基于W7100A芯片的海洋儀器網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)

張小磊，徐俊臣，胡軼群，邱文博，王亞丁

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

在海洋自動(dòng)觀測領(lǐng)域，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)的快速發(fā)展，各種形式的測量傳感器和海洋觀測儀器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度的數(shù)字化和自動(dòng)化（蔡樹群等，2007）。而近年來計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展（李四海等，2012），已經(jīng)成為信息化時(shí)代的核心，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展不僅深入到人們的工作和生活，也為自動(dòng)觀測設(shè)備提供了一種通用、快速、經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)傳輸通道（沈蘇彬等，2009）。具有網(wǎng)絡(luò)接口的海洋觀測儀器不僅可以方便和其他設(shè)備以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，便于系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)共享，更可以憑借因特網(wǎng)這一高速通道實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備管理和數(shù)據(jù)通訊，極大擴(kuò)展了設(shè)備的通訊范圍和應(yīng)用靈活性（李嘉等，2001）。因此，網(wǎng)絡(luò)化和智能化已經(jīng)成為自動(dòng)觀測設(shè)備的一種發(fā)展趨勢。

目前大多數(shù)自動(dòng)儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入可以采用以下方式，第一種是基于單片機(jī)和以太網(wǎng)控制芯片來實(shí)現(xiàn)（劉亞萍等，2010），這種方式硬件電路簡單，僅需兩個(gè)主要芯片，價(jià)格低，但由于單片機(jī)的資源和性能所限，網(wǎng)絡(luò)通訊能力受到一定制約，同時(shí)對軟件設(shè)計(jì)人員的要求較高，需要熟練掌握TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，代碼設(shè)計(jì)工作量和難度都較大；第二種方式是采用高端ARM 芯片并移植網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（徐榮珍等，2006），使用操作系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)功能，這種方式需要較高的硬件電路配置以運(yùn)行操作系統(tǒng)，并需要專業(yè)人員負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的移植，系統(tǒng)功耗較大且成本較高。

本文介紹的基于W7100A 芯片來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)部分采用高集成度的工業(yè)級單芯片設(shè)計(jì)，具有硬件電路簡單、功耗及成本低、工業(yè)級設(shè)計(jì)、尤其適應(yīng)海洋工作環(huán)境的特點(diǎn)，同時(shí)由于芯片內(nèi)置硬件TCP/IP 協(xié)議，極大地簡化了軟件設(shè)計(jì)難度，軟件設(shè)計(jì)人員無需過多的了解復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議，只需具有一定的socket 編程基礎(chǔ)即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程。

1 W7100A 芯片介紹

W7100A 是韓國WIZnet 公司在原網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片W5100 的基礎(chǔ)上于2011年推出的新一代網(wǎng)絡(luò)芯片，該芯片在原有硬件TCP/IP 協(xié)議棧、MAC 層和物理層接口的基礎(chǔ)上，為方便嵌入式設(shè)備應(yīng)用而集成了高速微控制器和大容量程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可單芯片構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)接口，非常適合應(yīng)用于自動(dòng)化儀器設(shè)備尤其是沒有網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)支持的現(xiàn)場觀測儀器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

圖1 為網(wǎng)絡(luò)接口的電路原理圖，該模塊設(shè)計(jì)為通用接口模塊，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)RS-232 串行數(shù)據(jù)接口到TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口的協(xié)議轉(zhuǎn)換。任何具有標(biāo)準(zhǔn)RS-232 接口的儀器設(shè)備無需做任何改動(dòng)，就可通過該模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入。硬件電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

圖1 網(wǎng)絡(luò)接口電路原理圖

（1） 為降低模塊功耗提高供電效率，模塊采用開關(guān)電源設(shè)計(jì)，開關(guān)電源芯片選取LM2594，供電范圍可達(dá)直流（5-30） V，其輸出電壓為3.3 V，效率高達(dá)80%，模塊內(nèi)全部芯片均選用3.3 V 供電，為減小開關(guān)電源的輸出噪聲，電源系統(tǒng)增加了電源濾波設(shè)計(jì)；

（2） W7100A 芯片的UART 接口信號通過電平變換電路MAX3243 構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)RS-232 接口，該接口有兩個(gè)功能，當(dāng)控制線RTS 有效時(shí)（高電平）可以與觀測儀器的通訊接口相接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用，當(dāng)控制線RTS 無效時(shí)（低電平） 可以通過此接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置與查詢；

