基于W5500 的伺服以太網通信設計

馬穎川，楊家輝

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

以太網接口已經廣泛應用在當代的工業控制中。隨著物聯網技術的發展、系統體積的不斷變大、通信數據的增多，傳統的串口已經不能滿足大數量的通信系統，通過單片機實現以太網通信已經成為一種發展趨勢。串口總線、控制器局域網（Controller Area Network，CAN）總線具有傳輸距離短的缺點，在以往工業應用時受限很大，其連接線數目多的特點引起電裝煩瑣、查線困難的問題。例如，大型系統中監控設備一般采用網口通信形式完成對各個分機的控制。分機單片機加入以太網通信模塊，能減少串口服務器使用率和設備間的電纜連接線，提高系統框架的耦合性，增加數據傳輸的效率。利用串行外圍設備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）協議進行外部擴展網絡通信的形式將W5500 與數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）芯片連接，可實現高效快速的以太網通信策略。本文將集成有W5500 芯片的板卡成功應用在X-Y 型天線的伺服控制盒中，通過CAN 總線采集天線驅動設備信息和軸角信息，再通過以太網接口上報給上位機監控設備。上位機設備采用Qt 軟件開發，實現了與伺服控制盒的通信與控制，進而實現對天線的監控[1-3]。

1 硬件設計

W5500 是一款以太網接口芯片，由WIZnet 公司推出，具有內部集成硬件協議棧、性能高等特點。集成電路中，可節約微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）內部只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）等硬件資源，具有應用快速簡單、安全性好、可靠性高等優勢。W5500 提供了SPI，能夠更加容易地與外設MCU 整合，方便開發者使用。

CDSPF28335P 型數字信號處理器是一款具有國內自主知識產權的DSP 控制器，該器件精度高、成本低、功耗小、性能高、外設接口豐富以及數據存儲量大，正在逐漸應用于工業領域。此外，CDSPF28335P具有高性能的互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技術，外設2 個CAN模塊、3個通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）模塊、2 個SPI 模塊、1 個I2C 模塊以及88 個可編程復用的通用輸入輸出（General Purpose Input Output，GPIO）引腳，可實現工業領域中大部分制式的數據通信和電平模擬量采集[4]。

本文采用SPI接口與MCU連接通信。如圖1所示，基于W5500 的DSP 通信設計主要是DSP 與W5500的SPI 總線通信直連，包括從設備數據輸出／主設備數據輸出引腳SPISOMI、從設備數據輸入／主設備數據輸出引腳SPISIMO、片選信號端SPICS、時鐘信號SPICLK，為總線4 線制的全雙工通信。其中，片選信號作為DSP 的選擇開關來選擇W5500 芯片工作，時鐘信號由DSP 輸出作為W5500 的工作頻率基準，最高可支持20 Mb/s的傳輸速率。除了這4個通信信號，還增加了IO20 連接INTn 作為備用中斷輸出，IO21連接RSTn 重置W5500 芯片。

圖1 MCU 與W5500 連接圖

以太網W5500 芯片采集到數據，可通過網線直連上位機，或者通過路由器中轉。W5500 芯片不具有交叉直連自適應功能，但上位機和路由器的網卡一般支持。因此，在連接上位機時，應注意上位機網卡是否具備自適應功能。比較特殊的情況下，2 個W5500 芯片直連通信，必須用交叉線連接[5-9]。

2 軟件設計

2.1 主程序設計

底層程序是將SPI 接口打通，而要打通接口必須按照W5500 芯片使用說明進行配置。芯片上電后，先要強制重置一次，即RSTn 給入低電平信號并保持500 μs 至生效。

