
HAL_StatusTypeDef CH390D_TCP_Send(CH390D_HandleTypeDef *hch, uint8_t sock, uint8_t *data, uint16_t len);
HAL_StatusTypeDef CH390D_TCP_Recv(CH390D_HandleTypeDef *hch, uint8_t sock, uint8_t *buf, uint16_t *len);
HAL_StatusTypeDef CH390D_GetSocketStatus(CH390D_HandleTypeDef *hch, uint8_t sock, uint8_t *status);

4.2 初始化流程

1. 复位 CH390D（RST 引脚）
2. 配置 SPI 通信参数
3. 设置 MAC 地址
4. 设置 IP/Mask/Gateway
5. 配置 Socket0 为 TCP Server 模式
6. 配置 Socket1 为 TCP Client 模式
7. 使能中断

五、TCP 链路管理

5.1 Server 链路（Socket0）

void NetServerTask(void *param) {
    while(1) {
        switch(server_state) {
            case STATE_LISTEN:
                // 等待客户端连接
                if(CH390D_CheckConnect(&hch, 0)) {
                    server_state = STATE_CONNECTED;
                }
                break;
                
            case STATE_CONNECTED:
                // 接收数据
                if(CH390D_TCP_Recv(&hch, 0, rx_buf, &len) == HAL_OK) {
                    xQueueSend(uart2_queue, rx_buf, portMAX_DELAY);
                }
                
                // 发送数据
                if(xQueueReceive(server_tx_queue, tx_buf, 0) == pdTRUE) {
                    CH390D_TCP_Send(&hch, 0, tx_buf, len);
                }
                
                // 检测断开
                if(CH390D_CheckDisconnect(&hch, 0)) {
                    server_state = STATE_DISCONNECTED;
                }
                break;
                
            case STATE_DISCONNECTED:
                // 重新监听
                CH390D_TCP_Listen(&hch, 0, SERVER_PORT);
                server_state = STATE_LISTEN;
                break;
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    }
}

5.2 Client 链路（Socket1）

void NetClientTask(void *param) {
    while(1) {
        switch(client_state) {
            case STATE_DISCONNECTED:
                // 尝试连接远程服务器
                if(CH390D_TCP_Connect(&hch, 1, remote_ip, remote_port) == HAL_OK) {
                    client_state = STATE_CONNECTING;
                } else {
                    vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(3000)); // 3秒后重试
                }
                break;
                
            case STATE_CONNECTING:
                if(CH390D_CheckConnect(&hch, 1)) {
                    client_state = STATE_CONNECTED;
                } else if(CH390D_CheckTimeout(&hch, 1)) {
                    client_state = STATE_DISCONNECTED;
                }
                break;
                
            case STATE_CONNECTED:
                // 数据收发同 Server 链路
                // 断线后自动回到 STATE_DISCONNECTED
                break;
        }
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    }
}

六、串口透传层

6.1 UART DMA 配置

/* 使用 DMA + 空闲中断接收，提高效率 */
void UART2_Init(void) {
    // 波特率可配置（9600/115200/230400/460800）
    huart2.Init.BaudRate = 115200;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    
    // 使能 DMA 接收
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, uart2_rx_buf, UART_BUF_SIZE);
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart2, UART_IT_IDLE);
}

6.2 透传数据流

/* UART2 空闲中断回调 */
void UART2_IdleCallback(void) {
    uint16_t len = UART_BUF_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart2.hdmarx);
    if(len > 0) {
        xQueueSendFromISR(server_tx_queue, uart2_rx_buf, len);
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, uart2_rx_buf, UART_BUF_SIZE);
    }
}

/* UART2 发送任务 */
void Uart2Task(void *param) {
    uint8_t buf[128];
    while(1) {
        if(xQueueReceive(uart2_queue, buf, portMAX_DELAY) == pdTRUE) {
            HAL_UART_Transmit(&huart2, buf, len, 100);
        }
    }
}

七、参数配置

7.1 配置命令格式（UART1）

AT+IP=192.168.1.100\r\n      // 设置设备IP
AT+MASK=255.255.255.0\r\n    // 设置子网掩码
AT+GW=192.168.1.1\r\n        // 设置网关
AT+PORT=8080\r\n             // 设置Server监听端口
AT+RIP=192.168.1.200\r\n     // 设置Client连接的远程IP
AT+RPORT=9000\r\n            // 设置Client连接的远程端口
AT+BAUD1=115200\r\n          // 设置UART2波特率
AT+BAUD2=115200\r\n          // 设置UART3波特率
AT+SAVE\r\n                  // 保存参数到Flash
AT+RESET\r\n                 // 重启设备
AT+?\r\n                     // 查询当前配置

