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嵌入式WEB传感器的网络化接口设计

嵌入式WEB传感器的网络化接口设计- 摘要:介绍了嵌入式WEB传感器的体系结构,提出了网

   摘要:介绍了嵌入式WEB传感器的体系结构,提出了网络化接口中TCP/IP协议栈的几种实现方式,着重探讨了基于TCP/IP协议栈芯片W3100A的网络化接口的实现,最后分析了嵌入式WEB传感器的WEB功能的实现。

    关键词

嵌入式WEB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。

嵌入式WEB传感器的网络化接口设计

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1为嵌入式WEB传感器的体系结构。传统的传感器在嵌入式WEB传感器中只占一部分。核心部分是完成信号处理、数据交换和控制的嵌入式智能单元以及完成数据传输的TCP/IP网络接口。整个传感器的工作机理是:传感器将被测物理量转换为电信号,通过A/D转换为数字信号,经过微处理器的数据处理 (滤波、校准)后将结果传送给网络;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WEB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和补偿以及输出校准;TCP/IP协议实现传感器的直接网络连接。与传统的传感器相比,基于Internet的嵌入式WEB传感器更加可靠、便宜,扩展性更好且可以在内部直接对原始数据加工、处理,并通过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。传感器的网络化接口实现了对Internet或以太网的互连以进行信息的发布和资源共享。其实现方式是嵌入式WEB传感器研究的重点。

网络化接口实现的关键在于TCP/IP通信协议的实现。TCP/IP通信协议的实现方法主要有:采用协议栈移植,针对嵌入式系统,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;不采用移植方式,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;采用协议芯片,如W3100A芯片,该方法直接采用硬件方式实现TCP/IP协议,直接对芯片的寄存器进行设置,实现数据对网络的传送。本文着重探讨采用W3100A芯片实现嵌入式WEB传感器的网络化接口的问题。

嵌入式WEB传感器的网络化接口设计


1 网络化接口的实现

1.1 W3100A芯片及处理器对其访问的实现

W3100A是一TCP/IP协议栈芯片,包含的各协议层有:TCP、IP、UDP、ICMP和以太网协议的数据链路DLC,以及MAC协议。其工作方式类似于Windows的Socket API。芯片的内部结构示意如图2所示。

该芯片可选择地支持Intel/Motorola MCU接口,另外还提供一个I2C接口给上层应用层,一个MII接口给底层物理层。芯片支持全双工模式,内部带有双口的SRAM数据缓冲区。其封装是64脚的LQFP。

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。

比较重要的几个寄存器如表1所示。

表1 寄存器功能和地址示意图

寄存器名称 地  址 类  型 功  能

C0_CR~C3_CR 0X00~0X03 控制寄存器 完成相应通道套接字的初始化、连接、关闭和数据收发

C0_ISR~C3_ISR 0X04~0X07 控制寄存器 套接字命令的结果情况

IR 0X08 控制寄存器 各个通道套接字和数据接收中断产生情况

IMR 00X09 控制寄存器 控制各中断的屏蔽使能

GAR 0X80~0X83 系统寄存器 用于默认的网关地址的设置

SIPR 0x8E~0X91 系统控制 用于IP地址设置寄存器

RW_PR 每寄存器3字节,具体地址见W3100A数据手册 指针寄存器 接收数据的尾指针,依据数据大小自动调整

RR_PR 指针寄存器 接收数据的首指针

TW_PR 指针寄存器 传送数据的尾指针

TR_PR 指针寄存器 传送数据的当前数据指针

TA_PR 指针寄存器 指示传送数据的首指针

SSR C0:0XA0;C1:0XB8
C2:0XD0;C3:0XEB 通道寄存器 相应通道的套接字状态

SOPR C0:0XA1;C1:0XB9
C2:0XD1;C3:0XE9 通道寄存器 相应通道的协议选择

控制寄存器C0_CR(通道0的命令寄存器),用于通道0套接字(Socket)的初始化、连接、关闭和数据收发,其设置如下:

    其中,Sys_init用于设置网关、子网掩码以及IP地址等,1~6位用于通道0套接字的初始化、连接、断开、监听以及数据收发,相应位在命令执行后自动清除。通过套接字协议选择寄存器C0_S0PR设置相应的协议值确定套接字中选用TCP还是UDP。

芯片正常工作必须对其完成相应的初始化。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:网关地址寄存器GAR、子网掩码寄存器SMR、硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等。上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。

1.2 硬件接口及其数据传输

图3 I2C接口示意图


    该芯片提供了并口和串口两种方式实现与MCU的通信。图3为基于I2C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RTL8201芯片。W3100A提供MII接口与RTL8201相连,其中引脚RX_CLK、RXDV、RXD[0:3]以及COL用于数据的接收,而TX_CLK、TXE、TXD[0:3]用于数据的发送。MCU中提供模拟的I2C接口与W3100A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。

(责任编辑:幽灵学院)
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