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

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，系统需要存软件上编写TCP ／IP协议栈，导致系统开销较大，开发难度高，稳定件差，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10／100M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TMS320F2812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。