（3） 網(wǎng)絡(luò)變壓器13F60 實(shí)現(xiàn)W7100A 芯片的網(wǎng)絡(luò)輸入輸出信號的隔離，構(gòu)成模塊的網(wǎng)絡(luò)接口。由于網(wǎng)絡(luò)通訊速度高達(dá)100 M，為減小電干擾，W7100A 芯片的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸入和輸出的兩對信號線要分別平行布放且不要與其他連線交叉；

（4） 芯片24MAC402 通過I2C 接口與W7100A芯片相連接，該芯片實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，其一該芯片內(nèi)部具有一組全世界唯一的48bit 的MAC 地址（物理地址） 供W7100A 讀取使用，以保證網(wǎng)卡在因特網(wǎng)中的唯一性和合法性，確保不會(huì)造成地址沖突，其二該芯片具有256 字節(jié)的EEPROM 存儲(chǔ)器，用來保存網(wǎng)絡(luò)通訊參數(shù)如網(wǎng)關(guān)地址、子網(wǎng)掩碼、本機(jī)IP 地址、本機(jī)端口號、服務(wù)器IP 地址、服務(wù)器端口號和通訊方式設(shè)置等；

（5） 為了方便使用和調(diào)試，模塊設(shè)計(jì)有POW、LINK、RTD 和TCP 共四個(gè)指示燈，分別用來指示電源是否正常、網(wǎng)絡(luò)連接是否正常、是否有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收或發(fā)送和TCP 連接是否已經(jīng)建立；

（6） 模塊軟件運(yùn)行在W7100A 內(nèi)部，具備較好的抗干擾能力，但海洋觀測現(xiàn)場（如海洋站、調(diào)查船） 具有大功率雷達(dá)等電子設(shè)備，電磁環(huán)境較為惡劣。為保證系統(tǒng)在海洋觀測現(xiàn)場的可靠性和穩(wěn)定性，模塊設(shè)計(jì)有專用的復(fù)位電路MAX809R，當(dāng)觀測系統(tǒng)電源出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況下，確保系統(tǒng)的正確復(fù)位和恢復(fù)運(yùn)行，同時(shí)配合使用芯片內(nèi)部看門狗的使用，確保軟件的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由自檢模塊、串口通訊模塊、參數(shù)設(shè)置查詢模塊、網(wǎng)絡(luò)連接通訊模塊組成。系統(tǒng)的軟件流程如圖2。模塊具有兩種運(yùn)行模式，即設(shè)置模式和工作模式，運(yùn)行模式取決于串口的RTS 信號。當(dāng)RTS 信號無效時(shí)，運(yùn)行在設(shè)置模式，此時(shí)上位機(jī)可通過串口設(shè)置和查詢模塊的網(wǎng)絡(luò)工作參數(shù)；當(dāng)RTS 信號有效時(shí)，運(yùn)行在工作模式，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和通訊功能。

自檢模塊由I2C 接口讀寫等程序組成，可以完成24MAC402 芯片MAC 地址讀取以及該芯片256字節(jié)的EEPROM 存儲(chǔ)器的讀寫操作。當(dāng)I2C 接口不能正常工作時(shí)，該模塊提示系統(tǒng)故障報(bào)警。串口通訊模塊由串口初始化程序、串口接收程序和串口發(fā)送程序組成。參數(shù)設(shè)置查詢模塊在設(shè)置模式下分析串口命令，完成新參數(shù)的存儲(chǔ)和當(dāng)前參數(shù)的查詢。網(wǎng)絡(luò)模塊連接和通訊模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維護(hù)和指示，同時(shí)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖2 軟件流程圖

基于W7100A 芯片的網(wǎng)絡(luò)接口模塊可以同時(shí)支持8 個(gè)socket 通道，在軟件的控制下，每一個(gè)socket 通道都可任意設(shè)置使用TCP 通訊協(xié)議和UDP 通訊協(xié)議，極大地提高了應(yīng)用的靈活性。基于海洋觀測數(shù)據(jù)的重要性，軟件使用高可靠傳輸?shù)腡CP 協(xié)議（Andrew，2004）。在TCP 模式下，本模塊既可以以客戶端的形式主動(dòng)與遠(yuǎn)端的服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接，又可以以服務(wù)器的形式等待與遠(yuǎn)端的客戶端建立網(wǎng)絡(luò)連接，待連接建立成功后就可以與遠(yuǎn)端的設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。

