以太网控制芯片W5100的存储装置设计

引言

    网络的开放性和全球化，促进了人类知识的共享和经济的全球化。以太网技术以其灵活方便的连接方式、良好的开放性、高效、成本低等优点，已经广泛地应用于各种计算机网络，并且还在不断地发展。目前，网络技术在电子产品中的应用越来越广，更多的设备需要提供网络接口，以方便与外部互联通信。

    随着技术的不断发展，越来越多的测试系统、控制机构等都需要实时地、快速地并且远距离地传输数据。传统的存储装置利用RS232、RS485等串口，数据传输速率非常有限，面对大数据量实时传输的要求显得无能为力。现在流行的USB总线可以达到非常高的传输速率，但传输距离有较大的限制。利用以太网接口实现快速、远距离的数据传输和存储是一种非常好的解决方法。

1 系统硬件设计

    系统结构框图如图1所示。该存储装置由双绞线接口RJ45口、以太网接口芯片W5100、TI公司的MSP430系列单片机MSP430FG4618、电源模块、串口读数口等组成。计算机通过自身的网卡及网线与该存储设备相连。RJ45口采用集成网络变压器的13F-60FGYDPNW2NL，可以减少硬件平台的面积，并且使连接更方便。这种网口自带两个小灯，可以直观地显示双绞线的连接情况和数据的传输情况。

1．1 W5100的接口设计

1．1．1 W5100简介

    W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10／100M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可以实现没有操作系统的Internet连接。W5100与IEEE802．310BASE-T和IEEE802．3u 100BASE-TX兼容，内部集成了全硬件的TCP／IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)。W5100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(Socket)编程。

    W5100的主要特性如下：支持自动通信握手(全双工和半双工)；支持自动MDI／MDIX，自动校正信号极性；支持ADSL连接(支持PPPoE协议中的PAP／CHAP认证模式)；支持4个独立端口同时运行；不支持IP的分片处理；内部16 KB存储器用于数据发送／接收缓存；3．3 V工作电压，I／O口可承受5 V电压；80脚LQFP小型封装；支持SPI接口(SPI模式O、3)；多功能LED信号输出(TX、RX、全双工／半双工、地址冲突、连接、速度等)。

    通信模式可选为自动识别，或者强制设定为10BASE-T／100BASE-TX、HDX／FDX等设置的组合通信方式。芯片还提供了许多接口用于接发光二极管，包括Tx(发送)、Rx(接收)、Full／Duplex(全／半双工)、Collision(冲突)、Link(连接)、Speed(速度)的指示灯，以显示芯片的当前工作态。

1．1．2 W5100的接口电路

    W5100和单片机的接口如图2所示。W5100的数据线SD0～SD7直接与单片机的通用I／O口相连。读信号线、写信号线、片选信号、中断信号INT分别与单片机的通用I／O引脚相连。W5100上的复位引脚采用低电平复位，至少要保持20 ms的复位时间，此处采用阻容电路对其进行复位。调节电阻值到10 kΩ，电容值到10μF。

    W5100供电电压为3．3 V和1．8 V，其中1．8 V可由芯片内部线性稳压电源产生，外接滤波电路后供回芯片。W5100通过异步数据地址等接口与单片机相接。芯片的以太网物理单元通过接收RXIP／RXIN和发送TXOP／TXON，将网络接口RJ45和双绞线接入到计算机当中。

    W5100与单片机的接口方式有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。

1．2 串口的设计

    在实际应用中，很可能出现数据已经存入但是RJ45口损坏而没有办法读数的情况。为了防止因RJ45口的损坏而导致整个装置不可用，可加入串口模块直接利用串口进行读数。

2 系统工作原理

2．1 工作状态图

    工作状态图如图3所示。

2．2 网络协议的选择

    W5100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。

    TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是基于连接的协议，也就是说，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须要经过3次“对话”才能建立起来。

    UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。虽然UDP是无连接的协议，它不保证数据包一定能够到达目的主机，但是在本应用中存储器跟主机通常位于同一内部局域网内，网络环境良好，数据丢失的可能性很小。另外，UDP容易实现，占用资源少，传输速度高，可以满足整个装置的应用需要。

3 软件设计

3．1 主程序设计

    软件实现的主程序流程如图4所示。

3．2 寄存器的设置

    通过设置W5100内部的控制寄存器，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。

    常用寄存器主要包括：模式寄存器(MR)、网关地址寄存器(GWR)、子网掩码寄存器(SUBR)、物理地址寄存器(SHAR)、源IP地址寄存器(SI-PR)、中断寄存器(IR)、中断屏蔽寄存器(IMR)、重试时间寄存器(RTR)、重试次数寄存器(RCR)、接收数据缓冲区大小寄存器(RMSR)、发送数据缓冲区大小寄存器(TMSR)等。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。通过对这些寄存器的设置可以选择工作模式及协议栈，设置装置自己的网关、IP、子网掩码、物理地址，还可以对端口进行打开和关闭。

    用户自己定义MAC地址时必须注意，MAC地址的第一个字节必须为偶数。第一个字节为奇数的MAC地址为多播地址，如果把MAC地址的第一个字节定义为奇数，可能会引起网络通信错误。

3．3 读写程序设计

    读时序如图5所示，写时序如图6所示。

    地址线有15位，所以占用单片机的第7、8口，数据线占用第10口。按照读时序编写的读控制函数程序如下：

4 结论

    单片机对以太网卡的驱动是非常关键的一步。利用以太网控制电器设备，无需另外铺设线路，降低了成本，是现代控制发展的一条新出路。该设计方案具有硬件连接简单、功耗低、体积小、运行稳定可靠等优点。