一种W5100以太网接入设备的设计与应用
描述
引言
随着人们生活水平的提高及科学技术的不断发展，以太网无不渗透到日常生活的每个角落，如使用电脑上网、手机上网、网络电视、远程登录等。目前宽带接入的主要方式有以太网接入、ADSL接入和CableModem接入三种。其中ADSL接入和CableModem接入均可利用丰富的铜线资源。以太网接入技术是具有中国特色的接入技术。由于中国特色的民宅大多数非常集中，符合以太网的应用特点。而且以太网接入技术的优点是技术非常成熟、标准化、平均端口成本低、带宽高、用户端设备成本低。
硬件设计
以太网接入设备硬件电路主要由微处理器（LPC2214）、固件网络芯片（W5100）、键盘显示电路、AC/DC电源变换电路、串口电平变换电路（MAX232）及以太网变量器等组成，其原理框图如图1所示。
WIZnet公司的W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成了全硬件TCP/IP 协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。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，可实现无操作系统的Internet连接。
LPC2214为NXP公司ARM7TDMI-S系列处理器的一种，具有片内16k字节静态RAM和256k字节片内FLASH。支持片内Boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP），需要的外围器件较少，非常适合低成本的应用场合。
W5100与微处理器之间支持直接总线、间接总线和SPI总线接三种接口方式。
直接总线接口
直接总线接口采用15位地址线（A0～A14），8位数据线（D0～D7），另加片选（CS/），读（RD/），写（WR/）及中断（INT/）等信号线。W5100采用25MHz晶体，LPC2214采用12MHz晶体。
LPC2214的串口0经接口芯片MAX232电平变换后接入的DB9插座上，用于家用电器直接使用RS-232串口接入。直接总线接口方式的电原理图如图2所示。
间接总线接口
间接总线接口采用2位地址线，8位数据线，另加CS/，RD/，WR/ 及INT/等信号线。ADDR[14:2]地址线经过电阻接地。间接总线接口方式电原理图如图3所示。
SPI 总线接口
该模块针对用户不同的应用来设计，本质上就是用户的具体业务应用，与SPI-4接口没有直接关系。当应用支持多个端口时，这部分就显得至关重要。下面以支持两个端口的应用来说明用户逻辑的设计技巧。
SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。
SPI串行接口模式只需要4个引脚进行数据通信。这4个引脚的定义分别为：SCLK、SS/、MOSI、MISO。W5100的SPI使能信号SEN接高电平，使能SPI操作。LPC2214具有两个SPI接口，本例采用第一个SPI口与W5100对接。SPI总线接口方式的电原理图如图4所示。
键盘显示接口
键盘显示接口电路主要包括4×4（组成16个键）键盘扫描及显示驱动两部分。键盘由16个高可靠性的微触开关组成。显示驱动主要使用LPC2214的1位地址线，8位数据线，另加CS1/，RD/，及WR/信号线。处理器完成显示屏的初始化及操作过程中的实时显示控制。键盘显示接口电原理图如图5所示。
软件设计
软件采用mCOS-II操作系统，采用高级语言C语言进行编程，软件主要由人机接口模块、系统设置模块、数据收发模块等三部分组成。
人机接口模块主要完成4×4键盘扫描、按键去抖动、显示驱动等，用户通过按键操作来完成接入设备设置或查询，并将相应的信息通过显示屏告知用户。
系统设置模块主要对接入设备的参数进行设置，如网关地址寄存器（GAR）、本设备物理地址寄存器（SHAR）子网掩码寄存器（SUBR）设备IP 地址寄存器（SIPR） 及RS-232串口波特率等参数，并将设置好的参数进行保存，下次开机时参数保持不变。其它有关W5100参数设置可以参考其数据手册，手册提供了寄存器的初始化程序，供用户参考。
数据收发模块主要完成接入设备的以太网接口与和RS-232接口之间的数据转发，接收以太网接口来的查询及遥控命令信息，完成对家电等设备的遥控功能。
结语
本文是基于W5100以太网接入设备集成有TCP/IP等协议栈，对软件程序员设计水平要求较低。设备外围器件较少，硬件成本低廉，适用于低成本的以太网接入应用场合，具有较高的商业推广价值。
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