本文介紹了一款單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100，該芯片內(nèi)部集成了TCP/IP硬件協(xié)議棧，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。給出了基于STM32處理器的硬件電路連接圖和軟件程序設(shè)計(jì)。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用在多個(gè)建筑能耗監(jiān)測項(xiàng)目中，運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠，能夠滿足項(xiàng)目對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)一直是工業(yè)控制、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、建筑能耗信息監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域共同關(guān)注的問題，尤其是針對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問題。受傳輸距離的限制，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信方式只適合于近距離的數(shù)據(jù)傳輸;而基于GPRS技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)雖然可以不受距離的限制，但其按照流量進(jìn)行收費(fèi)，對于大量數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸而言資費(fèi)不低，在實(shí)際的項(xiàng)目中應(yīng)用也不是很廣泛。目前，基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以其成本低廉、通信速率高和支持遠(yuǎn)距離通信等諸多優(yōu)點(diǎn)，在監(jiān)測領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。

常見的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)芯片有RTL8019、CS8900、ENC28J60、DM9000、W5100等，其中ENC28J60支持串行SPI接口通信方式，接口電路設(shè)計(jì)相對簡單。RTL8019、CS8900和DM9000都是并行總線式驅(qū)動(dòng)方式，需要連接較多的數(shù)據(jù)線、地址線以及讀寫控制引腳等。W5100既支持串行SPI接口，同時(shí)也支持并行總線方式。這幾款芯片中除了W5100內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧之外，其余都需要用戶自己開發(fā)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序，需要占據(jù)大量的存儲(chǔ)空間以及寶貴的RAM內(nèi)存單元;而且，軟件的實(shí)現(xiàn)方式與硬件集成相比，穩(wěn)定性和可靠性也稍差。

1 W5100芯片介紹

W5100是韓國Wiznet公司生產(chǎn)的一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100M以太網(wǎng)控制器，且經(jīng)過多年實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用驗(yàn)證的硬件TCP/IP協(xié)議棧，提供全雙工以太網(wǎng)解決方案。與該公司之前的產(chǎn)品W3100相比，W5100內(nèi)部集成了物理層RTL8201CP核，它是一款集TCP /IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC和PHY為一體的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，具有更高的集成度和更穩(wěn)定的工作性能，便于硬件實(shí)現(xiàn)。W5100芯片同時(shí)支持直接并行總線、間接并行總線和SPI串行總線共3種接口方式與主控芯片進(jìn)行通信，可以滿足不同場合的需求。這些性能使得用戶不需要考慮以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧的移植等復(fù)雜的軟件驅(qū)動(dòng)程序，可以像訪問外部存儲(chǔ)器一樣操作W5100，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。W5100的性能特點(diǎn)如下：

①內(nèi)嵌10/100BaseT以太網(wǎng)物理層;

②理論最大傳輸率可達(dá)25 Mb/s;

③支持自動(dòng)MDI/MDIX，自動(dòng)校正信號(hào)極性;

④支持ADSL連接(支持PPPOE協(xié)議中的PAD/CHAP認(rèn)證模式);

⑤支持4個(gè)獨(dú)立端口同時(shí)運(yùn)行;

⑥內(nèi)置16 KB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)發(fā)送/接收緩存。

1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能

如圖1所示，W5100將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理分成一個(gè)由特定處理器執(zhí)行的控制部分和一個(gè)硬件線路部分，實(shí)現(xiàn)硬件化的TCP、UDP、ICMP、IPv 4、ARP、IGMP以及PPPoE協(xié)議，含有連接以太網(wǎng)協(xié)議中的數(shù)據(jù)控制及MAC協(xié)議;按照功能可以將W5100的引腳分為與處理器接口的通信引腳、以太網(wǎng)物理層功能引腳、時(shí)鐘引腳、LED工作狀態(tài)指示引腳、電源引腳等幾類。直接總線接口方式需要用到ADDR[0～14]共15個(gè)引腳;而間接總線接口方式只需要用到地址線0和地址線1，其余的地址線ADDR[2～14]通過電阻接地即可;使用SPI接口方式時(shí)需要注意，必須將SEN引腳接高電平，才能使SPI功能有效，后面在硬件電路部分介紹。

1.2 寄存器功能介紹

W5100的寄存器可以分為通用寄存器和端口寄存器兩類。其中，通用寄存器包括對W5100的網(wǎng)絡(luò)配置、中斷、超時(shí)參數(shù)以及緩沖區(qū)大小等設(shè)置;端口寄存器是針對W5100的4個(gè)獨(dú)立的端口設(shè)置，包括端口模式寄存器、端口命令寄存器、端口中斷寄存器和端口狀態(tài)寄存器等在內(nèi)的共17個(gè)寄存器。

