基于W7100A的光電偵察信息網(wǎng)絡(luò)接入接口設(shè)計(jì)

王俊林，劉 宇，趙斌陶

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710029）

隨著光電偵察技術(shù)的飛速發(fā)展，并以最大的廣度和深度滲透到現(xiàn)代軍事斗爭(zhēng)的各個(gè)領(lǐng)域，使其成為實(shí)現(xiàn)軍事偵察高技術(shù)化、信息化的核心和支柱。目前，光電偵察設(shè)備正朝著適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)一步提高精度、分辨率，提高智能化，網(wǎng)絡(luò)協(xié)同多種偵察設(shè)備的方向發(fā)展[1]。因此，光電偵察設(shè)備如何將大容量高速數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的網(wǎng)絡(luò)接入是首先需要解決的問(wèn)題之一。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，以太網(wǎng)通信的傳輸速率已經(jīng)從最早的10 Mb/s到現(xiàn)在的1 Gb/s，它具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸質(zhì)量高、保密性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，在光電偵察信息數(shù)據(jù)傳輸中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文以帶硬件TCP/IP模塊的8051控制器W7100A設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了偵察設(shè)備與其他遠(yuǎn)程設(shè)備之間的光電偵察信息網(wǎng)絡(luò)接入接口，使之遵守以太網(wǎng)通信規(guī)范。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

光電偵察設(shè)備系統(tǒng)整體由采集模塊、控制模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊等組成，其連接關(guān)系如圖1所示。采集模塊主要是采集光電傳感器的圖像、軸角等信息，并輸出經(jīng)過(guò)處理的數(shù)字信號(hào)；控制模塊則主要控制各模塊之間按照系統(tǒng)功能協(xié)調(diào)工作；網(wǎng)絡(luò)模塊主要是將數(shù)據(jù)按照以太網(wǎng)協(xié)議規(guī)范進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接入功能。系統(tǒng)的核心在于網(wǎng)絡(luò)接入功能的實(shí)現(xiàn)，因此文中將對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)做重點(diǎn)說(shuō)明。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)Fig.1 The system block diagram

2 網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口是為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)的，主要由接口控電路和隔離耦合電路組成。在接口控制電路中，由系統(tǒng)控制器完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片的控制功能；耦合隔離電路是為完善網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)的，起到耦合傳輸和隔離保護(hù)的作用。

文中的以太網(wǎng)控制器采用WIZnet公司的網(wǎng)絡(luò)微處理器W7100A，其包含一個(gè)與8051兼容的8位微處理器內(nèi)核和硬件TCP/IP內(nèi)核[3]。W7100A的CPU內(nèi)核是一款高性能、速率優(yōu)化的8位嵌入式控制器，具有64 k字節(jié)程序存儲(chǔ)器和64 k字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051微處理器二進(jìn)制代碼兼容。圖 2為網(wǎng)絡(luò)接口的電路原理圖。

2.1 接口電路

圖2 網(wǎng)絡(luò)接口電路原理圖Fig.2 Network interface cicuit diagram

W7100A負(fù)責(zé)完成高速數(shù)據(jù)的傳輸工作，把數(shù)據(jù)傳送給FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。W7100A的P0～P3口分別與FPGA的IO口相連接，完成與FPGA的數(shù)據(jù)傳輸。由于W7100A沒有外部數(shù)據(jù)總線和地址總線，所以在與FPGA進(jìn)行通信時(shí)用P0～P3 4個(gè)通用IO口模擬數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且其通用IO口都沒有內(nèi)部上拉電阻，需要外部加上拉電阻。

2.2 耦合隔離電路

網(wǎng)絡(luò)變壓器20F001N實(shí)現(xiàn)W7100A芯片的網(wǎng)絡(luò)輸入輸出信號(hào)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(duì)信號(hào)線要分別平行布放且不要與其他連線交叉。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 軟件配置設(shè)計(jì)

因?yàn)閃7100A內(nèi)部嵌入一個(gè)8051兼容的MCU內(nèi)核和硬件的TCP/IP內(nèi)核[4]，它可以不需要其它器件而獨(dú)立實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的應(yīng)用。使用W7100A時(shí)要先進(jìn)行初始化配置，初始化分3個(gè)步驟：設(shè)置8051 MCU，網(wǎng)絡(luò)信息和內(nèi)部TX/RX存儲(chǔ)器。

3.1.1 初始化MCU

MCU的初始化包括中斷設(shè)置，存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間設(shè)置和串口波特率、寄存器設(shè)置等。設(shè)置如下：

3.1.2 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息

必須設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)基本信息有：SHAR（本機(jī)物理地址寄存器）、GAR（網(wǎng)關(guān)地址寄存器）、SUBR（子網(wǎng)掩碼寄存器）、SIPR（本機(jī)IP地址寄存器）。

為了設(shè)置重發(fā)時(shí)間，需要設(shè)置的寄存器如下：

1）RTR（重發(fā)時(shí)間寄存器），RTR的‘1’代表‘100us’。

2）RCR（重發(fā)次數(shù)寄存器）

網(wǎng)絡(luò)信息初始化的程序如下：

3.1.3 分配SOCKET n內(nèi)部TX/RX存儲(chǔ)器大小

每一個(gè)可配置的TX/RX存儲(chǔ)器的最大長(zhǎng)度為16 k字節(jié)，在16 K字節(jié)的范圍內(nèi)，用戶可以將存儲(chǔ)器給8個(gè)SOCKET任意分配為1 k、2 k、4 k和8 k字節(jié)。但TX和RX存儲(chǔ)器的總合不能超過(guò)16 k字節(jié)（TXmax=16 kB， RXmax=16 kB）。

