基于W3100A的IP荷重傳感器設計

工業生產中，傳統測控系統已逐漸由集中式向分散式方向發展。分布在現場的傳感器和執行機構的智能越來越強，它們之間也越來越表面出對通信的迫切要求。隨著internet的迅速發展，tcp/ip協議正逐漸成為一種世界通用的網絡通信協議標準。如果讓處于現場的傳感器實現tcp/ip協議，也就是把網絡連接功能嵌入到現場傳感器中，使傳統的傳感器真正成為一個獨立的網絡結點，數據采集、信息傳輸等都能直接在intranet/internet上以web方式進行，既統一了標準，又達到了遠程控制和操作的目的[1]，基于w3100a的嵌入式ip荷重傳感器正是為實現這種目的而設計的。

1 ip荷重傳感器結構

嵌入式ip荷重傳感器是在智能傳感器的基礎上發展起來的，具有internet功能的新型傳感器。其實質是在傳統傳感器的基礎上實現tcp/ip網絡通信協議接口，將傳感器作為網絡節點直接與計算機網絡通信。它的組成主要有：敏感單元、智能處理單元和tcp/ip通信協議接口。

圖1為嵌入式ip荷重傳感器的結構框圖。整個傳感器的工作原理如下[2]：傳統的傳感器將被測荷重信號轉換為電信號，先通過a/d轉換器轉換為數字信號，再經過微處理器的數據處理（濾波、校準）將結果傳送給網絡；與網絡的數據交換由基于tcp/ip協議的網絡接口模塊完成。嵌入式ip荷重傳感器的內部存儲器存儲傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準參數等；微處理器實現數據的處理及輸出校準；tcp/ip協議實現傳感器的網絡連接。與傳統的傳感器相比，基于w3100a的嵌入式ip傳感器具有可靠、便宜、擴展性好的優點，而且可以在內部直接對原始數據加工、處理，并通過intranet/internet與外界進行數據交換，因而它具有微型化、網絡化和智能化的特點。由于傳感器可與intranet/internet互連，因而實現了資源共享。

2 tcp/ip協議棧的幾種實現方案

ip傳感器的實現的關鍵在于網絡化接口的設計，而網絡化接口實現的關鍵tcp/ip通信協議的實現。目前，實現的方法有下面兩種：

（1）基于軟件來實現tcp/ip協議堆棧。通過將tcp/ip協議棧移植到系統中，然后調用相關的api函數實現網絡通信。或者不采用移植的方法，參照標準的tcp/ip協議精簡相應的協議層，編寫相關的api函數完成簡易的tcp/ip通信。但是這種方法需要有操作系統、高性能mcu及大容量存儲器的支持。

（2）直接采用tcp/ip協議棧芯片。這種方案的主要優點在于，應用系統的設計不必考慮任何網絡協議，只需要解決并執行網絡芯片傳送過來的指令和數據就可以實現與internet網絡連接，實現數據對網絡的傳送，且不需要操作系統的支持。本文基于w3100a芯片的嵌入式ip何重傳感器就是采用這種方法實現的。

3 傳感器系統硬件設計

3.1 w3100a芯片簡介

w3100a是韓國wiznet公司生產的一種tcp/ip協議棧芯片，其中包含的協議層有tcp/（傳輸控制協議）、ip（網際協議）、udp（用戶數據報協議）、icmp（因特網控制報文協議）和協議的dlc（數據鏈路控制），以及mac協議。該芯片提供2個接口給上層應用層--mcu接口和i2c接口，1個mii（media independent interface）接口給底層物理層。芯片支持全雙工4m－5mb/s的數據通信；內部帶有雙口ram的數據緩沖器，64引腳lqfp封裝，內部結構如圖2所示。

芯片內部提供512b的控制寄存器存儲空間和16kb的數據存儲緩沖器。其中8kb傳輸數據緩沖器供mcu傳輸數據用，mcu只能寫而不能讀；8kb接收數據緩沖器供mcu接收數據用，mcu只能讀而不能寫。芯片提供寄存器供mcu訪問，具體的寄存器分類如下：控制寄存器（命令、狀態及中斷）；系統寄存器（網關地址、子網掩碼、ip地址等）；用于數據收、發的指針寄存器；通道操作的通道寄存器。各寄存器功能和地址參閱文獻[3]。

