基于W3100A的IP荷重傳感器設(shè)計(jì)

工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)已逐漸由集中式向分散式方向發(fā)展。分布在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能越來(lái)越強(qiáng)，它們之間也越來(lái)越表面出對(duì)通信的迫切要求。隨著internet的迅速發(fā)展，tcp/ip協(xié)議正逐漸成為一種世界通用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。如果讓處于現(xiàn)場(chǎng)的傳感器實(shí)現(xiàn)tcp/ip協(xié)議，也就是把網(wǎng)絡(luò)連接功能嵌入到現(xiàn)場(chǎng)傳感器中，使傳統(tǒng)的傳感器真正成為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集、信息傳輸?shù)榷寄苤苯釉趇ntranet/internet上以web方式進(jìn)行，既統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)，又達(dá)到了遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)這種目的而設(shè)計(jì)的。

1 ip荷重傳感器結(jié)構(gòu)

嵌入式ip荷重傳感器是在智能傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有internet功能的新型傳感器。其實(shí)質(zhì)是在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)tcp/ip網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口，將傳感器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(xié)議接口。

圖1為嵌入式ip荷重傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)傳感器的工作原理如下[2]：傳統(tǒng)的傳感器將被測(cè)荷重信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，先通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)微處理器的數(shù)據(jù)處理（濾波、校準(zhǔn)）將結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)；與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換由基于tcp/ip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口模塊完成。嵌入式ip荷重傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準(zhǔn)參數(shù)等；微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及輸出校準(zhǔn)；tcp/ip協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)連接。與傳統(tǒng)的傳感器相比，基于w3100a的嵌入式ip傳感器具有可靠、便宜、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)，而且可以在內(nèi)部直接對(duì)原始數(shù)據(jù)加工、處理，并通過(guò)intranet/internet與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因而它具有微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的特點(diǎn)。由于傳感器可與intranet/internet互連，因而實(shí)現(xiàn)了資源共享。

2 tcp/ip協(xié)議棧的幾種實(shí)現(xiàn)方案

ip傳感器的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)化接口的設(shè)計(jì)，而網(wǎng)絡(luò)化接口實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵tcp/ip通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。目前，實(shí)現(xiàn)的方法有下面兩種：

（1）基于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)tcp/ip協(xié)議堆棧。通過(guò)將tcp/ip協(xié)議棧移植到系統(tǒng)中，然后調(diào)用相關(guān)的api函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信?；蛘卟徊捎靡浦驳姆椒?，參照標(biāo)準(zhǔn)的tcp/ip協(xié)議精簡(jiǎn)相應(yīng)的協(xié)議層，編寫(xiě)相關(guān)的api函數(shù)完成簡(jiǎn)易的tcp/ip通信。但是這種方法需要有操作系統(tǒng)、高性能mcu及大容量存儲(chǔ)器的支持。

（2）直接采用tcp/ip協(xié)議棧芯片。這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于，應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不必考慮任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，只需要解決并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)芯片傳送過(guò)來(lái)的指令和數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)與internet網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳送，且不需要操作系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)的。

3 傳感器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 w3100a芯片簡(jiǎn)介

w3100a是韓國(guó)wiznet公司生產(chǎn)的一種tcp/ip協(xié)議棧芯片，其中包含的協(xié)議層有tcp/（傳輸控制協(xié)議）、ip（網(wǎng)際協(xié)議）、udp（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）、icmp（因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議）和協(xié)議的dlc（數(shù)據(jù)鏈路控制），以及mac協(xié)議。該芯片提供2個(gè)接口給上層應(yīng)用層--mcu接口和i2c接口，1個(gè)mii（media independent interface）接口給底層物理層。芯片支持全雙工4m－5mb/s的數(shù)據(jù)通信；內(nèi)部帶有雙口ram的數(shù)據(jù)緩沖器，64引腳lqfp封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

芯片內(nèi)部提供512b的控制寄存器存儲(chǔ)空間和16kb的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖器。其中8kb傳輸數(shù)據(jù)緩沖器供mcu傳輸數(shù)據(jù)用，mcu只能寫(xiě)而不能讀；8kb接收數(shù)據(jù)緩沖器供mcu接收數(shù)據(jù)用，mcu只能讀而不能寫(xiě)。芯片提供寄存器供mcu訪問(wèn)，具體的寄存器分類(lèi)如下：控制寄存器（命令、狀態(tài)及中斷）；系統(tǒng)寄存器（網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、ip地址等）；用于數(shù)據(jù)收、發(fā)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(xiàn)[3]。

3.2 硬件接口及其數(shù)據(jù)傳輸

w3100a提供了并口和串口兩種方式實(shí)現(xiàn)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(wǎng)物理層設(shè)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(shù)據(jù)的接收，而tx_clk、txe、txd[3：0]用于數(shù)據(jù)的發(fā)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(shù)據(jù)線sda和時(shí)鐘線scl配合完成通信。

tcp連接分主動(dòng)連接（tcp客戶機(jī)模式）和被動(dòng)連接（tcp服務(wù)器模式）。本文主要用到tcp被動(dòng)連接方式，具體過(guò)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(duì)必要的寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，這些寄存器包括gar、smr、shar以及sips等。