由于W7100A 芯片內(nèi)部集成了TCP/IP 硬件協(xié)議棧，因此軟件設(shè)計(jì)人員無需對復(fù)雜龐大的協(xié)議棧有深入的了解，直接在單片機(jī)上用socket 編程就可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊，極大簡化了用戶軟件設(shè)計(jì)工作。用戶僅需發(fā)出初始化、連接網(wǎng)絡(luò)、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、斷開連接、檢查狀態(tài)等命令即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊功能。同時(shí)芯片內(nèi)部集成的TCP/IP 核內(nèi)包含了16 KB 的發(fā)送緩沖區(qū)和16 KB 的接收緩沖區(qū)，用戶可以根據(jù)自己的數(shù)據(jù)量的大小為各個(gè)socket 靈活分配緩沖區(qū)的大小，提高數(shù)據(jù)吞吐量，改善通訊效率。

3.1 客戶端模式

當(dāng)模塊工作在客戶端模式時(shí)，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示，模塊初始化完畢后按照預(yù)先設(shè)置的服務(wù)器參數(shù)建立并維護(hù)與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)連接失敗或網(wǎng)絡(luò)連接斷開時(shí)，軟件控制模塊自動(dòng)重新建立連接，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)連接正常的條件下在儀器設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)間透明傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)發(fā)送程序負(fù)責(zé)檢查相應(yīng)socket 發(fā)送緩沖區(qū)是否有足夠的存儲(chǔ)空間并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)直接放入發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)；數(shù)據(jù)接收程序負(fù)責(zé)檢查相應(yīng)socket 接收緩沖區(qū)是否有已經(jīng)收到數(shù)據(jù)并迅速取出數(shù)據(jù)。

圖3 客戶端模式軟件流程圖

3.2 服務(wù)器模式

當(dāng)模塊工作在TCP 服務(wù)器模式時(shí)，模塊初始化完成后進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待遠(yuǎn)端的客戶端的連接請求。當(dāng)收到客戶端的連接請求后建立TCP 連接并傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)連接的維護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸與客戶端模式相同。本模塊支持同時(shí)可最多建立八個(gè)服務(wù)連接。

4 系統(tǒng)測試和應(yīng)用

海洋觀測儀器的工作環(huán)境較為惡劣，高溫、低溫、高濕、供電能力差，有些地方無人值守，因此海洋觀測儀器的設(shè)計(jì)上除了滿足測量功能以外，還要有較高的可靠性、低功耗、環(huán)境適應(yīng)性。

4.1 實(shí)驗(yàn)室測試

4.1.1 通訊性能測試

模塊的RS-232 接口與PC 機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串口連接并且運(yùn)行SSCOM3.2 串口調(diào)試助手軟件；串口設(shè)置為速率57 600 bps，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無校驗(yàn)位；模塊的網(wǎng)絡(luò)接口連接到PC 機(jī)的網(wǎng)口，運(yùn)行TCP&UDP1.02 測試工具，PC 機(jī)工作在服務(wù)器模式，被測模塊工作在客戶端模式。測試的方法是串口向網(wǎng)口每100 ms 發(fā)送300Byte 的數(shù)據(jù)，該速率滿足大部分海洋儀器的應(yīng)用需求，同時(shí)網(wǎng)口向串口也以同樣的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1 所示，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定無差錯(cuò)。

表1 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

4.1.2 模塊功耗測試

在網(wǎng)絡(luò)模塊正常通訊的條件下，分別給模塊加入不同的工作電壓，功耗測量結(jié)果如表2 所示，結(jié)果顯示模塊的整體功耗小于等于0.7 瓦。

