基于W3100A的IP荷重傳感器設計

工業(yè)生產(chǎn)中，傳統測控系統已逐漸由集中式向分散式方向發(fā)展。分布在現場(chǎng)的傳感器和執行機構的智能越來(lái)越強，它們之間也越來(lái)越表面出對通信的迫切要求。隨著(zhù)internet的迅速發(fā)展，tcp/ip協(xié)議正逐漸成為一種世界通用的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議標準。如果讓處于現場(chǎng)的傳感器實(shí)現tcp/ip協(xié)議，也就是把網(wǎng)絡(luò )連接功能嵌入到現場(chǎng)傳感器中，使傳統的傳感器真正成為一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )結點(diǎn)，數據采集、信息傳輸等都能直接在intranet/internet上以web方式進(jìn)行，既統一了標準，又達到了遠程控制和操作的目的[1]，基于w3100a的嵌入式ip荷重傳感器正是為實(shí)現這種目的而設計的。

1 ip荷重傳感器結構

嵌入式ip荷重傳感器是在智能傳感器的基礎上發(fā)展起來(lái)的，具有internet功能的新型傳感器。其實(shí)質(zhì)是在傳統傳感器的基礎上實(shí)現tcp/ip網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議接口，將傳感器作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)直接與計算機網(wǎng)絡(luò )通信。它的組成主要有：敏感單元、智能處理單元和tcp/ip通信協(xié)議接口。

圖1為嵌入式ip荷重傳感器的結構框圖。整個(gè)傳感器的工作原理如下[2]：傳統的傳感器將被測荷重信號轉換為電信號，先通過(guò)a/d轉換器轉換為數字信號，再經(jīng)過(guò)微處理器的數據處理（濾波、校準）將結果傳送給網(wǎng)絡(luò )；與網(wǎng)絡(luò )的數據交換由基于tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )接口模塊完成。嵌入式ip荷重傳感器的內部存儲器存儲傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準參數等；微處理器實(shí)現數據的處理及輸出校準；tcp/ip協(xié)議實(shí)現傳感器的網(wǎng)絡(luò )連接。與傳統的傳感器相比，基于w3100a的嵌入式ip傳感器具有可靠、便宜、擴展性好的優(yōu)點(diǎn)，而且可以在內部直接對原始數據加工、處理，并通過(guò)intranet/internet與外界進(jìn)行數據交換，因而它具有微型化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化的特點(diǎn)。由于傳感器可與intranet/internet互連，因而實(shí)現了資源共享。

2 tcp/ip協(xié)議棧的幾種實(shí)現方案

ip傳感器的實(shí)現的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò )化接口的設計，而網(wǎng)絡(luò )化接口實(shí)現的關(guān)鍵tcp/ip通信協(xié)議的實(shí)現。目前，實(shí)現的方法有下面兩種：

（1）基于軟件來(lái)實(shí)現tcp/ip協(xié)議堆棧。通過(guò)將tcp/ip協(xié)議棧移植到系統中，然后調用相關(guān)的api函數實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信?；蛘卟徊捎靡浦驳姆椒?，參照標準的tcp/ip協(xié)議精簡(jiǎn)相應的協(xié)議層，編寫(xiě)相關(guān)的api函數完成簡(jiǎn)易的tcp/ip通信。但是這種方法需要有操作系統、高性能mcu及大容量存儲器的支持。

（2）直接采用tcp/ip協(xié)議棧芯片。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于，應用系統的設計不必考慮任何網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，只需要解決并執行網(wǎng)絡(luò )芯片傳送過(guò)來(lái)的指令和數據就可以實(shí)現與internet網(wǎng)絡(luò )連接，實(shí)現數據對網(wǎng)絡(luò )的傳送，且不需要操作系統的支持。本文基于w3100a芯片的嵌入式ip何重傳感器就是采用這種方法實(shí)現的。

3 傳感器系統硬件設計

3.1 w3100a芯片簡(jiǎn)介

w3100a是韓國wiznet公司生產(chǎn)的一種tcp/ip協(xié)議棧芯片，其中包含的協(xié)議層有tcp/（傳輸控制協(xié)議）、ip（網(wǎng)際協(xié)議）、udp（用戶(hù)數據報協(xié)議）、icmp（因特網(wǎng)控制報文協(xié)議）和協(xié)議的dlc（數據鏈路控制），以及mac協(xié)議。該芯片提供2個(gè)接口給上層應用層--mcu接口和i2c接口，1個(gè)mii（media independent interface）接口給底層物理層。芯片支持全雙工4m－5mb/s的數據通信；內部帶有雙口ram的數據緩沖器，64引腳lqfp封裝，內部結構如圖2所示。

芯片內部提供512b的控制寄存器存儲空間和16kb的數據存儲緩沖器。其中8kb傳輸數據緩沖器供mcu傳輸數據用，mcu只能寫(xiě)而不能讀；8kb接收數據緩沖器供mcu接收數據用，mcu只能讀而不能寫(xiě)。芯片提供寄存器供mcu訪(fǎng)問(wèn)，具體的寄存器分類(lèi)如下：控制寄存器（命令、狀態(tài)及中斷）；系統寄存器（網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、ip地址等）；用于數據收、發(fā)的指針寄存器；通道操作的通道寄存器。各寄存器功能和地址參閱文獻[3]。