重置后的W5500 才可以進行參數配置，也就是配置W5500 的媒體訪問控制地址（Media Access Control Address，MAC）、IP 地址和網關。在此步，需要通過SPI 與W5500 芯片建立通信。拉低片選信號，保持W5500 芯片激活狀態，隨后通過改編官網SPI 發送接收函數，將參數信息傳入芯片，返回正確值后代表配置成功。在改編官網函數時，由于官網文件與DSP 生態的不同，其宏定義及變量結構體命名方式也不同，需適應DSP 環境改造。在此代碼工程中，改變char 和short int 型變量類型，使之適應DSP環境。官網給出的范例中，應用較多的是while 語法。實際測試中發現，若對端網絡關閉或者參數錯誤，則可能造成程序卡死，因此對while 語法加入時間限制措施。

配置IP 代碼為

網絡參數配置成功后，上位機的網卡顯示連接芯片成功，可ping通W5500芯片，此時可設置Socket模塊。W5500 芯片共有8 個Socket 寄存器區，理論上可建立8 個用戶數據報協議（User Datagram Protocol，UDP）/傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）通信，接口豐富，能滿足絕大部分嵌入式設備的接口需求。每一個Socket 的發送緩存區都在一個16 kB 的物理發送內存中，初始化分配為2 kB；每一個Socket 的接收緩存區都在一個16 kB 的物理接收內存中，初始化分配為2 kB。這也說明W5500 芯片能將接收或發送的數據先存入緩存區，等待MCU 處理完畢。官網給出的示例是主動查詢式接收數據，這得益于芯片中豐富的內存。考慮到此次項目中通信數據量不大，采用此種方法將中斷資源留給其他更重要的保護模塊。初始化配置流程如圖2 所示。

圖2 初始化配置流程

2.2 基于Qt 的上位機程序設計

上位機程序是在Qt 平臺下開發的界面程序，自帶UDP 模塊類，可實現與W5500 的通信。將提到的板卡應用到天線伺服設備中，該板卡通過其他接口采集到天線狀態數據，再通過網口上報給上位機軟件。

板卡中采用查詢回復式的方法上報天線狀態，板卡收到上位機發送的查詢指令后，將天線狀態數據打包發送給上位機，考慮到狀態字節數和對系統實時性的要求，上位機間隔100 ms 查詢一次狀態。同樣地，上位機軟件可向板卡下發指令，板卡接收到指令后對指令解析，提取工作內容，進而驅動天線實現不同功能。上位機界面如圖3 所示。

圖3 上位機界面

基于Qt 的上位機程序，可設置網絡通信IP、通信方式、端口，本文采用UDP 通信方式。首先初始化網絡參數，打開網絡監聽線程，間隔100 ms發送查詢指令。當監聽線程收到網絡數據后，通過消息的機制轉到數據解碼函數中，解算網絡數據，從中獲取天線狀態信息。界面也可通過按鈕的形式觸發動作命令，當點擊按鈕后，在Qt 后臺觸發按鈕槽函數，對指令編碼，通過網絡發送到對端設備。

3 測 試

測試實驗中，找來一個X-Y型天線做被控對象，伺服控制盒通過CAN 總線連接X軸、Y軸電機、軸角裝置和定位定向盒，通過網線連接上位機，實現與上位機的通信。測試連接如圖4 所示。

圖4 測試連接圖

進行數據收發測試，利用上位機分別以不同頻率（1 Hz、5 Hz、10 Hz、20 Hz 以及50 Hz）發送查詢指令，持續10 min，統計發送和收到的完整包數，具體如表1 所示。從表中數據分析可以得出，伺服控制盒中網卡芯片收發正常，數據傳輸有效，有效率優于99%，能夠應用于工業控制。

表1 測試數據

4 結 論

基于W5500 的天線伺服以太網通信設計滿足了天線系統的通信速率和質量要求，單芯片有4 個Socket，可實現對多個設備的通信，節省了串口服務器設備和連接線纜數，簡化了系統框架頁，降低了系統成本。闡述了W5500 在天線伺服方面的應用前景，對搭載W5500 的伺服控制板進行硬件和軟件設計，編寫了上位機程序用于直觀顯示的通信內容。在此基礎上，對不同速率進行測試，通信良好。天線實物測試過程中，天線狀態等信息顯示連續有效。測試結果表明，該設計方法通信有效，可推廣應用在天線伺服系統中。