基于A(yíng)RM和W5100的嵌入式以太網(wǎng)通信接口設計

　隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)遠程監控和數據采集領(lǐng)域的飛速發(fā)展，基于以太網(wǎng)的應用接口設備也迅速普及到醫療設備、工廠(chǎng)電力系統等應用。然而，嵌入式以太網(wǎng)接口設計的核心器件是網(wǎng)絡(luò )控制芯片，其性能優(yōu)劣直接影響網(wǎng)絡(luò )通信的效率。
　本文結合ARM技術(shù)，采用32 bit STM32F105V微處理器和高性能的以太網(wǎng)控制芯片W5100實(shí)現高性能、高可靠性的嵌入式以太網(wǎng)通信接口設計，其系統各功能模塊容易擴展和升級。
1 總體設計
　在嵌入式系統設計高速發(fā)展的過(guò)程中，與傳統的基于現場(chǎng)總線(xiàn)方式相比，結合嵌入式系統和以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現數據采集和控制功能越來(lái)越受到廣大嵌入式設計者的青睞，而通信接口設計實(shí)質(zhì)是能夠實(shí)現TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議。使用本接口模塊的核心控制器W5100，應用程序設計者無(wú)需深入了解TCP/IP協(xié)議，也無(wú)需考慮以太網(wǎng)的控制，只需訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )控制器的寄存器，并靈活創(chuàng )建和選擇TCP及UDP套接字(Socket)函數就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信，且不需要操作系統的支持，其具有硬件電路簡(jiǎn)單、編程方便等特點(diǎn)，解決了一般嵌入式設計的軟件設計復雜、網(wǎng)絡(luò )編程工作量大等問(wèn)題，再結合32 bit高性能ARM處理器以真正實(shí)現以太網(wǎng)的高速實(shí)時(shí)傳輸。ARM完成對應用程序的處理，W5100實(shí)現數據傳輸和通信網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的處理。
　具體實(shí)現過(guò)程：數據信號或模擬信號可以通過(guò)STM32F105V豐富的外設接口(RS232總線(xiàn)、CAN總線(xiàn)等)輸入或直接通過(guò)外部數據總線(xiàn)輸入，并且可以用ARM處理器對傳輸的數據和信號做一些預處理工作，然后傳輸到W5100芯片完成網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的處理，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口傳輸到遠程終端(PC機)。相反，遠程終端可以通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)出控制指令，將傳輸信號發(fā)送至ARM或數據輸出端，從而實(shí)現嵌入式系統中網(wǎng)絡(luò )數據的采集和傳輸控制。系統框架如圖1所示。

　本設計利用JTAG接口燒寫(xiě)程序到ARM內部的Flash，外擴I2C接口的128×8(1 Kbits)EEPROM，基地址為Ox40005400，用來(lái)存儲網(wǎng)絡(luò )IP地址、端口號、子網(wǎng)掩碼等網(wǎng)絡(luò )信息，網(wǎng)絡(luò )傳輸狀態(tài)指示燈(LED)反映了數據傳輸的實(shí)時(shí)狀態(tài)。電源由外部電源提供，分別經(jīng)過(guò)MC7805和AS1117芯片穩壓轉換輸出5 V和3.3 V的電壓，這樣就能夠很好地滿(mǎn)足內核、外設以及外部電路的供電[1]。
2 網(wǎng)絡(luò )控制器W5100
　W5100是WIZnet公司最新推出的固件網(wǎng)絡(luò )芯片，內部集成了10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器，支持自動(dòng)應答(全雙工/半雙工模式)，最高通信速率達25 Mb/s。W5100將TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)MAC和PHY三種功能集成于一體，支持硬件化的TCP、UDP、ICMP、IPv4 ARP、IGMP、PPPoE、以太網(wǎng)等協(xié)議，并提供了多種總線(xiàn)接口方式(直接總線(xiàn)接口、間接總線(xiàn)接口、SPI總線(xiàn))便于連接各類(lèi)單片機，可以滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)合的需求。
　W5100內含公共存儲器、端口存儲器、發(fā)送存儲器以及接收存儲器。公共寄存器用來(lái)設置W5100的工作模式、中斷向量、IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、物理地址、超時(shí)值等相關(guān)信息；端口寄存器平均分為4個(gè)相等的存儲器大小，可以單獨對4個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )通道(Socket)設置端口的通信模式(TCP客戶(hù)端模式、TCP服務(wù)器模式、UDP模式)，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據的通信；內部16 KB存儲器的發(fā)送和接收數據緩沖區(8 KB的發(fā)送緩存和8 KB接收緩存區)用來(lái)存放臨時(shí)數據。W5100支持ADSL連接(支持PPPoE協(xié)議、帶PAP/CHAP驗證)，支持自動(dòng)極性變換(MDI/MDIX)并附帶有多功能LED指示燈輸出，時(shí)鐘信號由外部晶振25 MHz提供，分別接入XTLP、XTLN管腳。
　W5100支持80腳的LQFP小型封裝，0.18 μm CMOS工藝，符合環(huán)保要求。3.3 V的單電源工作電壓，I/O口可承受5 V電壓，可以滿(mǎn)足低功耗要求[2]。
3 通信接口硬件設計
　本設計采用嵌入式微處理器和以太網(wǎng)控制器的方式實(shí)現接口轉換，需要用到的芯片主要包括STM32F105V微處理器，W5100網(wǎng)絡(luò )控制器及帶網(wǎng)絡(luò )變壓器的RJ-45接口13F-60系列，AT24LC01B EEPROM等。采用SPI總線(xiàn)接口模式，實(shí)現STM32F105V和網(wǎng)絡(luò )控制器的硬件連接。在串行接口模式下，只需要連接幾個(gè)簡(jiǎn)單的引腳就可以進(jìn)行數據通信[3]。SPI總線(xiàn)接口模式下硬件連接如圖2所示。

