基于W5100的DSP快速网络接入解决方案

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现代数据采集领域中，越来越多的现场采集设备需要扩展网络功能以实现远程控制和数据传输。以太网以其低成本，易于集成，传输距离远的优势使其得到了广泛应用。
传统的以太网解决方案，往往采用主控CPU连接物理层接口芯片，在主控器内编写以太网通信协议。这种方法需要编写繁琐的程序并且耗费大量的时间调试。由于网络协议一般都比较大，写入软件后稳定性欠佳，不利于系统的快速开发与稳定运行，而且客户时常会有新的需求。这种用软件实现的方式很难满足频繁更新升级的要求。因此，一种方式就是将网络协议的处理独立于系统处理器之外，让应用程序与资料的输入／输小分别执行于不同的硬件，来适应多方而的条件。它将网络协议的处理分成一个由特定处理器执行的控制部分和一个硬件线路部分，这种方式的优点是具有较短的开发周期与较高的弹性，而且能够增加稳定性并有效降低主CPU负担，模块化的没计也便于以后系统的升级。　深圳市谢氏电子有限公司推出的高速硬件以太网协议芯片W51O0，很好的解决了上述问题。它本身集成了高度成熟的TCP／IP协议栈、以太网MAC层、PHY层等，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE等协议，这些协议已经在很多领域经过了多年的验证。它支持4个独立的Socket通信，内部16 KB的发送／接收缓冲区可快速进行数据交换，最大有效通信速率可达25 Mbps。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口(socket)编程，像访问外部存储器一样简单。它提供两种并行总线接口(直接总线与间接总线)以及串行SPI接口。W5100大大减少了硬件接口设计和网络编程的工作量，并且可以实现可靠稳定运行的远程数据通信系统，可广泛应用于各种安全检测、电力系统的测量监控音视频传输、远程信息传输等领域。


图1为W5100的系统构架图。
　例如，将以太网技术引入以DSP为核心的嵌入式系统，使DSP芯片具备网络连接功能，PC就通过网卡与DSP嵌入式模块进行大量数据交换并对其进行控制。
下面给出了一种TMS320F2812(简称F2812)和W5100相结合的嵌入式网络控制系统，应用程序由DSP来执行，而网络协议的处理与数据的传输则由W5100来实现。在进行系统设计时不必考虑网络协议的细节，只需要解释并执行网络芯片传送过来的指令和数据就可以实现与Internet网络连接，且不需要操作系统的支持，具有接口电路简单，编程方便等特点。系统框图如图2所示。

　从图2中可以看出，需要检测或传输的信号和数据可以通过F2812丰富的外设接口直接输入，并且可以根据实际需要由DSP芯片对其进行预处理工作，然后传输至W5100芯片，完成网络协议的处理，再通过自带变压器的RJ45网口传至PC机。同理，由PC机发出的控制指令或是传出的数据，也可反方向地传输至DSP的信号和数据输出端，实现了DSP嵌入式系统的网络化数据采集与传输。JTAG接口用来根据具体要求烧写程序到DSP内部的Flash，外扩RAM用于处理传输过程中的数据，SD存储卡用于存储数据，它们使得数据的处理变得更加灵活。网络传输状态指示灯反映了数据传输的实时状态。
W5100与微处理器芯片的接口方式有3种：直接总线接口模式、间接总线接口模式和SPI模式。其中直接总线接口模式适用于大数据量传输的情况；SPI模式的接口连线较少，适用于数据量不大，传输速率相对较低的情况；间接总线接口模式下的数据传输性能则介于它们两者之间。在本系统中选用直接总线接口模式，以最大限度地提高数据的传输速率。

　图3为直接总线接口模式的硬件结构框图。通过译码电路将外扩RAM和W5100映射到F2812的ZONE2区，W5100占用从0X90000到0X98000共32K的地址空间。F2812和W5100的接口电平都是3．3 V，不需要电平转换器，可以直接连接。F2812的GPIOA0作为W5100的复位信号，两者的读写信号线以及地址线和数据线直接相连，W5100的中断信号线直接接入F2812的外部中断XINTl。不难看出，该模式下硬件电路的设计相对简单，形式类似于DSP芯片外扩RAM，只是增加了复位和中断两条控制线。就F2812而言，对W5100的操作与读写RAM一样。　图3中，W5100的公共寄存器用来设置W5100的工作模式、中断向量、IP地址、网关地址、子网掩码、物理地址、超时值等相关信息；套接字寄存器平均分为4部分，对4个独立的网络通道单独设置；发送和接收数据缓冲区用来存放临时数据。通过设置W5100内部的控制寄存器，设计者完全可以像在局域网中配置IP地址一样简单地配置设计的系统，通过灵活创建和选择TCP和UDP套接字(socket)来完成网上的数据交换。W5100支持多种网络通信协议。本系统中采用TCP／IP协议的服务器模式，接收PC机的命令并执行相应的数据采集和传输工作。程序包括6个子模块：初始化模块、创建socket模块、网络连接模块、数据发送模块、数据接收模块、关闭socket模块。初始化模块主要完成对DSP自身的初始化和对W5100的初始化。DSP的初始化任务主要是设置中断和根据具体要求设定接口参数。W5100的初始化包括对网关、子网掩码、IP地址、MAC地址的设置。


　依托W5100完善的TCP／IP协议处理功能，使DSP在没有操作系统的支持下接入Internet网络，具有简单、可靠、价格低廉等优点，具有非常好的应用前景。当然，W5100也可以与51、AVR、PIC、ARM等微控制器完美结合使用，快速提供稳定可靠的网络接入能力。目前，W5100在家庭网络、串口转以太网、并口转以太网、安防设备、嵌入式服务器等方面都有了大量成熟的应用，如机顶盒、数字多媒体设备、工业控制、网络打印机、视频监控、网络门禁以及工厂与建筑自动化等等。速度更快，功能更强大的W5300也开始批量供货，进一步满足对高速系统的需求。