3.2 硬件接口及其數據傳輸

w3100a提供了并口和串口兩種方式實現與mcu的通信[4]。圖3為基于i2c的串口連接是方式。其中mcu為傳感器中的處理器，以太網物理層設備選用rtl8201芯片，w3100a提供mii接口與rtl8201相連，其中引腳rx_clk、rxdv、rxd[3：0]以及col用于數據的接收，而tx_clk、txe、txd[3：0]用于數據的發送。mcu中提供模擬的i2c接口與w3100a通信。i2c是串行通信總線方式，由數據線sda和時鐘線scl配合完成通信。

tcp連接分主動連接（tcp客戶機模式）和被動連接（tcp服務器模式）。本文主要用到tcp被動連接方式，具體過程如圖4所示。首先，要完成芯片的tcp/ip初始化，初始化主要是對必要的寄存器進行相應的設置，這些寄存器包括gar、smr、shar以及sips等。

上述寄存器被設置后通過執行控制寄存器c0_cr的0位sys_init激活芯片。其次，設置相應通道，如0通道的協議選擇寄存器c0_sopc為0x01，選擇tcp協議。執行通道0控制寄存器c0_cr中的socket_init，同時將c0_tw_pr、c0_tr_pr及c0_ta_pr置成同一值。然后執行c0_cr的connect和listen命令位，tcp連接建立。

tcp數據傳送和接收要在連接建立后才能進行，通過設置rmsr和tmsr來規定數據緩沖器空間大小。tcp數據傳送過程是通過使用c0_tw_pr、c0_ta_pr來進行的，它們的初始值相同。然后mcu根據要傳送數據的多少增加c0_tw_pr的值。最后，c0_tw_pr、c0_ta_pr兩者之差為空閑數據緩沖器空間大小，執行傳送命令，同時增加c0_ta_pr的值，數據傳送完畢后它們的值又相同。

4 傳感器系統軟件設計

ip荷重傳感器的工作流程是：首先采集荷重信號，其次將信號進行a/d轉換后將結果存儲在eeprom中，并可將信號和處理結果嵌入到存儲在eeprom中的事先定制好的網頁中供客戶機通過internet訪問，同時在本機lcd上顯示荷重信號的數據。w3100a的工作方式類似于windows的socket api，因此程序是在cygnal公司的集成開發環境下，把儀器作為服務器，基于socket api用c語言編寫的。對c8051f021而言，由于是用w3100a來完成tcp協議，其程序簡單了許多。通信主程序流程如圖5所示。

網絡配置文件預先存儲在eeprom中，對于儀器的本地ip地址設置為一個靜態ip地址，如果沒有一個靜態ip地址也可以采用動態主機配置協議（dhcp）來動態獲取一個ip地址。

5 應用實例

紅礬鈉是一種重要的無機化工原料。在紅礬鈉的生產中，配料是一個十分重要的工序。由于配料現場的環境惡劣，帶毒粉塵多，噪聲大，嚴重影響工人的身體健康[5]。傳統的計算機配料系統由于其傳感器遠傳能力有限，對配料系統的遠距離監控往往力不從心，因此，開發具有web功能的ip傳感器十分必要。基于ip傳感器的紅礬鈉配料系統組成框圖如圖6所示。

系統中，web的工作基于c/s模型，傳感器由web瀏覽器和web服務器構成，兩者之間采用http協議進行通信，因此在傳感器的上層協議應該采用http協議。同時要實現瀏覽器與嵌入式web傳感器交互，除了要解決上述tcp/ip通信協議接口外，在傳感器中應提供一個eeprom存儲相應的網頁文件。交互時，http通過統一資源定位器url（uniform resource locator）確定傳感器應該為瀏覽器提供哪些資源。為了節省空間，通過一種靈活的hush算法實現。eeprom的每一個文件都有一個不同的hush值與之相對應，存取時可以很快計算出文件的地址。此外，它可以根據網頁中嵌入的特殊標志實現動態網頁，即顯示實時采集的數據并進行控制操作。

結語

基于tcp/ip的嵌入式ip荷重傳感器是在計算器技術、信號處理、網絡控制等技術的基礎上發展起來的。它實現了工業現場的遠程控制及遠程數據采集，使管理人員和測量人員實現虛擬到場，大大節約了管理成本和管理難度。可以預計，隨著網絡技術、嵌入式技術和計算技術的進一步發展，internet已成為企業管理層的主導網絡，基于tcp/ip協議的以太網會逐漸滲入社會生活的各個角落，并不逐步延伸到工業設備現場。新一代的傳感器--ip傳感器，將具有廣泛的發展前景。