7.2 参数存储结构

typedef struct {
    uint32_t magic;           // 0x54435055 "TCPU"
    uint8_t  ip[4];
    uint8_t  mask[4];
    uint8_t  gw[4];
    uint16_t server_port;     // Server 监听端口
    uint8_t  remote_ip[4];    // Client 远程IP
    uint16_t remote_port;     // Client 远程端口
    uint32_t uart2_baud;      // UART2 波特率
    uint32_t uart3_baud;      // UART3 波特率
    uint32_t crc;             // CRC32校验
} ConfigTypeDef;

7.3 Flash 存储

/* 使用 STM32F103 内部 Flash 最后一页存储配置 */
#define CONFIG_FLASH_ADDR  0x0800FC00  // 64KB Flash最后1KB

void Config_Save(ConfigTypeDef *cfg) {
    cfg->crc = CRC32_Calculate((uint8_t*)cfg, sizeof(ConfigTypeDef)-4);
    FLASH_ErasePage(CONFIG_FLASH_ADDR);
    FLASH_Program(CONFIG_FLASH_ADDR, cfg, sizeof(ConfigTypeDef));
}

void Config_Load(ConfigTypeDef *cfg) {
    memcpy(cfg, (void*)CONFIG_FLASH_ADDR, sizeof(ConfigTypeDef));
    if(cfg->magic != 0x54435055 || CRC32_Check(cfg) != HAL_OK) {
        Config_Default(cfg);  // 加载默认配置
    }
}

八、关键配置

8.1 FreeRTOS 配置

/* FreeRTOSConfig.h 关键参数 */
#define configUSE_PREEMPTION        1
#define configCPU_CLOCK_HZ          72000000
#define configTICK_RATE_HZ          1000
#define configMAX_PRIORITIES        5
#define configMINIMAL_STACK_SIZE    128
#define configTOTAL_HEAP_SIZE       10240  // 10KB
#define configUSE_MUTEXES           1
#define configUSE_COUNTING_SEMAPHORES 1

8.2 缓冲区配置

#define UART_BUF_SIZE      256    // 串口接收缓冲区
#define NET_BUF_SIZE       256    // 网络接收缓冲区
#define QUEUE_ITEM_SIZE    128    // 队列单次传输大小
#define QUEUE_LENGTH       4      // 队列深度

九、丢包测试方案

9.1 测试方法

TCP 发送端：连续发送递增序号数据包（10000包 × 100字节）
串口接收端：统计接收数据包数量及序号连续性
反向测试：串口发送 → TCP 接收

9.2 测试指标

指标	要求
丢包率	< 0.01%
延迟	< 10ms
吞吐量	> 90% 理论值

9.3 测试脚本（PC端）

import socket
import time

def send_test(host, port, count=10000):
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.connect((host, port))
    
    for i in range(count):
        data = f"PKT{i:06d}".encode() + b'\x00' * 92  # 100字节
        sock.send(data)
        time.sleep(0.001)  # 1ms间隔
    
    sock.close()
    print(f"Sent {count} packets")

def recv_test(port, timeout=30):
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    sock.bind(('0.0.0.0', port))
    sock.listen(1)
    conn, addr = sock.accept()
    
    recv_count = 0
    start = time.time()
    while time.time() - start < timeout:
        data = conn.recv(1024)
        if data:
            recv_count += len(data) // 100
    
    conn.close()
    print(f"Received {recv_count} packets")

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TCP2UART 项目技术实现

一、系统架构

二、外设分配

三、FreeRTOS 任务设计

3.1 任务划分

3.2 任务间通信

3.3 数据流向

四、CH390D 驱动层

4.1 接口设计

4.2 初始化流程

五、TCP 链路管理

5.1 Server 链路（Socket0）

5.2 Client 链路（Socket1）

六、串口透传层

6.1 UART DMA 配置

6.2 透传数据流

七、参数配置

7.1 配置命令格式（UART1）

7.2 参数存储结构

7.3 Flash 存储

八、关键配置

8.1 FreeRTOS 配置

8.2 缓冲区配置

九、丢包测试方案

9.1 测试方法

9.2 测试指标

9.3 测试脚本（PC端）

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