通用寄存器的詳細(xì)信息如表1所列。針對中斷寄存器IR共有7個(gè)中斷源，當(dāng)任何一個(gè)未被屏蔽的中斷置為高電平時(shí)，W5100的中斷輸出引腳INT將會(huì)一直保持低電平，MCU通過讀取IR寄存器定位中斷源，并進(jìn)行中斷程序處理，之后清零IR中相應(yīng)的位，INT引腳才恢復(fù)為高電平。

W5100內(nèi)部共有16 KB發(fā)送/接收緩沖區(qū)，發(fā)送和接收各占8 KB，默認(rèn)每個(gè)端口的發(fā)送和接收均為2 KB，即RMSR=TMSR=0x55，在實(shí)際使用過程中，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整發(fā)送/接收緩沖區(qū)大小。如圖2所示，通過修改每個(gè)端口對應(yīng)的S1和S0寄存器可以修改相應(yīng)的端口緩沖區(qū)大小。

端口寄存器是分別針對4個(gè)獨(dú)立Socket的寄存器，以Sn_xx的形式表示，其中n取值為0、1、2、3。端口模式寄存器Sn_MR定義了該端口工作在TCP模式或者是UDP模式，不同模式下端口寄存器的表現(xiàn)形式不一，本文對此不作過多的闡述。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文核心處理器采用的是STM32F103VET6，它是一款基于Cortex—M3內(nèi)核的ARM處理器芯片，內(nèi)部集成了512K Flash程序存儲(chǔ)空間和64K的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。STM32F103VET6最高工作頻率72 MHz，含有資源外設(shè)接口，包括2個(gè)12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、7個(gè)定時(shí)器、CAN總線接口、SPI通信接口、3路USART串行通信接口等資源。圖3展示了基于STM32F103VET6的W5100通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、

JTAG調(diào)試電路和W5100以太網(wǎng)通信電路。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中STM32F103VET6處理器采用SPI串行接口方式與W5100進(jìn)行通信，硬件電路連接如圖4所示。13F-60FGYDPNW2濾波器帶有網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45接口元件。W5100的通信、控制引腳分別與STM32F103-VET6相連接，其中INT引腳連接PC4(外部中斷4)，該引腳低電平有效。當(dāng)W5100產(chǎn)生連接、斷開、發(fā)送數(shù)據(jù)完成、接收到數(shù)據(jù)或者通信超時(shí)等情況時(shí)，該引腳將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從高電平到低電平的跳變，觸發(fā)一次中斷。W5100的RST_BG引腳需要通過一個(gè)12.3 kΩ的電阻接地，由于沒有標(biāo)稱12.3 kΩ的電阻，因此采用12 kΩ電阻+300 Ω精密電阻的方式連接。[!--empirenews.page--]

W5100工作頻率較高，為了保證通信的穩(wěn)定性、可靠性，在設(shè)計(jì)PCB電路板的時(shí)候有幾點(diǎn)需要注意：

①RJ45接口元件與W5100之間的距離要足夠的小;

②終端匹配模塊要盡量地靠近網(wǎng)絡(luò)變壓器;

③晶振布局要遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)變壓器和TX、RX導(dǎo)線，避免對高速信號(hào)造成干擾;

④去耦電容距W5100的位置越近越好，導(dǎo)線相對越寬越好。

2.2 軟件程序設(shè)計(jì)

W5100的程序設(shè)計(jì)包括初始化和Socket驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分，初始化過程主要對芯片內(nèi)部的各寄存器編程來實(shí)現(xiàn)芯片的復(fù)位、收發(fā)緩沖器設(shè)置等底層工作，初始化過程涉及的寄存器包括：

①RMSR(接收緩沖區(qū)寄存器)和TMSR(發(fā)送緩沖區(qū)寄存器)設(shè)置為0xAA(默認(rèn)為0x55)，本系統(tǒng)中只用到了Socket0和Socket1兩個(gè)端口，岡此將緩沖區(qū)設(shè)置為4 KB，增大發(fā)送和接收空間。

②RTR(重發(fā)時(shí)間寄存器)按照默認(rèn)值設(shè)置，即200 ms(0x07D0)。通信過程中，當(dāng)發(fā)出連接、斷開等命令后，在200 ms內(nèi)沒有收到對方的響應(yīng)時(shí)，將會(huì)觸發(fā)重發(fā)機(jī)制。