表2 網(wǎng)絡(luò)模塊功耗測試

4.1.3 環(huán)境適應(yīng)測試

海洋儀器的環(huán)境試驗(yàn)按《HY 016.1-016.15—1992 海洋儀器基本環(huán)境試驗(yàn)方法》執(zhí)行。試驗(yàn)項(xiàng)目包括低溫試驗(yàn)、低溫貯存、高溫試驗(yàn)、高溫貯存、震動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和交變濕熱試驗(yàn)。基于W7100A 芯片的網(wǎng)絡(luò)接口模塊與XZY3 型自動(dòng)水文氣象站一起通過了上述試驗(yàn)項(xiàng)目。其中低溫試驗(yàn)和高溫試驗(yàn)過程如下。

將網(wǎng)絡(luò)通訊模塊置于環(huán)境試驗(yàn)箱中，在溫度降至-35 ℃后保持2 h，然后進(jìn)行加電測試，網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)據(jù)通訊正常且無數(shù)據(jù)丟失；同樣將網(wǎng)絡(luò)通訊模塊置于環(huán)境試驗(yàn)箱中，在溫度升至+50 ℃后保持2 h，然后進(jìn)行加電測試，網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)據(jù)通訊正常進(jìn)行無數(shù)據(jù)丟失，滿足海洋儀器對工作環(huán)境的實(shí)際需求。

4.2 海洋觀測現(xiàn)場驗(yàn)證

圖4 是網(wǎng)絡(luò)通訊模塊在福建海洋預(yù)報(bào)臺(tái)潮汐監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

在此項(xiàng)應(yīng)用中，共有13 個(gè)水位站分布在福建省內(nèi)各個(gè)觀測點(diǎn)，分別通過網(wǎng)絡(luò)模塊接入海洋觀測專網(wǎng)中。這些觀測站點(diǎn)均為無人值守站點(diǎn)，采用太陽能蓄電池組供電，現(xiàn)場環(huán)境和供電條件較差，對設(shè)備的穩(wěn)定性、功耗和環(huán)境適應(yīng)性要求較高。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每個(gè)水位站每分鐘實(shí)時(shí)傳輸觀測數(shù)據(jù)到省數(shù)據(jù)中心，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小276 字節(jié)。通過統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間和所接收的字節(jié)數(shù)可以推斷出傳輸成功率。

圖4 福建海洋預(yù)報(bào)臺(tái)潮汐監(jiān)測系統(tǒng)

早期設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊為某型進(jìn)口產(chǎn)品，分別對進(jìn)口產(chǎn)品和本網(wǎng)絡(luò)模塊的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對比，其結(jié)果如表3 所示。

表3 本網(wǎng)絡(luò)模塊與某進(jìn)口產(chǎn)品的對比

通過與進(jìn)口產(chǎn)品比較，基于W7100A 芯片的網(wǎng)絡(luò)接口模塊的優(yōu)勢明顯。首先，其功耗僅為進(jìn)口產(chǎn)品的三分之一，適合電池供電的產(chǎn)品使用；其次，由于增加了軟件心跳包功能，模塊在任何情況下都能判斷與服務(wù)器的連接狀況，具有很高的可靠性，數(shù)據(jù)傳輸成功率明顯高于進(jìn)口產(chǎn)品，適合無人值守應(yīng)用。此外，網(wǎng)絡(luò)通訊模塊滿足海洋儀器的工作環(huán)境，運(yùn)行期間無故障出現(xiàn)，適合在惡劣環(huán)境下使用。

5 結(jié)束語

以W7100A 芯片為核心設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口通用模塊，具有如下特點(diǎn)：可以通過標(biāo)準(zhǔn)串口控制RTS信號來切換模塊的運(yùn)行模式，因此可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行模式的切換；具有極低的功耗，非常適合應(yīng)用于供電能力有限的工作環(huán)境中，尤其是應(yīng)用在海洋無人站中需要太陽能供電的條件下；設(shè)備中所有的器件都達(dá)到工業(yè)級水平，適應(yīng)海洋中的惡劣環(huán)境，設(shè)備工作溫度范圍廣，最低可在-35 ℃環(huán)境下工作。該設(shè)備經(jīng)歷了海洋觀測無人站惡劣環(huán)境的實(shí)際考驗(yàn)，并通過與同類其他產(chǎn)品進(jìn)行對比，較其他產(chǎn)品更適合應(yīng)用于海洋儀器中。模塊化的設(shè)計(jì)，方便設(shè)備集成使用或直接移植到海洋儀器內(nèi)部，使海洋儀器快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口功能，具有良好的應(yīng)用前景。

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