圖3 TX寄存器的分配Fig.3 TX memory allocation

完成W7100A的這3步初始化設(shè)置，W7100A就可以通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此刻，W7100A可以響應(yīng)來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)的Ping請(qǐng)求。

3.2 數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計(jì)

初始化完成以后，W7100A就可以以TCP、UDP、IPRAW或MACRAW的模式打開端口，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。W7100A支持8個(gè)端口以不同的方式同時(shí)進(jìn)行工作。本系統(tǒng)選用UDP模式的多播方式工作。

UDP是無(wú)連接的通信，它的通信是不需要端口建立連接，因此它可以與多個(gè)IP地址的多個(gè)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[5]。UDP協(xié)議支持單播、廣播和多播等通信方式。它遵循以下通信流程。

多播是與多個(gè)、但在多播組注冊(cè)的目的站點(diǎn)進(jìn)行通信。為了使用多播通信，使用IGMP協(xié)議將目的站點(diǎn)列表注冊(cè)到多播組。多播組包括：分組硬件地址、分組IP地址和組端口號(hào)。用戶不能夠更改“分組硬件地址”和“分組IP地址”。但用戶可以更改“分組端口號(hào)”。

圖4 UDP操作流程Fig.4 UDP operation flow

在W7100A內(nèi)部，IGMP處理多播注冊(cè)是由內(nèi)部自動(dòng)完成的。當(dāng)用戶以多播的模式打開端口時(shí)，“JOIN”信息將在內(nèi)部自動(dòng)傳送。如果用戶關(guān)閉端口，“LEAVE”信息將在內(nèi)部自動(dòng)傳送。端口打開以后，“REPORT”信息將在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中每隔一定的時(shí)間傳送。

3.2.1 打開（OPEN）

在W7100 A的8個(gè)端口中選擇一個(gè)端口作為多播通信的工作端口。設(shè)置Sn_DHAR0為多播組硬件地址，設(shè)置Sn_DIPR0為多播組IP地址。然后設(shè)置Sn_PORT0和Sn_DPORT0為多播組端口號(hào)，將Sn_MR （P3:P0）設(shè)置為UDP，且將Sn_MR（MULTI）設(shè)置為‘1’。最后運(yùn)行OPEN命令。如果Sn_SR的狀態(tài)在執(zhí)行完OPEN命令后改變?yōu)镾OCK_UDP，端口的打開即完成。

3.2.2 接收數(shù)據(jù)

處理接收的UDP數(shù)據(jù)，在內(nèi)部RX存儲(chǔ)器中接收的數(shù)據(jù)包格式如下：

接收的UDP數(shù)據(jù)包含8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包信息和有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包信息包括兩個(gè)部分：發(fā)送者的信息（IP地址和端口號(hào)）和數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。UDP可以接收其它的很多UDP數(shù)據(jù)，用戶可以通過(guò)發(fā)送者的信息區(qū)分UDP數(shù)據(jù)來(lái)源。它也接收以“255.255.255.255”的廣播地址發(fā)送的信息。因此主機(jī)可以通過(guò)分析發(fā)送者的信息，丟掉那些不需要的數(shù)據(jù)。

如果要接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于端口RX存儲(chǔ)器的剩余空間，用戶將無(wú)法接收到數(shù)據(jù)，也不能夠接收分片的數(shù)據(jù)。

3.2.3 發(fā)送數(shù)據(jù)

因?yàn)樵诙丝诔跏蓟瘯r(shí)用戶設(shè)置了組播信息，用戶不需要再設(shè)置目的IP和目的端口號(hào)。因此，將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)部TX存儲(chǔ)器然后執(zhí)行SEND命令。

3.2.4 關(guān)閉（CLOSE）

如果不需要再進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，則將端口關(guān)閉。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了一種基于W7100A網(wǎng)絡(luò)微處理器實(shí)現(xiàn)光電偵察信息網(wǎng)絡(luò)接入的方案。由于該網(wǎng)絡(luò)微處理器嵌入了MCU 8051內(nèi)核和硬件TCP/IP內(nèi)核，使用時(shí)不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口（Socket）編程[6]，而且該設(shè)備外圍器件較少，硬件成本低廉，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單方便，該方案具有集成度高、穩(wěn)定性高、高性能和低成本的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]鄭燁，張伯虎，李孔震.光電偵察裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展前景探析[J].科技資訊，2010（1）:4－6.

[2]楊磊.基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性問(wèn)題研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[3]WIZnet Co.，Inc.Internet embedded MCU W7100A datasheet[EB/OL].Korea：WIZnet，2012.http：//www.wiznet.co.k

[4]Atmel.8051 Microcontrollers Hardware Manual[EB/OL].California:Atmel，2007.http://www.atmel.com.

[5]Richard S W，范建華，等譯.TCP/IP詳解卷1:協(xié)議[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]王偉，藍(lán)雯飛，高偉華.用Socket實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)通信[J].軟件導(dǎo)刊，2009，8（9）:115－117.