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現代數據采集領域中，越來越多的現場采集設備需要擴展網絡功能以實現遠程控制和數據傳輸。以太網以其低成本，易于集成，傳輸距離遠的優勢使其得到了廣泛應用。 傳統的以太網解決方案，往往采用主控CPU連接物理層接口芯片，在主控器內編寫以太網通信協議。這種方法需要編寫繁瑣的程序并且耗費大量的時間調試。由于網絡協議一般都比較大，寫入軟件后穩定性欠佳，不利于系統的快速開發與穩定運行，而且客戶時常會有新的需求。這種用軟件實現的方式很難滿足頻繁更新升級的要求。因此，一種方式就是將網絡協議的處理獨立于系統處理器之外，讓應用程序與資料的輸入／輸出分別執行于不同的硬件，來適應多方面的條件。它將網絡協議的處理分成一個由特定處理器執行的控制部分和一個硬件線路部分，這種方式的優點是具有較短的開發周期與較高的彈性，而且能夠增加穩定性并有效降低主CPU負擔，模塊化的設計也便于以后系統的升級。 北京博控自動化有限公司推出的高速硬件以太網協議芯片W51O0，很好的解決了上述問題。它本身集成了高度成熟的TCP／IP協議棧、以太網MAC層、PHY層等，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE等協議，這些協議已經在很多領域經過了多年的驗證。它支持4個獨立的Socket通信，內部16 KB的發送／接收緩沖區可快速進行數據交換，最大有效通信速率可達25 Mbps。使用W5100不需要考慮以太網的控制，只需要進行簡單的端口(socket)編程，像訪問外部存儲器一樣簡單。它提供兩種并行總線接口(直接總線與間接總線)以及串行SPI接口。W5100大大減少了硬件接口設計和網絡編程的工作量，并且可以實現可靠穩定運行的遠程數據通信系統，可廣泛應用于各種安全檢測、電力系統的測量監控音視頻傳輸、遠程信息傳輸等領域。圖1為W5100的系統構架圖。 例如，將以太網技術引入以DSP為核心的嵌入式系統，使DSP芯片具備網絡連接功能，PC就通過網卡與DSP嵌入式模塊進行大量數據交換并對其進行控制。 下面給出了一種TMS320F2812(簡稱F2812)和W5100相結合的嵌入式網絡控制系統，應用程序由DSP來執行，而網絡協議的處理與數據的傳輸則由W5100來實現。在進行系統設計時不必考慮網絡協議的細節，只需要解釋并執行網絡芯片傳送過來的指令和數據就可以實現與Internet網絡連接，且不需要操作系統的支持，具有接口電路簡單，編程方便等特點。系統框圖如圖2所示。 從圖2中可以看出，需要檢測或傳輸的信號和數據可以通過F2812豐富的外設接口直接輸入，并且可以根據實際需要由DSP芯片對其進行預處理工作，然后傳輸至W5100芯片，完成網絡協議的處理，再通過自帶變壓器的RJ45網口傳至PC機。同理，由PC機發出的控制指令或是傳出的數據，也可反方向地傳輸至DSP的信號和數據輸出端，實現了DSP嵌入式系統的網絡化數據采集與傳輸。JTAG接口用來根據具體要求燒寫程序到DSP內部的Flash，外擴RAM用于處理傳輸過程中的數據，SD存儲卡用于存儲數據，它們使得數據的處理變得更加靈活。網絡傳輸狀態指示燈反映了數據傳輸的實時狀態。 W5100與微處理器芯片的接口方式有3種：直接總線接口模式、間接總線接口模式和SPI模式。其中直接總線接口模式適用于大數據量傳輸的情況；SPI模式的接口連線較少，適用于數據量不大，傳輸速率相對較低的情況；間接總線接口模式下的數據傳輸性能則介于它們兩者之間。在本系統中選用直接總線接口模式，以最大限度地提高數據的傳輸速率。 圖3為直接總線接口模式的硬件結構框圖。通過譯碼電路將外擴RAM和W5100映射到F2812的ZONE2區，W5100占用從0X90000到0X98000共32K的地址空間。F2812和W5100的接口電平都是3．3 V，不需要電平轉換器，可以直接連接。F2812的GPIOA0作為W5100的復位信號，兩者的讀寫信號線以及地址線和數據線直接相連，W5100的中斷信號線直接接入F2812的外部中斷XINTl。不難看出，該模式下硬件電路的設計相對簡單，形式類似于DSP芯片外擴RAM，只是增加了復位和中斷兩條控制線。就F2812而言，對W5100的操作與讀寫RAM一樣。 圖3中，W5100的公共寄存器用來設置W5100的工作模式、中斷向量、IP地址、網關地址、子網掩碼、物理地址、超時值等相關信息；套接字寄存器平均分為4部分，對4個獨立的網絡通道單獨設置；發送和接收數據緩沖區用來存放臨時數據。通過設置W5100內部的控制寄存器，設計者完全可以像在局域網中配置IP地址一樣簡單地配置設計的系統，通過靈活創建和選擇TCP和UDP套接字(socket)來完成網上的數據交換。W5100支持多種網絡通信協議。本系統中采用TCP／IP協議的服務器模式，接收PC機的命令并執行相應的數據采集和傳輸工作。程序包括6個子模塊：初始化模塊、創建socket模塊、網絡連接模塊、數據發送模塊、數據接收模塊、關閉socket模塊。初始化模塊主要完成對DSP自身的初始化和對W5100的初始化。DSP的初始化任務主要是設置中斷和根據具體要求設定接口參數。W5100的初始化包括對網關、子網掩碼、IP地址、MAC地址的設置。 依托W5100完善的TCP／IP協議處理功能，使DSP在沒有操作系統的支持下接入Internet網絡，具有簡單、可靠、價格低廉等優點，具有非常好的應用前景。當然，W5100也可以與51、AVR、PIC、ARM等微控制器完美結合使用，快速提供穩定可靠的網絡接入能力。目前，W5100在家庭網絡、串口轉以太網、并口轉以太網、安防設備、嵌入式服務器等方面都有了大量成熟的應用，如機頂盒、數字多媒體設備、工業控制、網絡打印機、視頻監控、網絡門禁以及工廠與建筑自動化等等。速度更快，功能更強大的W5300也開始批量供貨，進一步滿足對高速系統的需求。 |