3.2 硬件接口及其數據傳輸

w3100a提供了并口和串口兩種方式實(shí)現與mcu的通信[4]。圖3為基于i2c的串口連接是方式。其中mcu為傳感器中的處理器，以太網(wǎng)物理層設備選用rtl8201芯片，w3100a提供mii接口與rtl8201相連，其中引腳rx_clk、rxdv、rxd[3：0]以及col用于數據的接收，而tx_clk、txe、txd[3：0]用于數據的發(fā)送。mcu中提供模擬的i2c接口與w3100a通信。i2c是串行通信總線(xiàn)方式，由數據線(xiàn)sda和時(shí)鐘線(xiàn)scl配合完成通信。

tcp連接分主動(dòng)連接（tcp客戶(hù)機模式）和被動(dòng)連接（tcp服務(wù)器模式）。本文主要用到tcp被動(dòng)連接方式，具體過(guò)程如圖4所示。首先，要完成芯片的tcp/ip初始化，初始化主要是對必要的寄存器進(jìn)行相應的設置，這些寄存器包括gar、smr、shar以及sips等。

上述寄存器被設置后通過(guò)執行控制寄存器c0_cr的0位sys_init激活芯片。其次，設置相應通道，如0通道的協(xié)議選擇寄存器c0_sopc為0x01，選擇tcp協(xié)議。執行通道0控制寄存器c0_cr中的socket_init，同時(shí)將c0_tw_pr、c0_tr_pr及c0_ta_pr置成同一值。然后執行c0_cr的connect和listen命令位，tcp連接建立。

tcp數據傳送和接收要在連接建立后才能進(jìn)行，通過(guò)設置rmsr和tmsr來(lái)規定數據緩沖器空間大小。tcp數據傳送過(guò)程是通過(guò)使用c0_tw_pr、c0_ta_pr來(lái)進(jìn)行的，它們的初始值相同。然后mcu根據要傳送數據的多少增加c0_tw_pr的值。最后，c0_tw_pr、c0_ta_pr兩者之差為空閑數據緩沖器空間大小，執行傳送命令，同時(shí)增加c0_ta_pr的值，數據傳送完畢后它們的值又相同。

4 傳感器系統軟件設計

ip荷重傳感器的工作流程是：首先采集荷重信號，其次將信號進(jìn)行a/d轉換后將結果存儲在eeprom中，并可將信號和處理結果嵌入到存儲在eeprom中的事先定制好的網(wǎng)頁(yè)中供客戶(hù)機通過(guò)internet訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)在本機lcd上顯示荷重信號的數據。w3100a的工作方式類(lèi)似于windows的socket api，因此程序是在cygnal公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，把儀器作為服務(wù)器，基于socket api用c語(yǔ)言編寫(xiě)的。對c8051f021而言，由于是用w3100a來(lái)完成tcp協(xié)議，其程序簡(jiǎn)單了許多。通信主程序流程如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò )配置文件預先存儲在eeprom中，對于儀器的本地ip地址設置為一個(gè)靜態(tài)ip地址，如果沒(méi)有一個(gè)靜態(tài)ip地址也可以采用動(dòng)態(tài)主機配置協(xié)議（dhcp）來(lái)動(dòng)態(tài)獲取一個(gè)ip地址。

5 應用實(shí)例

紅礬鈉是一種重要的無(wú)機化工原料。在紅礬鈉的生產(chǎn)中，配料是一個(gè)十分重要的工序。由于配料現場(chǎng)的環(huán)境惡劣，帶毒粉塵多，噪聲大，嚴重影響工人的身體健康[5]。傳統的計算機配料系統由于其傳感器遠傳能力有限，對配料系統的遠距離監控往往力不從心，因此，開(kāi)發(fā)具有web功能的ip傳感器十分必要?；趇p傳感器的紅礬鈉配料系統組成框圖如圖6所示。

系統中，web的工作基于c/s模型，傳感器由web瀏覽器和web服務(wù)器構成，兩者之間采用http協(xié)議進(jìn)行通信，因此在傳感器的上層協(xié)議應該采用http協(xié)議。同時(shí)要實(shí)現瀏覽器與嵌入式web傳感器交互，除了要解決上述tcp/ip通信協(xié)議接口外，在傳感器中應提供一個(gè)eeprom存儲相應的網(wǎng)頁(yè)文件。交互時(shí)，http通過(guò)統一資源定位器url（uniform resource locator）確定傳感器應該為瀏覽器提供哪些資源。為了節省空間，通過(guò)一種靈活的hush算法實(shí)現。eeprom的每一個(gè)文件都有一個(gè)不同的hush值與之相對應，存取時(shí)可以很快計算出文件的地址。此外，它可以根據網(wǎng)頁(yè)中嵌入的特殊標志實(shí)現動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，即顯示實(shí)時(shí)采集的數據并進(jìn)行控制操作。

結語(yǔ)

基于tcp/ip的嵌入式ip荷重傳感器是在計算器技術(shù)、信號處理、網(wǎng)絡(luò )控制等技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的。它實(shí)現了工業(yè)現場(chǎng)的遠程控制及遠程數據采集，使管理人員和測量人員實(shí)現虛擬到場(chǎng)，大大節約了管理成本和管理難度?？梢灶A計，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計算技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，internet已成為企業(yè)管理層的主導網(wǎng)絡(luò )，基于tcp/ip協(xié)議的以太網(wǎng)會(huì )逐漸滲入社會(huì )生活的各個(gè)角落，并不逐步延伸到工業(yè)設備現場(chǎng)。新一代的傳感器--ip傳感器，將具有廣泛的發(fā)展前景。