　本系統微處理器采用ST公司的STM32F105V，并采用專(zhuān)門(mén)設計的Cortex-M3內核，時(shí)鐘頻率可達72 MHz，256 KB Flash存放程序或數據，64 KB的RAM存放數據，多達80個(gè)I/O接口可以映射到20個(gè)外部中斷。STM32F105V與W5100供電電壓都是3.3 V，所以可以直接連接。
　配置W5100的SEN引腳必須通過(guò)一個(gè)10 kΩ的電阻接高電平，以選擇W5100的SPI接口模式，置STM32F105V為SPI主模式，W5100為SPI從模式，在SPI總線(xiàn)模式下的配置復用輸入輸出接口(AFIO)的PA5、PA6、PA4、PA7分別為SCLK、MISO、/SCS(SPI從模式選擇，低電平有效)、MOSI信號線(xiàn)直接相連，并用軟件設置管腳的輸出最大速度為10 MHz，STM32F105V通過(guò)SPI對W5100讀寫(xiě)操作。
　配置PB5口作為W5100的復位信號/RST_W，低電平有效。為實(shí)現準確的硬件復位，復位引腳RST_W上復位信號至少保持2 μs。
　配置PB1口為外部中斷線(xiàn)1(EXTI1)，并作為W5100的中斷信號輸出端/INT，低電平有效。當W5100在端口產(chǎn)生連接、斷開(kāi)、接收數據、數據發(fā)送完成以及通信超時(shí)等條件下，該引腳輸出低電平信號指示微處理器。
配置PA8口為W5100輸出的以太網(wǎng)物理層信號燈(LINKLED)指示W(wǎng)5100的網(wǎng)絡(luò )連接狀態(tài)，通過(guò)上拉電阻輸入到微處理器，低電平有效。
　此外，為縮小接口設計的面積，本設計采用10/100 Mb/s的13F-60系列帶網(wǎng)絡(luò )變壓器的RJ45接口，W5100的RXIP接RJ45的RD+，RXIN接RD-，并帶有左右兩個(gè)狀態(tài)燈，連接狀態(tài)燈(LINKLED)和動(dòng)態(tài)指示燈顯示接收與發(fā)送狀態(tài)(ACT_LED)，通過(guò)一個(gè)高速開(kāi)關(guān)二極管共陽(yáng)極(開(kāi)關(guān)速度最大值4 ns，重復反向峰值耐壓最大值75 V)與W5100的RXLED/TXLED管腳相連，供電電壓為3.3 V，直接與W5100相連。差分接收和發(fā)送引腳分別通過(guò)兩個(gè)75 Ω的電阻和0.001 μF的電容接地。RJ45接口的內部結構圖如圖3所示。