③RCR(重發(fā)計(jì)數(shù)寄存器)設(shè)置為8次。

④IMR(中斷屏蔽寄存器)，通過向相應(yīng)的中斷屏蔽位寫入1使能相應(yīng)的中斷源，指出了IMR的每一位對應(yīng)的中斷源，本系統(tǒng)中需要開啟7、6、1、0即可。即設(shè)置IMR寄存器為0xC3，中斷產(chǎn)生后，STM32F103VET6可以通過訪問IR寄存器獲得中斷來源，從而進(jìn)行相應(yīng)的中斷程序處理。中斷屏蔽寄存器如下。

除了上面幾個(gè)寄存器之外，還需要設(shè)置MAC地址、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址等，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用向?qū)?yīng)的控制位寫入相應(yīng)的地址即可，這里不再贅述。

W5100可以工作在TCP和UDP兩種通信模式下，在不同的通信模式下又分為客戶端和服務(wù)器兩種工作狀態(tài)，TCP是面向連接的以太網(wǎng)通信，相比UDP可以提供更可靠的通信服務(wù)。本文通過W5100建立TCP的客戶端工作模式，將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器。如圖5所示，客戶端首先向服務(wù)器發(fā)起請求連接，成功建立連接之后，當(dāng)周期性數(shù)據(jù)采集任務(wù)結(jié)束后，將向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包;如果遇到網(wǎng)絡(luò)阻塞，會(huì)產(chǎn)生通信超時(shí)或者沒有響應(yīng)等情況，將會(huì)終止一次通信連接，關(guān)閉Socket，然后重新發(fā)起新的連接請求，循環(huán)反復(fù)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，通過本文開發(fā)的基于W5100的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在遼寧省建筑能耗監(jiān)測平臺(tái)、太原理工大學(xué)節(jié)約型校園監(jiān)管平臺(tái)、大連市公共機(jī)構(gòu)能耗監(jiān)管平臺(tái)等多個(gè)能耗監(jiān)測項(xiàng)目當(dāng)中。其中，遼寧省項(xiàng)目覆蓋范圍最廣，涉及到省內(nèi)14個(gè)地級(jí)市共50棟建筑的能耗采集與傳輸工作。調(diào)試期間，因能耗采集周期和上傳周期均一致，并且各客戶端的時(shí)間信息通過服務(wù)器進(jìn)行同步，導(dǎo)致所有的客戶端均在同一個(gè)時(shí)刻向數(shù)據(jù)中心發(fā)起連接或者發(fā)送能耗信息數(shù)據(jù)，如圖6所示(上傳周期為5 min)，第1分鐘的C1～Cn表示各地的數(shù)據(jù)采集器在同一時(shí)刻向服務(wù)器發(fā)起連接請求，第5 min的C1～Cn表示各數(shù)據(jù)采集器在同一時(shí)刻向服務(wù)器發(fā)送能耗數(shù)據(jù)信息，從而造成服務(wù)器偶爾因連接負(fù)載過多造成采集軟件死機(jī)等情況發(fā)生。

解決該問題的方法其實(shí)很簡單，設(shè)置各客戶端分時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)即可，但如果對不同的客戶端下載不同版本的程序，從而達(dá)到分時(shí)的目的，實(shí)際操作過程中很不方便，而且造成程序版本不唯一，容易出現(xiàn)問題。經(jīng)過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，各客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量不一，與服務(wù)器成功建立連接的時(shí)間不同，通過下面的方法巧妙地將該問題解決，如圖7所示。

通過在程序中加入下面兩行代碼：

Write_W5100(W5100_S0_CR，S_CR_SEND KEEP);

//監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

SSR0_state=Read_W5100(W5100_S0_SSR);

//讀取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

對當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測，客戶端與服務(wù)器成功建立連接之后，寄存器ssr0_state變?yōu)?x17，記錄從發(fā)起連接到建立連接之間的時(shí)間差△T，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)順延△T時(shí)刻再發(fā)送，從而零成本解決了負(fù)載過大的難題。遼寧省項(xiàng)目自2010年7月開始運(yùn)行，至今已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行2年多時(shí)間，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)上傳，工作穩(wěn)定可靠。

結(jié)語

本文以STM32F103VET6為核心處理器，通過單片網(wǎng)絡(luò)控制芯片W5100建立了以太網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高集成度、低成本、開發(fā)周期短等優(yōu)勢。針對建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)多個(gè)客戶端同時(shí)發(fā)起連接和上傳數(shù)據(jù)造成的服務(wù)器壓力過大問題，文中通過監(jiān)測客戶端與服務(wù)器之間的連接時(shí)間點(diǎn)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)順延時(shí)間差△T，巧妙地解決了該問題。實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，應(yīng)用前景良好。