作者：盧偉國 楊本強

嵌入式ＷＥＢ傳感器是在智能傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有Ｉｎｔｅｒｎｅｔ功能的新型傳感器。其實質(zhì)是在傳統(tǒng)傳感器的基礎(chǔ)上實現(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)點直接與計算機網(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ＷＥＢ傳感器的體系結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的傳感器在嵌入式ＷＥＢ傳感器中只占一部分。核心部分是完成信號處理、數(shù)據(jù)交換和控制的嵌入式智能單元以及完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)模裕茫校桑芯W(wǎng)絡(luò)接口。整個傳感器的工作機理是：傳感器將被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號，通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過微處理器的數(shù)據(jù)處理 （濾波、校準）后將結(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ＷＥＢ傳感器的內(nèi)部存儲器存儲傳感器的物理特征，如偏移、靈敏度、校準參數(shù)等；微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和補償以及輸出校準；ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議實現(xiàn)傳感器的直接網(wǎng)絡(luò)連接。與傳統(tǒng)的傳感器相比，基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的嵌入式ＷＥＢ傳感器更加可靠、便宜，擴展性更好且可以在內(nèi)部直接對原始數(shù)據(jù)加工、處理，并通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ與外界進行數(shù)據(jù)交換。因而它具有微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。傳感器的網(wǎng)絡(luò)化接口實現(xiàn)了對Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或以太網(wǎng)的互連以進行信息的發(fā)布和資源共享。其實現(xiàn)方式是嵌入式ＷＥＢ傳感器研究的重點。

網(wǎng)絡(luò)化接口實現(xiàn)的關(guān)鍵在于ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議的實現(xiàn)。ＴＣＰ／ＩＰ通信協(xié)議的實現(xiàn)方法主要有：采用協(xié)議棧移植，針對嵌入式系統(tǒng)，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)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；不采用移植方式，參照標準的ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議精簡相應(yīng)的協(xié)議層，編寫相關(guān)的ＡＰＩ函數(shù)完成簡易的ＴＣＰ／ＩＰ通信；采用協(xié)議芯片，如Ｗ３１００Ａ芯片，該方法直接采用硬件方式實現(xiàn)ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，直接對芯片的寄存器進行設(shè)置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的傳送。本文著重探討采用Ｗ３１００Ａ芯片實現(xiàn)嵌入式ＷＥＢ傳感器的網(wǎng)絡(luò)化接口的問題。

１ 網(wǎng)絡(luò)化接口的實現(xiàn)

１．１ Ｗ３１００Ａ芯片及處理器對其訪問的實現(xiàn)

Ｗ３１００Ａ是一ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議棧芯片，包含的各協(xié)議層有：ＴＣＰ、ＩＰ、ＵＤＰ、ＩＣＭＰ和以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路ＤＬＣ，以及ＭＡＣ協(xié)議。其工作方式類似于Ｗｉｎｄｏｗｓ的Ｓｏｃｋｅｔ ＡＰＩ。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖２所示。

該芯片可選擇地支持Ｉｎｔｅｌ／Ｍｏｔｏｒｏｌａ ＭＣＵ接口，另外還提供一個Ｉ２Ｃ接口給上層應(yīng)用層，一個ＭＩＩ接口給底層物理層。芯片支持全雙工模式，內(nèi)部帶有雙口的ＳＲＡＭ數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。其封裝是６４腳的ＬＱＦＰ。

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(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。

比較重要的幾個寄存器如表１所示。

表1 寄存器功能和地址示意圖

控制寄存器Ｃ０＿ＣＲ（通道０的命令寄存器），用于通道０套接字（Ｓｏｃｋｅｔ）的初始化、連接、關(guān)閉和數(shù)據(jù)收發(fā)，其設(shè)置如下：

其中，Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ用于設(shè)置網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼以及ＩＰ地址等，１～６位用于通道０套接字的初始化、連接、斷開、監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)收發(fā)，相應(yīng)位在命令執(zhí)行后自動清除。通過套接字協(xié)議選擇寄存器Ｃ０＿Ｓ０ＰＲ設(shè)置相應(yīng)的協(xié)議值確定套接字中選用ＴＣＰ還是ＵＤＰ。

芯片正常工作必須對其完成相應(yīng)的初始化。初始化主要是對必要的寄存器進行相應(yīng)的設(shè)置，這些寄存器包括：網(wǎng)關(guān)地址寄存器ＧＡＲ、子網(wǎng)掩碼寄存器ＳＭＲ、硬件地址寄存器ＳＨＡＲ以及ＩＰ地址寄存器ＳＩＰＲ等。上述寄存器被設(shè)置后通過執(zhí)行控制寄存器ＣＲ的０位Ｓｙｓ＿ｉｎｉｔ激活芯片。

１．２ 硬件接口及其數(shù)據(jù)傳輸

‘該芯片提供了并口和串口兩種方式實現(xiàn)與ＭＣＵ的通信。圖３為基于Ｉ２Ｃ的串口連接方式。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[0:３]以及ＣＯＬ用于數(shù)據(jù)的接收，而ＴＸ＿ＣＬＫ、ＴＸＥ、ＴＸＤ[０:３]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和時鐘線ＳＣＬ配合完成通信。

建立ＴＣＰ連接的具體過程如圖