基于W3100A的IP荷重传感器设计

摘  要：介绍基于W31OOA的嵌入式IP荷重传感器结构厦其网络化接口的几种实现方式；着重探讨基于TCP／IP协议栈芯片W3100A的网络化接口及Web功能的实现；给出嵌入式IP荷重传感器的一个应用实例。
关键词：IP传感器 网络化接口 W31OOA 荷重传感器

    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。

    上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器CO_CR的0位Sys_init激活芯片。其次，设置相应通道，如0通道，的协议选择寄存器C0_SOPR为0X01，选择TCP协议。执行通道O控制寄存器CO_CR中的Socket_Init，同时将C0_Tw_PR、C0_TR_PR及CO_TA_PR置成同一值。然后执行C0_CR的Connect和Listen命令位，TCP连接建立。
    TCP数据传送和接收要在连接建立后才能进行，通过设置RMSR和TMSR来规定数据缓冲器空间大小。TCP数据传送过程是通过使用C0_TW_PR、CO_TA_PR来进行的，它们的初始值相同。然后MCU根据要传送数据的多少增加C0_TW_PR的值。，C0_TW_PR、C0_TA_PR两者之差为空闲数据缓冲器空间大小，执行传送命令，同时增加C0_TA_PR的值，数据传送完毕后它们的值又相同。

4 传感器系统软件设计
    IP荷重传感器的工作流程是：首先采集荷重信号，其次将信号进行A／D转换后将结果存储在EEPROM中，并可将信号和处理结果嵌入到存储在EEPROM中的事先定制好的网页中供客户机通过Internet访问，同时在本机LCD上显示荷重信号的数据。W31130A的工作方式类似于Windows的Socket API，因此程序是在Cygnal公司的集成开发环境下，把仪器作为服务器，基于Socket API用C语言编写的。对C8051F021而言，由于是用W3100A来完成TCP协议，其程序简单了许多。通信主程序流程如图5所示。

    网络配置文件预先存储在EEPR()M中，对于仪器的本地IP地址设置为一个静态IP地址，如果没有一个静态IP地址也可以采用动态主机配置协议(DHCP)来动态获取一个IP地址。

5 应用实例
    红矾钠是一种重要的无机化工原料。在红矾钠的生产中，配料是一个十分重要的工序。由于配料现场的环境恶劣，带毒粉尘多，噪声大，严重影响工人的身体健康[…。传统的计算机配料系统由于其传感器远传能力有限，对配料系统的远距离监控往往力不从心，因此，开发具有web功能的IP传感器十分必要。基于IP传感器的红矾钠配料系统组成框图如图6所示。

    系统中Web的工作基于C／S模型，传感器由Web浏览器和Web服务器构成，两者之间采用HTTP协议进行通信，因此在传感器的上层协议应该采用HTTP协议。同时要实现浏览器与嵌入式Web传感器交互，除了要解决上述TCP／IP通信协议接口外，在传感器中应提供一个EEPROM存储相应的网页文件。交互时，HTTP通过统一资源定位器URL(Uniforrm Resource Locator)确定传感器应该为浏览器提供哪些资源。为了节省空间，通过一种灵活的Hllsh算法实现。EEPROM的每一个文件都有一个不同的Hush值与之相对应，存取时可以很快计算出文件的地址。此外，它可以根据网页中嵌入的特殊标志实现动态网页，即显示实时采集的数据并进行控制操作。

  

参考文献:

[1]. W3100A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/W3100A_703008.html.
[2]. LQFP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LQFP_1054170.html.
[3]. C8051F021 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C8051F021_209831.html.