一、引言

本次实践旨在使用NXP FRDM-MCXN947开发板的以太网接口，实现开发板和电脑之间的数据通信。通过以太网，电脑可以获取开发板上的温度、触摸和按键信息，并可以通过电脑控制开发板上的RGB LED灯。该任务不仅展示了开发板的强大通信和数据处理能力，也对以太网通信的基本原理进行了实战演练。

二、硬件配置

1. NXP FRDM-MCXN947开发板
2. 以太网电缆
3. 电脑（带以太网接口）

三、软件工具

1. MCUXpresso IDE
2. MDK
3. Socket工具（用于PC端控制和数据获取）

四、架构框图

五、实现步骤

代码已开源在gitee：https://gitee.com/bigstep/mcxn947-demo

1. 开发环境搭建：
2. • 下载并安装MCUXpresso IDE，下载对应的NXP SDK包，这个工具主要用来生成demo测试例程。NXP为这款开发板准备了非常丰富的示例，非常方便我们前期调试学习。
   • 下载RT-Thread源码，创建MDK工程，将MCUXpresso IDE到处的驱动程序集成到MDK工程中
2. 硬件连接：
3. • 使用以太网电缆将开发板和电脑连接。
   • 连接开发板到电脑的USB接口，用于电源和调试。
3. 初始化以太网通信：

   /* Network */
   #define RT_USING_NETDEV
   #define NETDEV_USING_IFCONFIG
   #define NETDEV_USING_PING
   #define NETDEV_USING_NETSTAT
   #define NETDEV_USING_AUTO_DEFAULT
   #define NETDEV_USING_IPV6
   #define NETDEV_IPV4 1
   #define NETDEV_IPV6 1
   #define NETDEV_IPV6_SCOPES
   #define RT_USING_LWIP
   #define RT_USING_LWIP212
   #define RT_USING_LWIP_VER_NUM 0x20102
   #define RT_USING_LWIP_IPV6
   #define RT_LWIP_MEM_ALIGNMENT 4
   #define RT_LWIP_IGMP
   #define RT_LWIP_ICMP
   #define RT_LWIP_DNS
   #define RT_LWIP_DHCP
   #define IP_SOF_BROADCAST 1
   #define IP_SOF_BROADCAST_RECV 1

   static int rt_hw_imxrt_eth_init(void)
   {
       rt_err_t state = RT_EOK;
   ​
       stm32_eth_device.dev_addr[0] = 0x00;
       stm32_eth_device.dev_addr[1] = 0x80;
       stm32_eth_device.dev_addr[2] = 0xE1;
       stm32_eth_device.dev_addr[3] = 0x01;
       stm32_eth_device.dev_addr[4] = 0x02;
       stm32_eth_device.dev_addr[5] = 0x03;
   ​
       stm32_eth_device.parent.parent.init       = rt_stm32_eth_init;
       stm32_eth_device.parent.parent.open       = RT_NULL;
       stm32_eth_device.parent.parent.close      = RT_NULL;
       stm32_eth_device.parent.parent.read       = RT_NULL;
       stm32_eth_device.parent.parent.write      = RT_NULL;
       stm32_eth_device.parent.parent.control    = rt_stm32_eth_control;
       stm32_eth_device.parent.parent.user_data  = &stm32_eth_device;
   ​
       stm32_eth_device.parent.eth_rx     = rt_stm32_eth_rx;
       stm32_eth_device.parent.eth_tx     = rt_stm32_eth_tx;
   ​
       /* register eth device */
       state = eth_device_init(&(stm32_eth_device.parent), "e0");
       if (RT_EOK != state)
       {
           LOG_E("emac device init faild: %d", state);
           state = -RT_ERROR;
       }
   ​
       /* start phy monitor */
       rt_thread_startup(rt_thread_create("phy", phy_monitor_thread_entry, RT_NULL, 1024, RT_THREAD_PRIORITY_MAX - 2, 2));
       return state;
   }
   ​
   INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_imxrt_eth_init);

   ​
   #include <rtthread.h>
   #include <string.h>
   #include <rtdevice.h>
   #include <stdbool.h>
   #include "app.h"
   #include <lwip/sockets.h>
   #include <lwip/sys.h>
   ​
   #define BUFFER_SIZE 1024
   #define CLIENT_PORT 888
   ​
   static int sockfd = -1;
   static char g_rx_buf[BUFFER_SIZE];
   ​
   static void init_udp(void) {
       struct sockaddr_in client_addr;
   ​
       sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
       if (sockfd < 0) {
           rt_kprintf("Socket creation failed\n");
           return;
       }
   ​
       // bind client
       memset(&client_addr, 0, sizeof(client_addr));  
       client_addr.sin_family = AF_INET;  
       client_addr.sin_port = htons(CLIENT_PORT); // Set the fixed client port  
       client_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); // Bind to any interface  
       if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, sizeof(client_addr)) < 0) {  
           perror("Bind failed");
           lwip_close(sockfd);
           sockfd = -1;
           return;
       }
   }
   ​
   int send_udp_data(char *server, uint16_t port, char *data) {
       struct sockaddr_in server_addr;
       if (sockfd < 0) return -1;
       // bind server
       memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
       server_addr.sin_family = AF_INET;
       server_addr.sin_port = htons(port);
       inet_aton(server, &server_addr.sin_addr);  // Convert IP address from text to binary
   ​
       return sendto(sockfd, data, strlen(data), 0, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
   }
   ​
   static void thread_entry(void *parameter) {
       rt_kprintf("udp thread start...\n");
       init_udp();
   ​
       if (sockfd < 0) return;
   ​
       for (;;) {
           ssize_t recv_len = recvfrom(sockfd, g_rx_buf, BUFFER_SIZE - 1, 0, NULL, NULL);
           if (recv_len < 0) {
               rt_kprintf("Recvfrom failed\n");
           } else {
               g_rx_buf[recv_len] = '\0';
               rt_kprintf("%s\n", g_rx_buf);
               char *data = rt_malloc(recv_len + 1);
               memcpy(data, g_rx_buf, recv_len + 1);
               send_rt_msg(APP_MSG_RECV_UDP_CMD, (uint32_t)data, recv_len);
           }
       }
   }
   ​
   static int app_udp_thread_init(void) {
       rt_thread_t thread_id;
   ​
       thread_id = rt_thread_create("udp", thread_entry, RT_NULL, 2048, APP_NORMAL_PRIORITY, 10);
       if (thread_id != RT_NULL) rt_thread_startup(thread_id);
   ​
       return RT_EOK;
   }
   ​
   INIT_APP_EXPORT(app_udp_thread_init);