4 通信接口的軟件設計
4.1 初始化程序設計
　本系統初始化通過(guò)定義結構體的方式完成STM32F105V微處理器和W5100的初始化[4-5]。
微處理器完成系統時(shí)鐘、外設時(shí)鐘、系統啟動(dòng)模式、嵌入式向量式中斷控制寄存器、I2C、通用輸入輸出接口、通用異步接收發(fā)送器、通用定時(shí)器以及SPI等的初始化。
　W5100的初始化主要設置一些關(guān)鍵的寄存器：
　(1)設置模式寄存器(MR)bit[7](軟件復位位)為1，初始化芯片內部寄存器，復位后自動(dòng)清0。
　(2)設置中斷屏蔽寄存器(IMR)為OxFF(屏蔽中斷源)，啟動(dòng)IP地址沖突異常中斷和端口n寄存器(Sn_INT)中斷等，通過(guò)向相應的中斷屏蔽位寫(xiě)1，任何時(shí)候只要中斷寄存器(IR)對應的位也置1，則中斷將產(chǎn)生，CPU通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)IR獲得中斷來(lái)源。
　(3)設置重發(fā)時(shí)間寄存器(RTR)為200 ms(Ox07D0)，當發(fā)出連接、斷開(kāi)等命令而沒(méi)有收到遠程對端的響應或響應延遲時(shí)，產(chǎn)生重發(fā)過(guò)程。
　(4)配置重發(fā)計數寄存器(RCR)為8，設定重發(fā)的次數。
　(5)設置接收緩沖區的大小寄存器(RMSR)和發(fā)送存儲空間大小寄存器(TMSR)都為0x55，每個(gè)端口接口和發(fā)送存儲空間分別分配2 KB的存儲空間。
　(6)設置端口n模式寄存器(Sn_MR)為OxA1，啟動(dòng)廣播功能，設置端口n協(xié)議類(lèi)型為T(mén)CP模式。
　(7)設置端口n命令寄存器(Sn_CR)，端口的初始化、建立/斷開(kāi)連接以及數據傳輸等。
　(8)設置端口n的最大分片長(cháng)度寄存器(Sn_MSS)為1 460。
　初始化完成后，根據SPI協(xié)議編寫(xiě)發(fā)送字節函數SPI_SendByte()，配合Read_W5100和Write_W5100完成字節的讀取和發(fā)送，這里需要定義讀操作碼(OxF0)和寫(xiě)操作碼(Ox0F)，實(shí)現微處理器與W5100數據通信。
4.2 Socket初始化程序設計
　W5100與終端之間的數據交換有多種通信方式，本文采用基于TCP模式的通信方式。TCP是以連接為基礎的通信方式，端口n在進(jìn)行數據通信時(shí)，必須先建立連接。TCP有兩種建立連接方式，一種是服務(wù)器模式(被動(dòng)模式)，需要等待連接請求；另一種是客戶(hù)端模式(主動(dòng)打開(kāi))，需要發(fā)送連接請求給服務(wù)器。本設計配置W5100為服務(wù)器模式，只需對W5100的Socket進(jìn)行配置就可以完成網(wǎng)絡(luò )數據的收發(fā)和啟動(dòng)功能。
　當Socket作為服務(wù)器模式時(shí)，初始化端口需要設置運行模式(Sn_MR)和本機端口號(Sn_Port)，并在端口命令寄存器打開(kāi)(OPEN)端口。引用Socket_Listen(SOCKET s)程序，只調用一次該程序就可使W5100設置為服務(wù)器模式。主要程序如下所示。

　Write_W5100((W5100_S0_MR+s*0x100)，S_MR_TCP)；
　//設置Socket為T(mén)CP模式
　Write_W5100((W5100_S0_CR+s*0x100)，S_CR_OPEN)；
　//打開(kāi)Socket
　Write_W5100((W5100_S0_CR+s*0x100)，S_CR_LISTEN)；
　//設置Socket為偵聽(tīng)模式
　Write_W5100((W5100_S0_CR+s*0x100)，S_CR_CLOSE)；
//關(guān)閉Socket
　完成Socket的打開(kāi)和設置偵聽(tīng)工作后，至于遠程客戶(hù)端是否與其連接，則需要等待Socket中斷，在服務(wù)器偵聽(tīng)模式下，不需要設置目的IP和目的端口號。
　W5100在TCP服務(wù)器模式下的處理流程如圖4所示。