上述寄存器被設(shè)置后通過(guò)執(zhí)行控制寄存器c0_cr的0位sys_init激活芯片。其次，設(shè)置相應(yīng)通道，如0通道的協(xié)議選擇寄存器c0_sopc為0x01，選擇tcp協(xié)議。執(zhí)行通道0控制寄存器c0_cr中的socket_init，同時(shí)將c0_tw_pr、c0_tr_pr及c0_ta_pr置成同一值。然后執(zhí)行c0_cr的connect和listen命令位，tcp連接建立。

tcp數(shù)據(jù)傳送和接收要在連接建立后才能進(jìn)行，通過(guò)設(shè)置rmsr和tmsr來(lái)規(guī)定數(shù)據(jù)緩沖器空間大小。tcp數(shù)據(jù)傳送過(guò)程是通過(guò)使用c0_tw_pr、c0_ta_pr來(lái)進(jìn)行的，它們的初始值相同。然后mcu根據(jù)要傳送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)緩沖器空間大小，執(zhí)行傳送命令，同時(shí)增加c0_ta_pr的值，數(shù)據(jù)傳送完畢后它們的值又相同。

4 傳感器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ip荷重傳感器的工作流程是：首先采集荷重信號(hào)，其次將信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換后將結(jié)果存儲(chǔ)在eeprom中，并可將信號(hào)和處理結(jié)果嵌入到存儲(chǔ)在eeprom中的事先定制好的網(wǎng)頁(yè)中供客戶機(jī)通過(guò)internet訪問(wèn)，同時(shí)在本機(jī)lcd上顯示荷重信號(hào)的數(shù)據(jù)。w3100a的工作方式類(lèi)似于windows的socket api，因此程序是在cygnal公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，把儀器作為服務(wù)器，基于socket api用c語(yǔ)言編寫(xiě)的。對(duì)c8051f021而言，由于是用w3100a來(lái)完成tcp協(xié)議，其程序簡(jiǎn)單了許多。通信主程序流程如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)配置文件預(yù)先存儲(chǔ)在eeprom中，對(duì)于儀器的本地ip地址設(shè)置為一個(gè)靜態(tài)ip地址，如果沒(méi)有一個(gè)靜態(tài)ip地址也可以采用動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（dhcp）來(lái)動(dòng)態(tài)獲取一個(gè)ip地址。

5 應(yīng)用實(shí)例

紅礬鈉是一種重要的無(wú)機(jī)化工原料。在紅礬鈉的生產(chǎn)中，配料是一個(gè)十分重要的工序。由于配料現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境惡劣，帶毒粉塵多，噪聲大，嚴(yán)重影響工人的身體健康[5]。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)配料系統(tǒng)由于其傳感器遠(yuǎn)傳能力有限，對(duì)配料系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控往往力不從心，因此，開(kāi)發(fā)具有web功能的ip傳感器十分必要?；趇p傳感器的紅礬鈉配料系統(tǒng)組成框圖如圖6所示。

系統(tǒng)中，web的工作基于c/s模型，傳感器由web瀏覽器和web服務(wù)器構(gòu)成，兩者之間采用http協(xié)議進(jìn)行通信，因此在傳感器的上層協(xié)議應(yīng)該采用http協(xié)議。同時(shí)要實(shí)現(xiàn)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(xié)議接口外，在傳感器中應(yīng)提供一個(gè)eeprom存儲(chǔ)相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)文件。交互時(shí)，http通過(guò)統(tǒng)一資源定位器url（uniform resource locator）確定傳感器應(yīng)該為瀏覽器提供哪些資源。為了節(jié)省空間，通過(guò)一種靈活的hush算法實(shí)現(xiàn)。eeprom的每一個(gè)文件都有一個(gè)不同的hush值與之相對(duì)應(yīng)，存取時(shí)可以很快計(jì)算出文件的地址。此外，它可以根據(jù)網(wǎng)頁(yè)中嵌入的特殊標(biāo)志實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，即顯示實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制操作。

結(jié)語(yǔ)

基于tcp/ip的嵌入式ip荷重傳感器是在計(jì)算器技術(shù)、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，使管理人員和測(cè)量人員實(shí)現(xiàn)虛擬到場(chǎng)，大大節(jié)約了管理成本和管理難度?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，internet已成為企業(yè)管理層的主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，基于tcp/ip協(xié)議的以太網(wǎng)會(huì)逐漸滲入社會(huì)生活的各個(gè)角落，并不逐步延伸到工業(yè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)。新一代的傳感器--ip傳感器，將具有廣泛的發(fā)展前景。