4. • 配置rt-thread，集成网络模块
4. • 初始化以太网
4. • 初始化UDP客户端：使用了标准socket api接口，单独启动了UDP任务接受UDP数据包recvfrom
4. 获取传感器信息：
   定义一个简单的JSON通信协议：type 指令类型，value 具体的值。比如下面的温度汇报json示例

   {"type": "temp", "value": "31.2"}

   目前type定义有：temp 温度，touch 触摸事件，wakeup 和 isp 两个按钮事件
   使用了比较流行的cJSON第三方库来生成和解析json，生成json函数：

   // {"type": "temp", "value": "31.2"}
   static char *gen_json_cmd(char *type, char *value) {
       cJSON *root = cJSON_CreateObject();
       if (root == NULL) return NULL;
       cJSON *valueJson = cJSON_CreateString(value);
       cJSON_AddItemToObject(root, type, valueJson);
       char *p_json = cJSON_PrintUnformatted(root);
       // free JSON object
       cJSON_Delete(root);
       return p_json;
   }

5. • 使用SDK中的API获取P3T1755DP温度、触摸和按键数据。数据使用JSON进行编码，方便后期扩展。
   • 将这些数据整合为json字符串并通过以太网发送到电脑上。
5. PC端：
6. • PC端的socket工具比较多，我这里使用TCP/UDP Socket调试工具进行测试。
   • 建立一个UDP服务器，监听端口1234，用于接收设备汇报的数据。
6. 控制RGB LED灯：

   {"type": "led-r", "value": "on"}

   目前type定义有：led-r 控制红色的LED灯，led-g 控制绿色的LED灯，led-b 控制蓝色的LED灯
   value：on 打开，off 关闭
   使用 handle_json_cmd 处理上位机发送过来的json字段

   static void handle_json_cmd(cJSON *root) {
       char *type;
       char *value;
       int ctrl = 0;
       // {"type": "led-r", "value": "on"}
       cJSON *typeItem = cJSON_GetObjectItem(root, "type");
       if (!typeItem) {
           return;
       }
       cJSON *valueItem = cJSON_GetObjectItem(root, "value");
       if (!valueItem) { 
           return;
       }
       type = cJSON_GetStringValue(typeItem);
       value = cJSON_GetStringValue(valueItem);
       if (strcmp(value, "on") == 0) ctrl = 1;
       if (strcmp(value, "off") == 0) ctrl = 0;
       if (strcmp(type, "led-r") == 0) {
           if (ctrl) {
               rt_pin_write(LEDR_PIN, PIN_LOW);
           } else {
               rt_pin_write(LEDR_PIN, PIN_HIGH);
           }
       } else if (strcmp(type, "led-g") == 0) {
           if (ctrl) {
               rt_pin_write(LEDG_PIN, PIN_LOW);
           } else {
               rt_pin_write(LEDG_PIN, PIN_HIGH);
           }
       } else if (strcmp(type, "led-b") == 0) {
           if (ctrl) {
               rt_pin_write(LEDB_PIN, PIN_LOW);
           } else {
               rt_pin_write(LEDB_PIN, PIN_HIGH);
           }
       }
   }

7. • 通过上面的UDP工具发送json控制指令。
   • 和发送的 json 基本一致，比如下面的示例

六、实验结果

使用Socket工具来和设备进行交互，首先建立一个UDP Server，监听本地1234端口。设备启动后会自动通过UDP将状态汇报到服务器。数据通过JSON编码。

所有预定功能均已实现：

• 电脑成功获取到了开发板上的温度、触摸和按键信息。
• 电脑成功控制开发板上的RGB LED灯。

七、结论

通过本次实践，了解并掌握了NXP FRDM-MCXN947开发板的以太网通信功能，能够通过以太网进行数据传输及远程控制。该项目展示了以太网通信在嵌入式系统中的实际应用，并为未来更复杂的网络通信项目打下了坚实的基础。

八、未来工作

为了进一步完善系统，可以考虑：

• 加入数据加密以提高通信安全性。
• 优化传输协议以提高数据吞吐量和减少延迟。
• 扩展更多的传感器和外设功能。
• 提供一个上位机UI控制程序，更方便测试。

通过这些改进，这一系统将具有更强的实用性和安全性，能够用于更多实际应用场景。