4.3 中斷處理程序設計
　本設計采用中斷方式來(lái)處理數據包的接收和發(fā)送，以提高效率。在W5100處理中斷的過(guò)程中，微處理器首先通過(guò)應訪(fǎng)問(wèn)W5100的中斷寄存器(IR)獲得產(chǎn)生中斷的來(lái)源。中斷寄存器與中斷屏蔽寄存器配合使用，且位是一一對應的，中斷屏蔽寄存器(IMR)的相應位可屏蔽中斷寄存器中任何中斷源。因此，若要使用某個(gè)中斷源，先要將該中斷源在中斷屏蔽寄存器中的相應位置位，以打開(kāi)所需的中斷源，這樣，中斷才會(huì )產(chǎn)生。當中斷產(chǎn)生后，即進(jìn)入中斷處理程序。本設計中的中斷源主要包括端口n中斷事件。一般設置有Socket成功連接(S_IR_CON)、斷開(kāi)連接(S_IR_DISCON)、數據發(fā)送完成(S_IR_SENDOK)、接收到數據(S_IR_RECV)或傳輸超時(shí)(S_IR_TIMEOUT)等事件中斷。
　本文以端口0接收到數據包后的產(chǎn)生一個(gè)接收數據中斷為例說(shuō)明中斷處理過(guò)程。首先，在使用端口0中斷之前，應在初始化程序中將中斷屏蔽寄存器(IMR)中的端口0置位(IMR_S0_INT)，當Socket0發(fā)生中斷時(shí)，IMR_S0_INT=1、IR_S0_INT=1、動(dòng)態(tài)LED燈亮顯示接收狀態(tài)，此時(shí)，W5100的中斷輸出管腳(/INT)輸出低電平，以通知微處理器有中斷產(chǎn)生，微處理器訪(fǎng)問(wèn)中斷寄存器獲取中斷源為接收數據中斷；然后進(jìn)入中斷處理函數，啟動(dòng)發(fā)送函數(S_rx_process)。
4.4 Socket數據接收程序設計
　當端口接收數據時(shí)，產(chǎn)生接收中斷。首先調用端口接收數據包函數Process_Socket_Data()，并對接收到的數據類(lèi)型進(jìn)行判斷和加工。本過(guò)程先調用接收函數S_rx_process()從W5100端口的接收數據緩存區讀取數據，然后將讀取的數據加上接收存儲器讀指針寄存器(S0_RX_RD)的值再寫(xiě)入S0_RX_RD，最后將RECV命令重新寫(xiě)入端口0的命令寄存器(S0_CR)，以等待下次數據的接收?；蛘邔⑻幚硗甑臄祿截惖桨l(fā)送緩沖區，再調用S_tx_process函數發(fā)送數據包給CPU。主要程序如下：

　其中Oxaa和Ox55為接收數據包的標志頭；長(cháng)度位為數據包字節長(cháng)度，不包括數據包頭和本身字符，命令位為對對象數據的操作，為0時(shí)讀取數據，為1時(shí)設置對象數據，目標代碼位用來(lái)顯示對象代碼，如Ox00為網(wǎng)關(guān)IP、Ox01為子網(wǎng)掩碼、0x02為物理地址、LED為狀態(tài)顯示等；數據位為接收到的數據，數據是以16進(jìn)制形式接收，最后再加上2 B的數據報頭和1 B的數據本身。
4.5 Socket數據發(fā)送程序設計
　通過(guò)Socket發(fā)送數據時(shí)，調用發(fā)送數據函數S_tx_process。首先把要發(fā)送的數據緩存在發(fā)送緩沖區(Tx_buffer)中。此外，在發(fā)送數據時(shí)，需先檢查發(fā)送緩存區的剩余空間的大小(Sn_TX_FSR)，控制發(fā)送數據的字節數，如用以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)送的數據最大傳送單元(MTU)不超過(guò)1 500 B。在TCP服務(wù)器模式下，在數據發(fā)送處理過(guò)程中，可不設置目標主機的IP和端口號。剩余空間的大小因寫(xiě)入數據的增加而減少，數據發(fā)送后又自動(dòng)增加。當發(fā)送緩沖區的數據完全寫(xiě)入端口的發(fā)送數據緩存區后，則將數據本身長(cháng)度加上端口傳輸寫(xiě)指針寄存器(Sn_TX_WR)中的值再寫(xiě)入Sn_Tx_WR，再計算發(fā)送緩沖區的偏移量(tx_offset)，用于指示發(fā)送數據的長(cháng)度，最后啟動(dòng)發(fā)送(Sn_CR_SEND)。相關(guān)程序如下：
　i=tx_offset/S_TX_SIZE //計算實(shí)際物理偏移值，
　//S_TX_SIZE由TMSR定義為2 K
　tx_offset=tx_offset-i*S_TX_SIZE //計算實(shí)際物理地址
　//j= W5100_TX+s*S_TX_SIZE+tx_offset
　 Write_W5100(j，Tx_Buffer[i]) //將發(fā)送緩沖區中的
　//數據寫(xiě)入到端口的發(fā)送緩沖區
　Write_W5100((W5100_S0_CR+s*0x100)，S_CR_SEND)
　//啟動(dòng)發(fā)送的指令
　本文以基于A(yíng)RM Cortex-M3的微處理器STM32F105V為核心，結合W5100網(wǎng)絡(luò )控制芯片實(shí)現了嵌入式以太網(wǎng)的連接，該接口設計具有硬件設計簡(jiǎn)單、成本低、集成高度以及軟件開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化控制和數據傳輸領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的市場(chǎng)和應用前景。
參考文獻
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