基于W5100以太网接入设备的设计

　　引言

随着人们生活水平的提高及科学技术的不断发展，以太网无不渗透到日常生活的每个角落，如使用电脑上网、手机上网、网络电视、远程登录等。如何让电饭煲、洗衣机、电冰箱、微波炉等家电设备接入以太网就成为人们关心的话题。因此，设计出一款简单、可靠、廉价、实用的以太网接入设备来实现家用电器接入以太网显得尤为重要。下面主要介绍以太网接入设备的硬件及软件设计。

　　硬件设计

以太网接入设备硬件电路主要由微处理器(LPC2214)、固件网络芯片(W5100)、键盘显示电路、AC/DC电源变换电路、串口电平变换电路(MAX232)及以太网变量器等组成，其原理框图如图1所示。

WIZnet公司的W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成了全硬件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。W5100内部集成有16kB存储器用于数据传输。使用时不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口(Socket)编程。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，可实现无操作系统的Internet连接。

LPC2214为NXP公司ARM7TDMI-S系列处理器的一种，具有片内16k字节静态RAM和256k字节片内FLASH。支持片内Boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用中编程(IAP)，需要的外围器件较少，非常适合低成本的应用场合。

W5100与微处理器之间支持直接总线、间接总线和SPI总线接三种接口方式。

　　直接总线接口

直接总线接口采用15位地址线(A0～A14)，8位数据线(D0～D7)，另加片选(CS/)，读(RD/)，写(WR/)及中断(INT/)等信号线。W5100采用25MHz晶体，LPC2214采用12MHz晶体。

W5100的PHY接口TXOP、TXON、RXIP和RXIN等四根信号线直接连接到以太网变量器上，变量器的另一侧则接上RJ45以太网插座，用于以太网接入。

LPC2214的串口0经接口芯片MAX232电平变换后接入的DB9插座上，用于家用电器直接使用RS-232串口接入。直接总线接口方式的电原理图如图2所示。

　　间接总线接口

间接总线接口采用2位地址线，8位数据线，另加CS/，RD/，WR/ 及INT/等信号线。ADDR[14:2]地址线经过电阻接地。间接总线接口方式电原理图如图3所示。

　　SPI 总线接口

SPI串行接口模式只需要4个引脚进行数据通信。这4个引脚的定义分别为：SCLK、SS/、MOSI、MISO。W5100的SPI使能信号SEN接高电平，使能SPI操作。LPC2214具有两个SPI接口，本例采用第一个SPI口与W5100对接。SPI总线接口方式的电原理图如图4所示。

　　键盘显示接口

键盘显示接口电路主要包括4×4(组成16个键)键盘扫描及显示驱动两部分。键盘扫描主要由LPC2214的8个通用I/O引脚来组成4根行扫线及4根列扫线的16键的键盘阵列，每根信号线均有上拉电阻及去耦电容。键盘由16个高可靠性的微触开关组成。显示驱动主要使用LPC2214的1位地址线，8位数据线，另加CS1/，RD/，及WR/信号线。处理器完成显示屏的初始化及操作过程中的实时显示控制。键盘显示接口电原理图如图5所示。

　　软件设计

软件采用mCOS-II操作系统，采用高级语言C语言进行编程，软件主要由人机接口模块、系统设置模块、数据收发模块等三部分组成。

人机接口模块主要完成4×4键盘扫描、按键去抖动、显示驱动等，用户通过按键操作来完成接入设备设置或查询，并将相应的信息通过显示屏告知用户。

系统设置模块主要对接入设备的参数进行设置，如网关地址寄存器(GAR)、本设备物理地址寄存器(SHAR)子网掩码寄存器(SUBR)设备IP 地址寄存器(SIPR) 及RS-232串口波特率等参数，并将设置好的参数进行保存，下次开机时参数保持不变。其它有关W5100参数设置可以参考其数据手册，手册提供了寄存器的初始化程序，供用户参考。

数据收发模块主要完成接入设备的以太网接口与和RS-232接口之间的数据转发，接收以太网接口来的查询及遥控命令信息，完成对家电等设备的遥控功能。

　　结语

基于W5100以太网接入设备集成有TCP/IP等协议栈，对软件程序员设计水平要求较低。设备外围器件较少，硬件成本低廉，适用于低成本的以太网接入应用场合，具有较高的商业推广价值。目前在家庭娱乐、医疗器械及工业控制等领域等领域有较多应用实例。

　　参考文献:

[1]WIZnet W5100 Datasheet Version 1.0.1[D].

[2]W5100数据手册(中文版)[D].成都浩然电子有限公司, 2008

[3] NXP. LPC2214 Datasheet[D]. 2002

[4]北京博控自动化有限公司. 基于W5100的DSP快速网络接入解决方案[R]. 2009

[5]成都加联科技有限公司. W5100在嵌入式系统中实现TCP/IP网络通信的应用[R].