基于W3100A的IP荷重传感器设计

　　工业生产中，传统测控系统已逐渐由集中式向分散式方向发展。分布在现场的传感器和执行机构的智能越来越强，它们之间也越来越表现出对通信的迫切要求。随着 Intelnet的迅速发展，TCP／IP协议正逐渐成为一种世界通用的网络通信协议标准。如果让处于现场的传感器实现TCP／IP协议，也就是把网络连接功能嵌入到现场传感器中，使传统的传感器真正成为一个独立的网络结点，数据采集、信息传输等都能直接在Intranet／Internet上以Web方式进行，既统一了标准，又达到了远程控制和操作的目的。基于W3IOOA的嵌入式IP荷重传感器正是为实现这种目的而设计的。

　　1 IP荷重传感器结构

　　嵌入式IP荷重传感器是在智能传感器的基础上发展起来的具有Internet功能的新型传感器。其实质是在传统传感器的基础上实现TCP／IP网络通信协议接口，将传感器作为网络节点直接与计算机网络通信。它的组成主要有：敏感单元、智能处理单元和TCP／IP通信协议接口。

　　图l为嵌入式IP荷重传感器的结构框图。整个传感器的工作原理如下：传统的传感器将被测荷重信号转换为电信号，先通过A／D转换器转换为数字信号，再经过微处理器的数据处理（滤波、校准）将结果传送给网络；与网络的数据交换由基于TCP／IP协议的网络接口模块完成。嵌入式IP荷重传感器的内部存储器存储传感器的物理特征，如偏移、灵敏度、校准参数等；微处理器实现数据的处理及输出校准；TCP／IP协议实现传感器的网络连接。与传统的传感器相比，基于 W3100A的嵌入式IP传感器具有可靠、便宜、扩展性好的优点，而且可以在内部直接对原始数据加工、处理，并通过Intranet／Internet与外界进行数据交换，因而它具有微型化、网络化和智能化的特点。由于传感器可与Intranet／Internet互连，因而实现了资源共享。

　　2 TCP／lP协议栈的几种实现方案

　　IP传感器实现的关键在于网络化接口的设计，而网络化接口实现的关键在于TCP／IP通信协议的实现。目前，实现的方法有下面两种：

　　①基于软件来实现TCP／IP协议栈。通过将TCP／IP协议栈移植到系统中，然后调用相关的API函数实现网络通信。或者不采用移植的方法，参照标准的 TCP／IP协议精简相应的协议层，编写相关的API函数完成简易的TCP／IP通信。但是这种方法需要有操作系统、高性能MCU及大容量存储器的支持。

　　②直接采用TCP／IP协议栈芯片。这种方案的主要优点在于，应用系统的设计不必考虑任何网络协议，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，实现数据对网络的传送，且不需要操作系统的支持。本文基于W3IOOA芯片的嵌入式IP荷重传感器就是采用这种方法实现的。

　　3 传感器系统硬件设计

　　3.1 W3100A芯片简介

　　W3100A是韩国Wiznet公司生产的一种TCP／1P协议栈芯片，其中包含的协议层有TCP（传输控制协议）、IP（网际协议）、UDP（用户数据报协议）、ICMP（因持网控制报文协议）和协议的DLC（数据链路控制），以及MAC协议。该芯片提供2个接口给上层应用层——MCU接口和I2C接口，1个MII（Media Independent Interface）接口给底层物理层。芯片支持全双工4 M～5 Mb／s的数据通信；内部带有双口RAM的数据缓冲器，64引脚LQFP封装，内部结构如图2所示。

　　芯片内部提供512 B的控制寄存器存储空间和16 KB的数据存储缓冲器。其中8 KB传输数据缓冲器供Mcu传输数据用，MCU只能写而不能读；8 KB接收数据缓冲器供MCU接收数据用，MCU只能读而不能写。芯片提供寄存器供MCU访问，具体的寄存器分类如下；控制寄存器（命令、状态及中断）；系统寄存器（网关地址、子网掩码、IP地址等）；用于数据收、发的指针寄存器；通道操作的通道寄存器。各寄存器功能和地址参阅文献。

　　3.2 硬件接口及其数据传输

　　W3100A提供了并口和串口两种方式实现与MCU的通信。图3为基于12C的串口连接方式。其中MCU为传感器中的处理器，以太网物理层设备选用 RTIL8201芯片。W3100A提供MII接口与RTL820l相连，其中引脚RX_CLK、RXDV、RXD［3；O］以及COL用于数据的接收，而TX_CLK、TXE、TXD［3：O］用于数据的发送。MCU中提供模拟的I2C接口与W3lOOA通信。I2C是串行通信总线方式，由数据线SDA 和时钟线SCL配合完成通信。

　　TCP连接分主动连接（TCP客户机模式）和被动连接（TCP服务器模式）。本文主要用到TCP被动连接方式，具体过程如图4所示。首先，要完成芯片的 TCP／IP初始化，初始化主要是对必要的寄存器进行相应的设置。这些寄存器包括GAR、SMR、SHAR以及SIPR等。