嵌入式通信系统【基于W5100的嵌入式网络通信系统】

　　摘 要：文中介绍了一种基于新型独立以太网接口芯片W5100的软硬件设计方法。详细介绍了新型独立以太网控制器W5100的结构、功能、外围电路，并对W5100与DSP通讯和两者TCP/IP协议栈的实现进行了软硬件设计。
　　关键词：W5100芯片；DSP；以太网；TCP/IP协议栈
　　Based on the W5100 embedded network communication system
　　WU Fan, WU Zhen-ning
　　（Electronic Engineering Research Institute, Shaanxi 710100）
　　Abstract: This paper introduces a method based on model independent Ethernet interface chip W5100hardware and software design method. Details of the new independent Ethernet controller W5100structure, function, the external circuit, and the communication between DSP and W5100both TCP/IP protocol stack for the realization of the hardware and software design.
　　Keywords: chip W5100; DSP; ethernet; TCP/IP protocol stack
　　随着互联网的普及和以太网的迅速发展，基于以太网的控制设备越来越多，发展也越来越快。目前，以太网已经广泛地应用于各种计算机网络，通过以太网可以使不同的网络控制设备实现互连、交换数据。现在以太网由于其高度可靠性和方便灵活的接口，在嵌入式领域应用越来越普及。
　　用以太网实现嵌入式系统的网络连接有多种方案，传统的多器件以太网连接方案是通MCU扩展以太网控制器来实现的，必要时还需要扩展外部RAM和ROM以及物理层(PHY)协议芯片和网络变压器，现在大多数设计都采用这种方案，但所用外部元件数量较多，系统需要在软件上编写TCP/IP协议栈，导致系统开销较大，开发难度高，稳定性差，不适合低成本小型化场合。此外，采用现成的串口转网口模块，开发非常容易，但是其传输速率比较低，数组之间可靠传输的延时一般得几十毫秒，难以满足大多数场合的应用。 采用W5100以太网芯片，可以大大减少外围器件，其硬件TCP/IP协议栈可以大大减少CPU开销，提高系统可靠性。下面是几种常用网络连接方案的对比(见表1)。
　　1 系统的硬件结构
　　W5100是韩国WIZNET公司2006年推出的一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有 10/100 M以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用W5100可以实现无操作系统的Internet连接。W5100内部集成了全硬件的、且经过多年市场验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)。硬件 TCP/IP 协议栈支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP 和 PPPoE，这些协议已经在很多领域经过了多年验证。内部还集成有16 kB存储器用于数据传输。使用W5100不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程。其内部结构如图1所示。
　　主要特性：
　　◇ 有效数据传输速率可达25 Mbps；
　　◇ 内嵌10Base/100BaseTX以太网物理层，支持极性自动变换；
　　◇ 硬件TCP/IP支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、IPv4、ARP、PPPoE协议；
　　◇ 支持4个独立Sockets同时连接；
　　◇ 8位数据总线，支持并行总线接口、以及串行SPI接口；
　　◇ 3.3 V供电，实现低功耗。
　　我们选用TI主推的2000系列DSP芯片TMS320 F2812与W5100进行通信，由于两个芯片都是3.3 V供电，所以管脚直接相连就可以，硬件也比较简单，系统的硬件连接如图2所示，用DSP的通用IO来控制W5100的片选，DSP的读写与W5100的读写相连，地址线与数据线互相连接，W5100的接收和发送通过网络变压器转换为以太网电平信号，通过RJ45网络通用插座与外界相连。
　　2 系统软件初始化
　　W5100的初始化操作很简单，就是DSP向不同的地址写数据就可以。主要包括W5100初始化和W5100的Socket初始化。
　　W5100初始化主要包括设置本地IP地址、网关、物理地址以及分配接收和发送缓冲区的大小，设置Socket工作于何种方式，例如UDP或者TCP。设置目的地的IP地址、物理地址，设置传输数据的最大字节数等，图3为其初始化的步骤。
　　初始化完毕后，DSP进入循环，等待中断，中断包括连接成功、终止连接、接收数据、发送数据、超时等事件中断，如果有中断，进入相应的中断处理程序即可。
　　W5100的中断分为ip地址冲突中断，UDP协议下数据无法到达目的地中断，TCP协议下端口成功连接中断，TCP协议下端口成功连接中断，数据发送完成中断，接收到数据中断，数据传输超时中断。各个中断引入相应的处理即可。
　　3 结束语
　　在现在嵌入式产品中，以太网通信已成为主流，传统以太网扩展方法由于网络协议栈开发难度大，所以网络通信在低成本，简单应用场合还很受局限。W5100在开发难度低而且成本低廉，随着W5100系列硬件协议以太网芯片应用的普及，必将推动网络信息化深入民用，工业，军工等各个领域，在某些场合逐步替代传统的通讯方式。
　　参考文献
　　[1] Wiznet incorporated. 《High performance internet connectivity solution W5100》.
　　作者简介
　　吴凡，工程师，就职于西安电子工程研究所，主要研究方向为嵌入式系统。